專利名稱：基于三維石墨烯的光伏電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光伏電池領域，具體涉及一種基于三維石墨烯的光伏電池及其制備方法。
背景技術：
開發(fā)新能源材料和利用新能源是當前各國必須首先解決的重大問題，而太陽能具有清潔、使用安全、取之不盡、利用成本低且不受地理條件限制等諸多優(yōu)點，是解決能源和環(huán)境問題的理想能源；染料敏化太陽能電池是基于納米技術發(fā)展起來的一種新型太陽能電池，具有制作成本低(其成本僅為硅太陽能電池的1/5 1/10)，生產(chǎn)工藝簡單、無污染，對溫度變化和光強度變化不敏感，光穩(wěn)定性好，使用壽命長(可達15年以上)等優(yōu)點，是一種極有前途的環(huán)保型太陽能電池。20世紀90年代初期，瑞士科學家M. Gratzel將納米多孔的二氧化鈦薄膜涂覆在導電基底上，以聯(lián)吡啶釕為敏化劑，以I-/I3-為電解質(zhì)，以鉬為背電極構建了染料敏化太陽能電池(0' Regan, B. ；Gratzel, Μ. A low-cost, high-efficiency solar cell based ondye-sensitized colloidal Ti02 films. Nature, 1991,335,737-739) 圖 1 為傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池的結構圖，從圖1中可以看出，在導電基底和背電極之間依次形成有光陽極、敏化劑層、電解質(zhì)層，其基本工作原理為可見光照射在電極上時，陽極上染料分子在可見光的作用下通過吸收光能而躍遷到激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，通過染料分子與半導體顆粒表面的相互作用，電子很快躍遷到較低能級的半導體顆粒導帶，進入導帶的電子通過擴散富集進入導電玻璃的導電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。染料分子從電解質(zhì)溶液中獲得電子而被還原成基態(tài)，電解質(zhì)中被氧化的電子擴散至對電極，這就完成了一個光電化學反應循環(huán)。與傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比，這種光伏電池具有顯著地優(yōu)勢對溫度不敏感，可在較寬的溫度范圍內(nèi)工作；制備過程簡單，不需要昂貴的設備；性能穩(wěn)定，理論上壽命可以達到20年以上。迄今為止，成本較高是限制染料敏化太陽能電池產(chǎn)業(yè)化應用的瓶頸之一，主要的原因就是目前典型的染料敏化太陽能電池需要使用透明導電基底。導電基底是一種透明的n型半導體材料，如氧化銦錫(ΙΤ0)、摻氟的Sn02膜(FTO)等包覆在玻璃上形成。ITO和FTO導電膜主要通過化學氣相沉積、陰極濺射、濺射熱解、電子束蒸發(fā)和氧離子束輔助沉積等方法在玻璃上制備。制備工藝復雜，原料成本高，進而大大提升了染料敏化太陽能電池的價格。半導體材料中光陽極一般采用二氧化鈦薄膜，而光陽極導電基底材料的特性、形貌、厚度等對染料敏化太陽能電池的光電特性具有很大的影響。參見圖1，為傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池的結構示意圖，其中包括1、導電基底；2、光陽極；3、敏化劑層；4、電解質(zhì)層；5背電極。專利申請公布號CN1022M702A公開一種傳統(tǒng)的電池結構，其利用石墨烯片作為網(wǎng)絡支架、在CS上均勻附著二氧化鈦和Ag納米晶作為復合光陽極材料，然后將所述材料涂覆于透明導電玻璃(導電基底)制作成光陽極。該方法是在二氧化鈦中作為輔助填料摻入一定比例的石墨烯而制作成光陽極，以此提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，增加染料的吸附以及延長電子傳輸壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人意識到將具有優(yōu)異電子收集與傳輸性能的石墨烯引到光陽極中，取代傳統(tǒng)的導電基底，由此提供一種基于三維石墨烯的新型的光伏電池結構。本發(fā)明提供一種基于三維石墨烯的光伏電池，所述電池由光陽極層、敏化劑層、電解質(zhì)層以及背電極構成的層狀結構，其中，兩個所述背電極之間依次形成有電解質(zhì)層、敏化劑層、光陽極層、敏化劑層和電解質(zhì)層，且所述光陽極為由納米陶瓷材料與三維石墨烯基多孔結構復合而形成的復合結構。本發(fā)明的光伏電池制備方法，通過在光陽極層中引入三維石墨烯，省略了傳統(tǒng)的導電基底，降低了電池的制備成本，簡化了工藝，能制備出性能穩(wěn)定的光伏電池。本發(fā)明中，所述納米陶瓷材料可以為Ti02、aiO、SnO2、Nb2O5、Al2O3、In203、CuO, Cu2O,CdSe, CdS, CdTe, InP, PbS、InN、Ta3N5, GaAs, GaP, Fe2O3, W03、CuS, Cu2S 禾口 SiO2 中一種或兩種以上。優(yōu)選為TW2和&ι0，該陶瓷材料性能穩(wěn)定，價格低廉且無污染。所述背電極可以為透明導電玻璃電極、金屬電極、碳材料電極和高分子電極中的一種或兩種以上。所述電解質(zhì)層可以由乙腈、戊腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、Y-丁內(nèi)酯、碘單質(zhì)、碘化鋰、吡啶碘鹽和熔融鹽中的一種或兩種以上的液態(tài)電解質(zhì)，或者為山梨醇衍生物、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚丙烯酸聚合物、三甲氧基硅烷、多吡啶側(cè)鏈型聚酰胺樹枝狀大分子衍生物、二氧化硅納米粒子和碳納米顆粒中的一種或兩種以上的準固態(tài)電解質(zhì)，或者為硫氰化亞銅、碘化亞銅、聚3-辛基噻吩、聚吡咯、聚氧乙烯、聚丙烯腈、環(huán)氧氯丙烷與環(huán)氧乙烷的共聚物和聚偏氟乙烯中的一種或兩種以上的固態(tài)電解質(zhì)構成。優(yōu)選碘單質(zhì)/碘化鋰，該電解質(zhì)性能穩(wěn)定。所述敏化劑層可以由聯(lián)吡啶釕的配合物、酞箐類染料、嚇啉類染料、CdSe, CdS、CdTe, InP, PbS、InN, Ta3N5、GaAs, GaP, ZnO, Fe2O3, W03、SnO2, CuS, Cu2S 和 11 中一種或兩種以上敏化劑構成。優(yōu)選聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)、C(Ke及CdS，這些敏化劑性能穩(wěn)定，作為本發(fā)明的敏化劑使用。另一方面，本發(fā)明還提供一種基于三維石墨烯的光伏電池制備方法，包括將納米陶瓷材料與三維石墨烯多孔結構復合形成光陽極的工序A ；使光陽極復合敏化劑層的工序B ；之后與背電極疊加、加入電解質(zhì)得到光伏電池。較佳地，工序A還包括制作三維石墨烯多孔結構的工序Al ；將納米陶瓷材料與溶劑、粘結劑和分散劑均勻混合，制備光陽極漿料的工序A2 ；將光陽極漿料復合到三維石墨烯多孔結構形成光陽極的工序A3。此外，可以通過浸漬提拉使所述光陽極漿料復合到三維石墨烯多孔結構中。又，可以通過將所述三維石墨烯多孔結構在所述漿料中浸漬提拉5-50次，在加熱容器中以100-600°C加熱10min-8h，從而得到光陽極。優(yōu)選地，浸漬提拉的次數(shù)為10-40，次數(shù)過多或過少均會影響對敏化劑的吸附。此外，若以450-510°C加熱20-400min，可以取得
更好的復合效果。
此外，可以通過將光陽極在40_80°C時浸入濃度為0. lmM-2M的敏化劑溶液中，在60-80°C下保溫10-600min，取出洗滌從而得到形成有敏化劑層的光陽極。優(yōu)選地，敏化劑的濃度為0. 3mM-lM，保溫時間為30-400min。本發(fā)明中的三維石墨烯多孔結構，可以在包括泡沫狀金屬Cu、Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、Ni、V、Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Mo、W和Zn中的一種或一種以上的三維骨架上制備。制備方法可以選用例如化學氣相沉積，將石墨烯生長在三維骨架上；也可以采用機械剝離法，以此將石墨烯分散到三維骨架上，從而制得三維石墨烯多孔結構。在上述工序A2中，可以選擇去離子水或易揮發(fā)溶劑乙醇、丙酮或它們的任意混合物作為溶劑合用。此外，可以選擇曲拉通X-100、聚乙二醇、乙基纖維素或它們的任意混合物作為粘接劑。又，可以選擇乙酰丙酮、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸鈉或它們的任意混合物作為分散劑。本發(fā)明的光伏電池，通過在光陽極層中引入三維石墨烯，省略了傳統(tǒng)的導電基底，降低了電池的成本，使用石墨烯作為電子收集與傳輸?shù)牟牧希档土穗娮颖蝗毕莶东@的幾率，同時此石墨烯的三維結構提高了光陽極對敏化劑的吸附，可以產(chǎn)生更多的光電子，進而提升光伏電池的光電流密度。


圖1為傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池的結構示意圖；圖2為本發(fā)明基于三維石墨烯的光伏電池結構圖3為本發(fā)明的在三維骨架泡沫鎳上使用化學氣相沉積方法生長的石墨烯的掃描電鏡照片(SEM)。
具體實施例方式參照說明書附圖，并結合下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，說明書附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。圖2為本發(fā)明基于三維石墨烯的光伏電池結構圖，從圖中可以看出，該電池是由光陽極層、敏化劑層、電解質(zhì)層以及背電極構成的層狀結構，在兩個背電極1、7之間依次形成有電解質(zhì)層2、敏化劑層3、光陽極層4、敏化劑層5和電解質(zhì)層6，且光陽極4為由納米陶瓷材料與三維石墨烯基多孔結構復合而形成的復合結構。上述納米陶瓷材料可以為Ti02、Zn0、Sn02、Nb205、Al203、In203、Cu0、Cu20、CdSe、CdS、CdTe, InP、PbS、InN、Ta3N5、GaAs、GaP、Fe2O3、WO3、CuS、Cu2S 禾口 SiO2 中一種或兩種以上。優(yōu)選為TiA和加0。上述背電極可以為透明導電玻璃電極、金屬電極、碳材料電極和高分子電極中的一種或兩種以上。上述電解質(zhì)層可以由乙腈、戊腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、Y-丁內(nèi)酯、碘單質(zhì)、碘化鋰、吡啶碘鹽和熔融鹽中的一種或兩種以上的液態(tài)電解質(zhì)，或者為山梨醇衍生物、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚丙烯酸聚合物、三甲氧基硅烷、多吡啶側(cè)鏈型聚酰胺樹枝狀大分子衍生物、二氧化硅納米粒子和碳納米顆粒中的一種或兩種以上的準固態(tài)電解質(zhì)，或者為硫氰化亞銅、碘化亞銅、聚3-辛基噻吩、聚吡咯、聚氧乙烯、聚丙烯腈、環(huán)氧氯丙烷與環(huán)氧乙烷的共聚物和聚偏氟乙烯中的一種或兩種以上的固態(tài)電解質(zhì)構成，優(yōu)選由碘單質(zhì)/碘化鋰電解質(zhì)構成。上述敏化劑層可以由聯(lián)吡啶釕的配合物、酞箐類染料、嚇啉類染料、CdSe, CdS、CdTe, InP、PbS、ΙηΝ、 ^3Ν5、GaAs、(iaP、ZnO、Fe203、W03、Sn02、CuS、Cu2S 和 TiO2 中一種或兩種以上敏化劑構成，優(yōu)選由聯(lián)吡啶釕的配合物、CcKe和CdS構成。本發(fā)明的光伏電池，通過在光陽極層中引入三維石墨烯，省略了傳統(tǒng)的導電基底，降低了電池的成本，使用石墨烯作為電子收集與傳輸?shù)牟牧?，降低了電子被缺陷捕獲的幾率，同時此石墨烯的三維結構提高了光陽極對敏化劑的吸附，可以產(chǎn)生更多的光電子，進而提升光伏電池的光電流密度。以下說明本發(fā)明的三維石墨烯的光伏電池制備方法，在三維骨架上制備石墨烯，得到三維結構的石墨烯的過程；將納米陶瓷顆粒與溶劑、粘結劑和分散劑均勻混合，形成粘稠的光陽極漿料的過程；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉，然后放入作為加熱容器中加熱，得到光陽極的過程；將光陽極浸入敏化劑溶液中，用洗劑沖洗后晾干，得到形成有敏化劑層的光陽極的過程；將得到的形成有敏化劑層的光陽極與背電極疊加，滴加電解質(zhì)后，得到光伏電池。上述加熱容器可以選用馬弗爐，但根據(jù)加熱溫度可以選用其他適合的加熱容器，洗劑可以選用乙醇，丙酮或松油醇。在本發(fā)明中可以通過機械剝離將石墨烯分散到三維骨架上，制作三維結構的石墨烯；或者可以通過化學氣相沉積將石墨烯生長在三維骨架上，制作三維結構的石墨烯。上述三維骨架可以是泡沫狀金屬Cu、Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe, Co, Ni、V、Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Mo、W及Si中的一種或兩種以上，但優(yōu)選為泡沫Cu和泡沫Ni。該三維骨架為化學沉積提供了催化模板。本發(fā)明中，所述溶劑可以為去離子水或易揮發(fā)溶劑乙醇、丙酮或它們的任意混合物；粘結劑可以為曲拉通X-100、聚乙二醇、乙基纖維素或它們的任意混合物；分散劑可以為乙酰丙酮、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸鈉或它們的任意混合物。本發(fā)明中，上述浸漬提拉的次數(shù)為2-50次，優(yōu)選為10-40次，在加熱容器中加熱時，在100-600°C下加熱，10min-8h上，優(yōu)選在450_510°C加熱20_400min ；光陽極最好是在40-80 V時浸入敏化劑溶液中，所述敏化劑濃度可以為0. lmM-2M。將光陽極浸入敏化劑溶液后，在60-80°C下保溫10-600min，優(yōu)選保溫30-400min。取出后用洗劑沖洗干燥，得到形成有敏化劑層的光陽極。本發(fā)明的光伏電池制備方法，通過在光陽極層中引入三維石墨烯，省略了傳統(tǒng)的導電基底，降低了電池的制備成本，簡化了工藝，能制備出性能穩(wěn)定的光伏電池。下面進一步例舉實施例以詳細說明本發(fā)明的示例制備工藝。應理解，下述實施例是為了更好地說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。實施例1
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯，圖3為得到三維結構的石墨烯的掃描電鏡照片；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉10次，然后放入馬弗爐中在450°C加熱30min，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 3mM)，60°C保溫400min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例2
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫銅上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉10次，然后放入馬弗爐中在460°C加熱20min，得到光陽極；將光陽極40°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0.4mM)，65°C保溫300min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例3
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米氧化鋅顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉20次，然后放入馬弗爐中在500°C加熱lOmin，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 5mM)，75°C保溫200min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例4
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米氧化鋅與納米二氧化鈦按照質(zhì)量比1 1的比例混合的納米顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉15次，然后放入馬弗爐中在470°C加熱40min，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 35mM)，80°C保溫50min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例5
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉35次，然后放入馬弗爐中在350°C加熱3小時，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入Cdk溶液中(濃度為1M)，60°C保溫400min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例6
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉25次，然后放入馬弗爐中在470°C加熱lOOmin，得到光陽極；將光陽極在50°C時浸入CdSe與N719的混合敏化劑(濃度分別為1M，0. 3mM)溶液中，60°C保溫IOOmin后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例7
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉35次，然后放入馬弗爐中在480°C加熱130min，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入CdSe和CdS的混合敏化劑(濃度分別為1M，0. 8M)，70°C保溫150min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例8
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與去離子水、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉40次，然后放入馬弗爐中在490°C加熱150min，得到光陽極；將光陽極在70°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0.45mM)，65°C保溫350min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例9
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、乙基纖維素和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉25次，然后放入馬弗爐中在500°C加熱230min，得到光陽極；將光陽極在65°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 3mM)，60°C保溫400min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例10
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、曲拉通X-100和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉27次，然后放入馬弗爐中在450°C加熱60min，得到光陽極；將光陽極在80°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 3mM)，60°C保溫360min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例11
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉38次，然后放入馬弗爐中在510°C加熱30min，得到光陽極；將光陽極在40°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 3mM)，65°C保溫320min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。實施例12
本實施例的三維石墨烯的光伏電池的制備方法包括以下步驟在三維骨架泡沫鎳上用化學氣相沉積方法制備三維石墨烯；將納米二氧化鈦顆粒與乙醇、聚乙二醇和乙酰丙酮均勻混合，形成粘稠的漿料；將三維結構的石墨烯在漿料中浸漬提拉40次，然后放入馬弗爐中在450°C加熱20min，得到光陽極；將光陽極在50°C時浸入聯(lián)吡啶釕的配合物(N719)溶液中(濃度為0. 45mM)，75°C保溫400min后取出，用乙醇沖洗后晾干，將得到的樣品與金屬鉬電極疊加，滴加電解質(zhì)碘單質(zhì)/碘化鋰后，得到光伏電池。
產(chǎn)業(yè)應用性本發(fā)明的三維石墨烯制備方法省去了制作導電基底的工藝過程，因此降低了制作成本，且所制作出的三維石墨烯電學性能高，可廣泛應用于太陽能光伏電池領域。
權利要求
1.一種基于三維石墨烯的光伏電池，所述電池由光陽極層、敏化劑層、電解質(zhì)層以及背電極構成的層狀結構，其特征在于，兩個所述背電極之間依次形成有電解質(zhì)層、敏化劑層、 光陽極層、敏化劑層和電解質(zhì)層，且所述光陽極為由納米陶瓷材料與三維石墨烯基多孔結構復合而形成的復合結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的光伏電池，其特征在于，所述納米陶瓷材料為Ti02、Zn0、Sn02、 Nb2O5, A1203、In203、CuO, Cu2O, CdSe, CdS, CdTe, InP、PbS、InN、Ta3N5, GaAs, GaP、Fe2O3, W03、 CuS、Cu2S* 中的一種或兩種以上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光伏電池，其特征在于，所述背電極為透明導電玻璃電極、金屬電極、碳材料電極和高分子電極中的一種或兩種以上。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的光伏電池，其特征在于，所述電解質(zhì)層由乙腈、戊腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、Y-丁內(nèi)酯、碘單質(zhì)、碘化鋰、吡啶碘鹽和熔融鹽中的一種或兩種以上的液態(tài)電解質(zhì)，或者為山梨醇衍生物、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚丙烯酸聚合物、三甲氧基硅烷、多吡啶側(cè)鏈型聚酰胺樹枝狀大分子衍生物、二氧化硅納米粒子和碳納米顆粒中的一種或兩種以上的準固態(tài)電解質(zhì)，或者為硫氰化亞銅、碘化亞銅、聚3-辛基噻吩、聚吡咯、聚氧乙烯、聚丙烯腈、環(huán)氧氯丙烷與環(huán)氧乙烷的共聚物和聚偏氟乙烯中的一種或兩種以上的固態(tài)電解質(zhì)構成。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的光伏電池，其特征在于，所述敏化劑層由聯(lián)吡啶釕的配合物、酞箐類染料、卟啉類染料、CdSe, CdS、CdTe, InP, PbS, InN, Ta3N5, GaAs, GaP, ZnO, Fe203> WO3> SnO2, CuS, Cu2S和中一種或兩種以上敏化劑構成。
6.一種權利要求1至5中任一所述基于三維石墨烯的光伏電池的制備方法，其特征在于，包括將納米陶瓷材料與三維石墨烯多孔結構復合形成光陽極的工序A ；使光陽極復合敏化劑層的工序B ；之后與背電極疊加、加入電解質(zhì)得到光伏電池。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述工序A包括制作三維石墨烯多孔結構的工序Al ；將納米陶瓷材料與溶劑、粘結劑和分散劑均勻混合，制備光陽極漿料的工序A2 ；將光陽極漿料復合到三維石墨烯多孔結構形成光陽極的工序A3。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述工序A3中是通過浸漬提拉使所述光陽極漿料復合到三維石墨烯多孔結構中。
9.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述工序A3中是通過將所述三維石墨烯多孔結構在所述漿料中浸漬提拉5-50次，在加熱容器中以100-600°C加熱10min-8h， 從而得到光陽極。
10.根據(jù)權利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述浸漬提拉的次數(shù)優(yōu)選10-40次。
11.根據(jù)權利要求9所述的制備方法，其特征在于，在加熱容器中優(yōu)選以450-510°C加熱 20-400min。
12.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述工序B是通過將光陽極在 40-80°C時浸入濃度為0. lmM-2M的敏化劑溶液中，在60_80°C下保溫10_600min，取出洗滌得到形成有敏化劑層的光陽極。
13.根據(jù)權利要求11所述的制備方法，其特征在于，所述敏化劑的濃度優(yōu)選為 0. 3mM-lM，保溫時間優(yōu)選為30-400min。
14.根據(jù)權利要求6-12中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述三維石墨烯多孔結構是在包括泡沫狀金屬 Cu、Ru、Ti、Zr、Nb、Ta、Fe、Co、Ni、V、Rh、Pd、Co、Ir、Pt、Mo、W 和 Zn中的一種或一種以上的三維骨架上制備。
15.根據(jù)權利要求13所述的制備方法，其特征在于，通過機械剝離將石墨烯分散到三維骨架上，制作三維石墨烯多孔結構。
16.根據(jù)權利要求13所述的制備方法，其特征在于，通過化學氣相沉積將石墨烯生長在三維骨架上，制作三維石墨烯多孔結構。
17.根據(jù)權利要求7-12中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述溶劑為去離子水或易揮發(fā)溶劑乙醇、丙酮或它們的任意混合物。
18.根據(jù)權利要求7-12中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述粘結劑為曲拉通 X-100、聚乙二醇、乙基纖維素或它們的任意混合物。
19.根據(jù)權利要求7-12中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述分散劑為乙酰丙酮、十二烷基苯磺酸、十二烷基苯磺酸鈉或它們的任意混合物。
全文摘要
本發(fā)明是提供基于三維石墨烯的光伏電池及其制備方法。所述電池由光陽極層、敏化劑層、電解質(zhì)層以及背電極構成的層狀結構，其特征在于，兩個所述背電極之間依次形成有電解質(zhì)層、敏化劑層、光陽極層、敏化劑層和電解質(zhì)層，且所述光陽極為由納米陶瓷材料與三維石墨烯基多孔結構復合而形成的復合結構。本發(fā)明的光伏電池，通過在光陽極層中引入三維石墨烯，省略了傳統(tǒng)的導電基底，降低了電池的成本，使用石墨烯作為電子收集與傳輸?shù)牟牧?，降低了電子被缺陷捕獲的幾率，同時此石墨烯的三維結構提高了光陽極對敏化劑的吸附，可以產(chǎn)生更多的光電子，進而提升光伏電池的光電流密度。
文檔編號H01G9/20GK102568852SQ201210019279
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權日2012年1月20日
發(fā)明者孫盛睿, 黃富強 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所