[发明专利]以碳纳米管/聚合物复合膜为对电极的染料敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池。

背景技术

碳纳米管的发现是世界科学史上的一个里程碑。1991年日本Iijima 发现碳纳米管(Carbon Nanotubes , CNTs) 以来[1] , 碳纳米管以其特有的高拉伸强摄氏度、高弹性、从金属到半导体的电学特性、高电流载荷量和高热导体性以及独特的准一维管状分子结构，在未来高科技领域中具有许多潜在的应用价值，成为人们所关注的焦点。

1994 年Ajayan 等[2] 将CNTs 作为无机填料加入到聚合物基体中制备聚合物-CNT 复合材料以来, 人们开展了大量研究工作。一般碳纳米管在填充聚合物的时候被认为是短纤维，而其分布和取向是任意的。其大长径比和比表面积使其管间范德华作用力显著增强，导致易聚集、缠绕成束或团[3]，在聚合物基体中形成缺陷和应力集中点而使材料力学性能的下降，并降低功能化效果。随着碳纳米管阵列（ACNT）的深入研究，纳米管阵列的宏观长度已经足够使单根碳管在复合材料中贯穿整个材料。利用碳纳米管阵列的有序性制备分散均匀，各向异性具有特殊功能性的聚合物-碳纳米管复合材料成为了新的研究热点。目前制备聚合物-碳纳米管阵列复合材料的方法主要有原位聚合和聚合物渗入法两种。原位聚合法，热固性聚合物预聚物或热塑性聚合物单体由于分子量较小，流动性好，比较容易渗入ACNT空隙，再经过原位聚合，形成聚合物-ACNT复合材料。聚合物渗入法，一些与ACNT相容性相对较好、熔融状态或在溶液中粘度较小的聚合物也可以再加热熔融或者在溶剂中分散后，通过渗透的方法，浸入阵列内部，冷却固化或挥发溶剂后，形成复合材料。

同样，碳纳米管被广泛应用于构建高效的有机太阳能电池[4-13]，比如，碳纳米管在染料敏化太阳能电池中被用来替代铂来催化三碘化物的还原，同时也可以把碳纳米管分散于二氧化钛浆料中来促进电子的扩散[14]，也可以把碳纳米管分散于电解液汇总来促进电子的传输及催化效果[15]。有课题组把碳纳米管分散后旋涂在FTO玻璃表面，形成对电极，得到不错的效果[16]；有课题组通过分散碳纳米管，并使用喷墨打印法形成对电极，也取得不错的效率[17]。但是由于碳纳米管的无规分散降低了电荷的分离和传输，为了进一步提高基于碳纳米管对电极的有机太阳能电池的效率，急需要得到拥有取向碳纳米管薄膜的对电极，从而进而提高电池的性能。而高度取向的碳纳米管薄膜由于其显著的机械和电学性能[18-25]，被广泛深入的研究，比如它在室温下具有10² S/cm的电导率，因此基于取向碳纳米管薄膜，我们制备了高效率，低成本的染料敏化太阳能电池。

目前，聚合物-碳纳米管阵列的研究主要集中在高性能结构材料和光电器件等领域。如何扩展其应用范围、提高功能化效果已经成为其发展的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高、成本低的染料敏化太阳能电池。

本发明提供的染料敏化太阳能电池，是在染料敏化太阳能电池中以碳纳米管/聚合物复合薄膜铂作为对电极而获得。

本发明中，作为染料敏化太阳能电池的对电极的碳纳米管/聚合物复合薄膜，其中碳纳米管垂直于薄膜表面，并且均匀分布，使薄膜的上下表面具有很好的导电性，而且薄膜表面有大量的碳纳米管末端开口，便于修饰或催化等其他应用。本发明以此种薄膜取代铂作为对电极构建染料敏化太阳能电池，使转化效率提高，成本降低。

本发明还提出染料敏化太阳能电池制备方法，具体步骤如下： 

（1）对电极的制备，在附有碳纳米管/聚合物复合薄膜的FTO玻璃基板表面滴加溶剂，待挥发掉后，复合薄膜和FTO玻璃之间通过范德华力紧密地连接在一起，并在120-200摄氏度下退火，最后得到含有碳纳米管/聚合物复合薄膜的对电极。

（2）工作电极的制备，在FTO玻璃上使用丝网印刷法印刷上一层4-15微米厚的纳米晶二氧化钛层，实验证明10微米厚的纳米晶二氧化钛层效率最好，然后在450-550摄氏度下煅烧25--35分钟并退火。等工作电极温度降到25-150摄氏度时，把他们转移到0.5mM/L的N719染料溶液中浸泡，实验证明120摄氏度时转移入染料溶液中效率最好，12--18小时后，取出吸附了大量染料的工作电极并用乙腈进行清洗。

（3）最后工作电极和对电极通过一个环形衬底进行封装，封装压力为0.1-0.5MPa，温度为110-140摄氏度，电解液是通过对电极上的小孔中注入。最后使用微型盖玻片和衬底封住小孔，得到完整的电池。