新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料的制備方法技術

本發明專利技術屬于能源納米新功能材料技術領域，具體涉及一種碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料的制備方法，具體步驟如下：將碳納米管分散在水溶液中，采用氧化石墨烯作為表面活性劑，添加到碳納米管溶液中，形成穩定均勻的碳納米管分散溶液。將碳納米管溶液采用抽濾的方式制備成膜，薄膜烘干后，薄膜與濾紙自動剝離。將碳納米管薄膜至于高溫爐中進行熱處理，即可獲得具有一定強度的碳納米管薄膜，將其作為染料敏化太陽能電池的對電極材料，結果顯示該薄膜具有較高的光電轉化效率，可能成為替代貴金屬Pt的一種有效方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于能源納米新功能材料
，具體涉及ー種新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極的制備方法，采用氧化石墨烯作為表面活性劑顯著提高碳納米管的分散性能，使得碳管易于成膜，將其應用染料敏化太陽能電池中具有較好的光電轉化效率。
技術介紹
當煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，太陽能作為ー種“取之不盡、用之不竭”的潔凈天然能源，成為最有希望開發利用的能源之一。目前，太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入エ業、商業、農業、通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發出IkW電需要投資 上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。目前市場上銷售的光伏電池主要是單晶硅為原料生產的。由于單晶硅電池生產能耗大，一些專家認為現有單晶硅電池生產能耗大于其生命周期內捕獲的太陽能，是沒有價值的。最樂觀的估計是需要10年左右時間，使用單晶硅電池所獲得的太陽能才能大于其生產所消耗的能量。而單晶硅是石英砂經還原，融化后拉單晶得到的。生產過程能耗大，產生的有毒有害物質多，環境污染嚴重。染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell,簡稱DSSC)作為第三代太陽能電池具有價格相對低廉、制作エ藝簡單、擁有潛在高光電轉換效率的特點，可能取代傳統娃系太陽能電池，成為未來太陽能電池的主導。在DSSC實際工作中，電流通過對電極時會產生極化現象，形成超電勢，引起電勢的損失，進而影響了電池的性能。傳統對電極制備ー般采用透明導電玻璃作為基體，在基底上鍍ー層高催化活性貴金屬鉬作為對電極材料來改善其催化活性。雖然鉬電極具有較好的催化活性，但是價格昂貴，同時在I7I3—酸性電解質溶液中，長時間工作貴金屬Pt的催化性能會降低，影響了太陽能電池的使用壽命和光電轉換效率。同時作為對電極基底材料的透明導電玻璃，成本較高、剛性強易碎，不能應用于柔性太陽能電池的研發，上述問題的存在限制DSSC產品種類的開發和普遍推廣使用。開發太陽能電池新型對電極材料，提高其活性、耐腐蝕性和穩定性，對降低DSSC的成本、提高效率、延長壽命、促進民用化推廣具有非常重要的意義。碳材料以高導電性、對I2的抗腐蝕性以及對13_還原的高反應活性成為最具吸引力的替代材料，價格相對低廉，有望替代貴金屬鉬成為DSSC對電極的新型材料，得到廣泛關注。實際研究結果發現與傳統的貴金屬鉬電極性能相比，早期碳電極的電化學催化活性偏低，其原因可能是電極表面多孔碳的膜層較厚(膜厚導致電子傳輸距離增大)，碳材料與導電基底附著不夠致密、牢固，從而限制了電子傳輸，提高了對電極的接觸電阻，導致電池的光電轉換效率有所下降。采用具有良好電學性能、高比表面積的碳納米管(CNTs)作為對電極材料，雖然在提高電催化活性方面取得了一定的進展，目前仍然存在不足之處，其光電轉化的效率仍未能超過傳統的Pt對電扱。其可能存在的原因是雖然目前采用高導電性、高比表面積的CNTs材料，但是普遍采用的是將CNTs粉末作為制備薄膜原始材料，通過抽濾噴涂或添加粘合劑等方式形成CNTs薄膜作為對電極材料，上述加工成膜方式可能存在以下問題1、粘合劑的添加不可避免的増加了碳管相互連接的接觸電阻，進而增加了薄膜電極方塊電阻，降低了對電極的總體性能。2、碳納米管分散溶液制備過程中需要添加表面活性劑作為分散齊U，表面活性劑后續去除中采用強酸和高溫的方法不可避免的會對薄膜的性能產生不利影響。上述問題的存在可能會極大的降低碳納米管薄膜整體性能，使得碳納米管優異性能潛力未能充分的發揮出來。因此如何制備均勻碳納米管分散溶液，保持碳納米管的優異性能是目前碳納米管薄膜作為對電極材料迫切需要解決的問題之一。
技術實現思路
本專利技術的目的在于立足于具有高活性碳納米管薄膜對電極材料的制備方法。本專利技術首次采用具有兩性特性的氧化石 墨烯作為表面活性剤，利用氧化石墨烯的添加能顯著增加碳納米管的分散性能，避免了傳統制備エ藝中由于添加表面活性劑和粘合劑的所導致的后續性能下降的難題。添加后的氧化石墨烯通過后續熱處理過程將其轉化成具有良好電學性能的石墨烯，從而不但避免因添加氧化石墨烯帶來的不利影響，且提高了碳納米管薄膜的整體電學性能?；谏鲜鰴C理，本專利技術制備方法技術方案為在碳納米管(CNT)水溶液中添加氧化石墨烯(GO)水溶液作為表面活性剤，使兩者形成均勻混合液，將該混合液抽濾成膜，對膜進行退火還原處理即可獲得本專利技術所要制備的碳納米管薄膜材料。上述具有高活性碳納米管薄膜對電極材料的制備方法，具體步驟如下 (I)將碳納米管(CNT)分散于水溶劑中，配制成濃度范圍為lmg/L-200mg/L的碳納米管溶液，攪拌混合均勻。(2)將氧化石墨烯(GO)分散于水溶劑形成氧化石墨烯均勻液。(3)取些許上述氧化石墨烯水溶液作為表面活性劑添加至碳納米管水溶液中，控制氧化石墨烯添加量與碳納米管質量比大于1:9，混合攪拌均勻，獲得分散初液。(4)將上述分散初液用真空過濾瓶抽濾成膜，待膜干后從過濾膜上剝離。(5)對剝離下來的膜再進行退火還原處理，即得到最終的碳納米管薄膜材料。步驟(I)中，所用碳納米管為多壁碳納米管或者單壁碳納米管。步驟(4)中，所述過濾采用抽濾瓶過濾，濾膜為水溶性濾膜，濾膜的孔徑為0. 22 Mffl 0. 45 Wn0步驟(5)中，所述熱處理的溫度為30(T50(TC;升溫速度為5 10°C /min ;氣氛為氮氣或氬氣等任意惰性氣體。本專利技術方法制備所得碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料可用于染料敏化太陽能電池的制備組裝。本專利技術所要制備的碳納米管薄膜材料，將其作為染料敏化太陽能電池的對電極材料，結果顯示該薄膜具有較高的光電轉化效率，可能成為替代貴金屬Pt的一種有效方法。與現有技術相比，本專利技術的有益效果在于 (I)采用具有良好電學性能的氧化石墨烯作為添加剤，顯著提高碳納米管的分散性能，替代了傳統碳納米管薄膜制備中表面活性劑的添加，不存在后續添加劑去除的問題。(2)本專利技術方法適用于一維碳納米材料(多壁碳納米管和單壁碳納米管)，均可制備碳納米管薄膜對電極材料。(3)本專利技術制備エ藝簡單、條件易控、性能穩定，采用氧化石墨烯修飾碳納米管，改善碳納米管的疏水性，提高其在水溶液中的分散性能，本專利技術制備エ藝簡單、條件易控、成本低廉、適于連續化大規模、批量生產。附圖說明圖1實施例1中染料敏化太陽能電池性能測試1-V曲線。圖2實施例2中染料敏化太陽能電池性能測試1-V曲線。圖3實施例3中染料敏化太陽能電池性能測試1-V曲線。圖4實施例4中染料敏化太陽能電池性能測試1-V曲線。 具體實施例方式下面對本專利技術的實施例作詳細說明，本實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1 稱取0. 15g碳納米管于IOOml燒杯中，加入50ml水,用玻璃棒攪拌5_10min,將燒杯置于超聲儀中超聲30min。另稱取0. 08Gg氧化石墨希(GO)于200ml燒杯中，加入120ml水，用玻璃棒5-10min,再將燒瓶置于超聲儀中超聲6h (超60s，停5s)。超聲完成后，取25m本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料的制備方法，其特征在于，在碳納米管水溶液中添加氧化石墨烯水溶液作為表面活性劑，使兩者形成均勻混合液，將該混合液抽濾成膜，對膜進行退火還原處理即可獲得本專利技術所要制備的碳納米管薄膜材料。

【技術特征摘要】
1.一種新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料的制備方法，其特征在于，在碳納米管水溶液中添加氧化石墨烯水溶液作為表面活性劑，使兩者形成均勻混合液，將該混合液抽濾成膜，對膜進行退火還原處理即可獲得本發明所要制備的碳納米管薄膜材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，具體步驟如下(1)將碳納米管分散于水溶劑中，配制成濃度范圍為lmg/L-200mg/L的碳納米管溶液，攪拌混合均勻；(2)將氧化石墨烯分散于水溶劑形成氧化石墨烯均勻液；(3)取上述氧化石墨烯水溶液作為表面活性劑添加至碳納米管水溶液中，控制氧化石墨烯添加量與碳納米管質量比大于1:9，混合攪拌均勻，獲得分散初液；(4)將上述分散初液用真空過濾瓶抽濾成膜，待膜干后...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬杰，李程，周慧明，陳君紅，旃瀾紓，李子夢，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：