一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池及其制備方法和應用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池及其制備方法和應用，本發(fā)明具體是將糖類在一定溫度下回流加熱熔融，最終制得石墨烯量子點，并將其分散在水中形成水溶液。本發(fā)明充分利用石墨烯量子點可調的光學帶隙、光吸收以及多激子產(chǎn)生效應，進而組裝成全天候介孔敏化太陽能電池。本發(fā)明的石墨烯量子點的制備方法簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉、改進空間大，所組裝的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池光電轉換效率較高。
【專利說明】
一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池及其制備方法和應用
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于新材料技術以及新能源技術領域，具體涉及一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]石墨烯量子點即具有石墨烯材料的優(yōu)良性能，又具有量子限域效應和多激子產(chǎn)生和吸收效應使其在光電子器件領域的應用前景廣闊。但目前簡單易行大規(guī)模制備石墨烯量子點的方法還不成熟，石墨烯量子點在光電子器件方面的應用正處于起步階段。因此，尋找一種簡單方便大規(guī)模制備石墨烯量子點的方法是當前人類亟待解決的重要問題。由于石墨烯量子點優(yōu)異的光電轉換能力、較高的電子迀移率使其在太陽能電池方面的應用潛力很大，而目前的太陽能電池只能在白天發(fā)電，晚上就會失去作用，因此，開發(fā)石墨烯量子點的全天候敏化太陽能電池具有重要的理論意義和實用價值。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明目的是針對目前石墨烯量子點制備過程繁瑣、設備昂貴和太陽能電池發(fā)電的局限性等缺點提供了一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池及其制備方法和應用，所述制備方法操作簡單方便、環(huán)境友好及成本低廉。對促進石墨烯量子點的實用化，加速石墨烯量子點的產(chǎn)業(yè)化，減少太陽能電池發(fā)電的局限性具有重要的實用價值和經(jīng)濟價值。
[0004]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn):
本發(fā)明提供了一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，它包括以下步驟:
(1)、將糖類分散在水中配成糖類反應液；
(2)、在步驟(I)的糖類反應液中加入摻雜劑，并在160?180°C回流加熱，顏色由無色變?yōu)辄S色；
(3)、將步驟(2)得到的熔融的黃色膠體逐滴滴加到水中并劇烈攪拌，制備出石墨烯量子點水溶液；
(4)、制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于導電玻璃基體上，經(jīng)煅燒制備出多孔二氧化鈦薄膜；
(5)、將步驟(4)制備的二氧化鈦薄膜浸入到步驟(3)中的石墨烯量子點水溶液中形成量子點敏化二氧化鈦光陽極；
(6 )、將步驟(5 )制備的量子點敏化二氧化鈦光陽極上涂覆長余輝材料；
(7)、配制含有氯鉑酸的異丙醇溶液，用熱解法在導電玻璃基底上制備鉑對電極；
(8)、將步驟(6)制備的附著長余輝材料的量子點敏化二氧化鈦光陽極和步驟(7)制備的鉑對電極組合，并在中間加入液體電解質組裝成全天候介孔敏化太陽能電池。
[0005]進一步的:所述步驟(I)中的糖類為葡萄糖、麥芽糖醇或蔗糖中的一種。
[0006]進一步的:所述步驟(I)中糖類反應液中糖類和水的質量比為1:0.3-1:0.5。
[0007]進一步的:所述步驟(2)中的摻雜劑為硫脲、尿素、氨水、二甲基甲酰胺、硫酸中的任意一種或兩種。
[0008]進一步的:所述步驟(3)中石墨烯量子點水溶液的質量分數(shù)為0.02%?0.04%。
[0009]進一步的:所述步驟(6)中含有氯鉑酸的異丙醇溶液中氯鉑酸的濃度為0.015mol/L~0.025 mol/L。
[0010]本發(fā)明提供了權利要求1中步驟(I)?(3)所述的制備方法制得的石墨烯量子點水溶液。
[0011]本發(fā)明提供了所述的制備方法制得的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池。
[0012]進一步的:所述全天候介孔敏化太陽能電池在光照時的開路電壓為0.5?0.6V、短路電流為0.3?0.4 mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為0.1?0.2%;
當無光照情況下，長余輝材料發(fā)光并使電池繼續(xù)工作發(fā)電，所述全天候介孔敏化太陽能電池的開路電壓為0.4?0.5V、短路電流為0.03?0.04 mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為20~30%。
[0013]本發(fā)明還提供了所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池在作為電池組件中的應用。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和技術效果是:本發(fā)明具體是將糖類在一定溫度下回流加熱熔融，最終生成石墨烯量子點并分散在水中形成水溶液。本發(fā)明充分利用石墨烯量子點可調的光學帶隙、光吸收以及多激子產(chǎn)生效應，并進行合理的設計組裝成量子點敏化全天候太陽能電池。本發(fā)明的石墨烯量子點制備方法簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉、改進空間大，所組裝的基于石墨烯量子點的全天候敏化太陽能電池光電轉換效率良好。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點在紫外燈照射下的發(fā)光圖片；
圖2為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點的紫外-可見吸收譜圖；
圖3為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點的熒光光譜圖；
圖4為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點組成的全天候量子點敏化太陽能電池的J-V曲線圖；
圖5為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點的高倍透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0016]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細的說明。
[0017]實施例1
一、基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟:
(I )、將I?3g糖類(如麥芽糖醇或蔗糖等)分散在0.3-0.7mL去離子水中配成糖類反應液(如果糖類選用葡萄糖，可以跳過此步驟直接進行加熱回流)；
(2)、在步驟(I)的糖類應液中加入一定量的摻雜劑，并在160?180 °C加熱回流，顏色由無色變?yōu)辄S色；
(3)、將步驟(2)獲得的熔融的黃色膠體逐滴滴加到80?120mL去離子水中并劇烈攪拌，制備出石墨烯量子點水溶液；
(4 )、二氧化鈦薄膜的制備:將常規(guī)溶膠-水熱法制備的二氧化鈦膠體涂于FTO或ITO導電玻璃基體上，控制膜厚度為5?15μπι，經(jīng)450°C煅燒30min，制備得到多孔二氧化鈦納米晶薄膜；
(5)、石墨烯量子點全天候敏化二氧化鈦光陽極的制備:將步驟(4)制備的二氧化鈦納米晶薄膜浸入到步驟(3)的石墨烯量子點水溶液中形成量子點敏化二氧化鈦光陽極；
(6 )將步驟(5 )制備的量子點敏化二氧化鈦光陽極上涂覆長余輝材料；
(7)、配制含有濃度為0.02mol/L氯鉑酸的異丙醇溶液，用熱解法在FTO導電玻璃基底上制備鉬對電極；
(8)、石墨烯量子點敏化太陽能電池的組裝:將步驟(6)制備的涂覆了長余輝材料的石墨烯量子點敏化二氧化鈦光陽極和步驟(7)制備的鉑對電極組合，并在中間加入液體電解質組裝成全天候介孔敏化太陽能電池。所述液體電解質由0.01?0.06 mo I/L碘、0.08?0.12mol/L碘化鋰、0.4?0.8 mol/L四丁基碘化銨和0.4?0.6 mol/L 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液組成。
[0018]二、石墨烯量子點全天候介孔敏化太陽能電池的測試
圖1為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點在紫外燈照射下的發(fā)光圖片，本發(fā)明所制備的石墨烯量子點在365納米的紫外燈的照射下發(fā)出藍色熒光。
[0019]圖2為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點的紫外-可見吸收光譜圖，本發(fā)明所制備的石墨烯量子點在稀釋不同倍數(shù)時都在230納米和285納米處有吸收峰，且隨著稀釋倍數(shù)的增加，吸收峰的峰值高度降低。
[0020]圖3為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點在不同激發(fā)波長下的熒光光譜圖，本發(fā)明所制備的石墨烯量子點在激發(fā)波長為370納米時所發(fā)射出的熒光信號強度最強，且所發(fā)出的熒光波長為436納米，為藍色熒光。隨著激發(fā)波長的增大，本發(fā)明所制備的石墨烯量子點所發(fā)射出的熒光波長也隨之增大，且強度降低。
[0021 ]圖4為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點組裝成的全天候介孔敏化太陽能電池J-V曲線圖，通過上述制備方法，可獲得在光照條件下開路電壓為0.5-0.6V、短路電流為0.3?0.4 mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為0.1?0.2%的全天候介孔敏化太陽能電池。當無光照情況下，長余輝材料會發(fā)出綠色的光并可使電池繼續(xù)工作發(fā)電，獲得開路電壓為0.4?0.5V、短路電流為0.03?0.04 mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為20~30%的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池。本發(fā)明制得的所述基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池可作為電池組件應用。
[0022]圖5為本發(fā)明以蔗糖為碳源所制備的石墨烯量子點的高倍透射電鏡圖片，經(jīng)測量知相鄰兩晶格條紋間距約為0.248納米，與石墨烯量子點的(101)晶面所對應。
[0023]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其進行限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的普通技術人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明所要求保護的技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)、將糖類分散在水中配成糖類反應液； (2)、在步驟(I)的糖類反應液中加入摻雜劑，并在160?180°C回流加熱，顏色由無色變?yōu)辄S色； (3)、將步驟(2)得到的熔融的黃色膠體逐滴滴加到水中并劇烈攪拌，制備出石墨烯量子點水溶液； (4)、制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于導電玻璃基體上，經(jīng)煅燒制備出多孔二氧化鈦薄膜； (5)、將步驟(4)制備的二氧化鈦薄膜浸入到步驟(3)中的石墨烯量子點水溶液中形成量子點敏化二氧化鈦光陽極； (6 )、將步驟(5 )制備的量子點敏化二氧化鈦光陽極上涂覆長余輝材料； (7)、配制含有氯鉑酸的異丙醇溶液，用熱解法在導電玻璃基底上制備鉑對電極； (8)、將步驟(6)制備的附著長余輝材料的量子點敏化二氧化鈦光陽極和步驟(7)制備的鉑對電極組合，并在中間加入液體電解質組裝成全天候介孔敏化太陽能電池。2.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中的糖類為葡萄糖、麥芽糖醇或蔗糖中的一種。3.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中糖類反應液中糖類和水的質量比為1: 0.3?1: 0.5。4.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的摻雜劑為硫脲、尿素、氨水、二甲基甲酰胺、硫酸中的任意一種或兩種。5.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中石墨烯量子點水溶液的質量分數(shù)為0.02%?0.04%。6.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(6)中含有氯鉑酸的異丙醇溶液中氯鉑酸的濃度為0.015 mol/L-0.025 mol/Lo7.權利要求1中步驟(1)~(3)所述的制備方法制得的石墨烯量子點水溶液。8.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的制備方法制得的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池。9.根據(jù)權利要求8所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池，其特征在于:所述全天候介孔敏化太陽能電池在光照時的開路電壓為0.5?0.6V、短路電流為0.3?0.4mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為0.1?0.2%; 當無光照情況下，長余輝材料發(fā)光并使電池繼續(xù)工作發(fā)電，所述全天候介孔敏化太陽能電池的開路電壓為0.4?0.5V、短路電流為0.03?0.04 mA.cm—2、填充因子為0.55?0.65、光電轉換效率為20~30%。10.根據(jù)權利要求8所述的基于石墨烯量子點的全天候介孔敏化太陽能電池在作為電池組件中的應用。
【文檔編號】H01G9/20GK106057473SQ201610608141
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】唐群委, 朱婉路, 楊培志, 賀本林
【申請人】中國海洋大學