一種基于氮摻雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，一種基于氮摻雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方法，包括以下步驟：(1)將無(wú)水三氯化鋁與喹啉混合加入到反應(yīng)器中，通過(guò)催化縮聚法，在惰性氣體的保護(hù)下，得到合成瀝青；(2)將步驟(1)得到的合成瀝青粉碎后經(jīng)120℃水蒸氣處理并在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行炭化、清洗、干燥得到氮摻雜多孔炭材料；(3)將步驟(2)得到的氮摻雜多孔炭與松油醇混合，研磨得到對(duì)電極漿料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，然后在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行干燥，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。利用本發(fā)明方法制備得到的氮摻雜多孔炭材料，不僅保持了碳材料比表面積大、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且氮的存在提高了對(duì)電極的催化性能，對(duì)電極光電轉(zhuǎn)換效率較高，可成為一種潛在的Pt的替代材料。
【專利說(shuō)明】
-種基于氮慘雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的 制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于氮滲雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方 法，屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，能源是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，能源問(wèn)題已經(jīng)成為21世紀(jì)困擾人類的十 大問(wèn)題之首。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)迅猛發(fā)展，煤、石油及天然氣等傳統(tǒng)不可再生能源急劇消耗， 我們面臨著傳統(tǒng)能源日益枯竭的窘境。同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源的使用還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn) 題。而太陽(yáng)能因其儲(chǔ)量豐富、清潔衛(wèi)生、分布廣泛、無(wú)需運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。
[0003] 通過(guò)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，是一種重要的太陽(yáng)能轉(zhuǎn) 換技術(shù)。自1991年瑞±洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院G巧tzel教授的課題組取得重大技術(shù)突破后，染料 敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cell ,DSSC)因其低廉的價(jià)格、簡(jiǎn)單的制備工藝、 較高的能量轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好性而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。DSSC主要由經(jīng)染料 敏化的Ti化納米晶薄膜(光陽(yáng)極）、載有電催化劑的對(duì)電極、含有氧化還原電對(duì)(通常是17 13^)的電解質(zhì)構(gòu)成一種"立明治"結(jié)構(gòu)。作為DSSC重要組成部分的對(duì)電極，主要起到了收集外 電路電子和進(jìn)行13^離子還原的作用。目前，最理想的對(duì)電極材料為Pt,但其價(jià)格昂貴(50美 元/g)、儲(chǔ)量低(0.0000037%)，并且耐腐蝕性能較差，不適用于進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004] 碳材料具有價(jià)格低廉、導(dǎo)電性能好、比表面積大、耐腐蝕性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性良好 等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)碳材料進(jìn)行改性處理，讓更多的活性位暴露，其可成為一種優(yōu)良的對(duì)電極材 料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于氮滲雜多孔炭材料 的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方法。本發(fā)明方法是為了解決目前DSSC的碳材料對(duì)電 極催化活性低的技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)催化縮聚法制備出合成漸青，進(jìn)而制備出一種應(yīng)用于DSSC 對(duì)電極的氮滲雜多孔炭材料。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案 是:一種基于氮滲雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方法，包括W下步驟：
[0007] (1)將無(wú)水S氯化侶與哇嘟按照質(zhì)量比為1.0:1.0-2.0混合加入到反應(yīng)器中，在氮 氣、氣氣或氮?dú)?、氣氣混合氣體的保護(hù)下，反應(yīng)溫度控制在280-320°C，反應(yīng)時(shí)間控制在6-12h，得到合成漸青；
[000引（2)將步驟（1)得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理3-化，處理后的合成漸 青在氮?dú)?、氣氣或氮?dú)狻鈿饣旌蠚怏w保護(hù)下進(jìn)行炭化，炭化過(guò)程中升溫速率為0.1-IOtV min，200°C恒溫1-化，炭化溫度為600°C-90(rC，恒溫1-化，再將得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清 洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料；
[0009] (3)將步驟(2)得到的氮滲雜多孔炭與松油醇按照質(zhì)量比為1:4-20混合，研磨15-40min得到對(duì)電極漿料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，然后進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程在 氮?dú)狻鈿饣虻獨(dú)?、氣氣混合氣體保護(hù)中進(jìn)行，升溫速率為1-5°(：/111111，450-500°(：恒溫0.5-2h，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0010] 本發(fā)明有益效果是:一種基于氮滲雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的 制備方法，包括W下步驟：（1)將無(wú)水=氯化侶與哇嘟按照質(zhì)量比為1.0:1.0-2.0混合加入 到反應(yīng)器中，在氮?dú)?、氣氣或氮?dú)狻鈿饣旌蠚怏w的保護(hù)下，反應(yīng)溫度控制在280-320°C，反 應(yīng)時(shí)間控制在6-12h，得到合成漸青；（2)將步驟（1)得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣 處理3-化，處理后的合成漸青在氮?dú)?、氣氣或氮?dú)?、氣氣混合氣體保護(hù)下進(jìn)行炭化，炭化過(guò) 程中升溫速率為0.1-10°(：/111111，200°(：恒溫1-化，炭化溫度為600°(：-900°(：，恒溫1-化，再將 得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料； (3)將步驟(2)得到的氮滲雜多孔炭與松油醇按照質(zhì)量比為1:4-20混合，研磨15-40min得到 對(duì)電極漿料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，然后進(jìn)行干燥，干燥過(guò)程在氮?dú)狻鈿?或氮?dú)?、氣氣混合氣體保護(hù)中進(jìn)行，升溫速率為l-5°C/min，450-50(TC恒溫0.5-化，制備得 到目標(biāo)對(duì)電極。與已有技術(shù)相比，利用本發(fā)明方法制備得到的氮滲雜多孔炭材料，不僅保持 了碳材料比表面積大、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且氮的存在提高了對(duì)電極的催化性能，對(duì)電極 光電轉(zhuǎn)換效率較高，并已超過(guò)了 Pt的光電轉(zhuǎn)換效率，可成為一種潛在的Pt的替代材料。
【附圖說(shuō)明】
[ocm]圖巧實(shí)施例1制備的氮滲雜多孔炭的掃描電鏡照片圖。
[0012]圖2為實(shí)施例3制備的氮滲雜多孔炭的拉曼譜圖。
[OOK]圖3為實(shí)施例4制備的氮滲雜多孔炭的孔徑分布圖。
[0014]圖4為實(shí)施例5制備的氮滲雜多孔炭的邸D譜圖。
[001引圖5為實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3制備的對(duì)電極W及DHS-抓03型號(hào)Pt對(duì)電極組裝 成的染料敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]實(shí)施例1
[0018] 稱取60g哇嘟與30g無(wú)水=氯化侶混合加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，300°C反應(yīng) 6h，得到合成漸青;將得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理地，處理后的合成漸青在 氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，升溫速率為5°C/min，20(TC恒溫化，炭化溫度為800°C，恒溫化;再將 得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料； 然后稱取氮滲雜多孔炭〇.〇5g與0.4g松油醇混合加入到研鉢中，研磨20min得到對(duì)電極漿 料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為lOwn，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行干燥， 升溫速率為2°C/min，500°C恒溫0.化，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0019] 實(shí)施例2
[0020] 稱取60g哇嘟與60g無(wú)水=氯化侶混合加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，280°C反應(yīng) 6h，得到合成漸青;將得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理化，處理后的合成漸青在 氣氣保護(hù)下進(jìn)行炭化，升溫速率為2°C/min，200°C恒溫化，炭化溫度為600°C，恒溫化;再將 得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料； 然后稱取氮滲雜多孔炭〇.〇5g與0.6g松油醇混合加入到研鉢中，研磨25min得到對(duì)電極漿 料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為12WH，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行干燥， 升溫速率為5°C/min，450°C恒溫化，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0021] 實(shí)施例3
[0022] 稱取60g哇嘟與60g無(wú)水=氯化侶混合加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，320°C反應(yīng) 6h，得到合成漸青;將得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理化，處理后的合成漸青在 氣氣保護(hù)下進(jìn)行炭化，升溫速率為2TVmin，200°C恒溫化，炭化溫度為700°C，恒溫化;再將 得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料； 然后稱取氮滲雜多孔炭0 . 〇2g與0.2g松油醇混合加入到研鉢中，研磨30min得到對(duì)電極漿 料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為祉m，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行干燥， 升溫速率為rC/min，500°C恒溫0.化，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0023] 實(shí)施例4
[0024] 稱取30g哇嘟與30g無(wú)水=氯化侶混合加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)夂蜌鈿獾幕旌蠚怏w 保護(hù)下，300°C反應(yīng)化，得到合成漸青;將得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理地，處 理后的合成漸青在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，升溫速率為5°C/min，20(TC恒溫化，炭化溫度為 700°C，恒溫化;再將得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到 氮滲雜多孔炭材料；然后稱取氮滲雜多孔炭0.1 g與〇.4g松油醇混合加入到研鉢中，研磨 15min得到對(duì)電極漿料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為15皿，然后在氮 氣保護(hù)下進(jìn)行干燥，升溫速率為4°C/min，50(TC恒溫0.化，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0025] 實(shí)施例5
[00%]稱取45g哇嘟與30g無(wú)水=氯化侶混合加入到反應(yīng)器中，在氣氣保護(hù)下，320°C反應(yīng) 6h，得到合成漸青;將得到的合成漸青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理化，處理后的合成漸青在 氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，升溫速率為2TVmin，200°C恒溫化，炭化溫度為800°C，恒溫化;再將 得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗，并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮滲雜多孔炭材料； 然后稱取氮滲雜多孔炭〇.〇5g與l.Og松油醇混合加入到研鉢中，研磨40min得到對(duì)電極漿 料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為13WH，然后在氣氣保護(hù)下進(jìn)行干燥， 升溫速率為2°C/min，500°C恒溫0.化，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
[0027] 實(shí)施例6
[0028] 將實(shí)施例1、2、3、4、5制備的對(duì)電極與DHS-ED03型號(hào)Pt對(duì)電極組裝成染料敏化太陽(yáng) 能電池，并對(duì)電極光電性能進(jìn)行測(cè)試，所得光伏參數(shù)數(shù)據(jù)，如表1所示。
[0029] 表 1
[Qnoni
[0031] 從表1中可看出，實(shí)施例1、4制備的對(duì)電極光電轉(zhuǎn)換效率比DHS-ED03型號(hào)Pt對(duì)電極 高，可成為一種潛在的Pt的替代材料。
[0032] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:利用本發(fā)明方法制備得到的氮滲雜多孔炭材料，不僅保持了碳 材料比表面積大、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且氮的存在提高了對(duì)電極的催化性能，對(duì)電極光電 轉(zhuǎn)換效率較高，并已超過(guò)了 Pt的光電轉(zhuǎn)換效率，可成為一種潛在的Pt的替代材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于氮摻雜多孔炭材料的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備方法，其特征在于 包括以下步驟： (1) 將無(wú)水三氯化鋁與喹啉按照質(zhì)量比為1.0:1.0-2.0混合加入到反應(yīng)器中，在氮?dú)狻?氬氣或氮?dú)?、氬氣混合氣體的保護(hù)下，反應(yīng)溫度控制在280-320°C，反應(yīng)時(shí)間控制在6-12h， 得到合成瀝青； (2) 將步驟（1)得到的合成瀝青粉碎后經(jīng)120°C水蒸氣處理3-5h，處理后的合成瀝青在 氮?dú)?、氬氣或氮?dú)?、氬氣混合氣體保護(hù)下進(jìn)行炭化，炭化過(guò)程中升溫速率為〇.l-l〇°C/min， 200°C恒溫l_5h，炭化溫度為600°C-900°C，恒溫l_5h，再將得到的產(chǎn)物采用鹽酸溶液清洗， 并用去離子水沖洗至中性、干燥，得到氮摻雜多孔炭材料； (3) 將步驟(2)得到的氮摻雜多孔炭與松油醇按照質(zhì)量比為1:4-20混合，研磨15-40min 得到對(duì)電極漿料，采用刮涂法將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上，刮涂厚度為8-16μπι，然后進(jìn)行干 燥，干燥過(guò)程在氮?dú)?、氬氣或氮?dú)?、氬氣混合氣體保護(hù)中進(jìn)行，升溫速率為1 -5 °C /min，450-500°C恒溫0.5-2h，制備得到目標(biāo)對(duì)電極。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK105845441SQ201610188103
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】邱介山, 肖南, 宋軍偉
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)