[发明专利]以取向碳纳米管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，具体涉及为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。

同样，碳纳米管被广泛应用于构建高效的有机太阳能电池[2-11]，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[12]，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[13]。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[14]；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[15]。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[16-23]，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。

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及其制备方法。

本发明提供的染料敏化太阳能电池，是在原有的染料敏化太阳能电池中，用取向碳纳米管薄膜取代金属铂作为对电极而获得。

本发明中，作为对电极的取向碳纳米管薄膜具有很高的取向性（见图1a和图6），即使在很高的倍数下，碳纳米管仍旧具有很好的取向性。单层的碳纳米管薄膜具有很好的透明性（图8），在可见光范围内透光率均大于80%。同时该种碳纳米管薄膜具有很好的柔性（图1c），并且经过多种角度弯曲后，电学性能基本保持不变，误差仅在1%左右，如图1e，f所示。

构建的染料敏化太阳能电池的基本原理图如图2所示，在光照下，染料分子吸收太阳光能量，其电子跃迁至激发态；激发态电子不稳定，电子很快跃迁至较低能级的Ti0₂导带，此时染料被氧化；注入到Ti0₂导带的电子富集在导电基底上，并通过导电膜流向外电路对电极（取向碳纳米管薄膜），产生电流；染料分子处于氧化态，从电解质中得到电子并恢复成还原态(基态)得以再生；电解质I^3-被来自Ti0₂导带、通过电极进入外电路、最终到达阴极的电子还原成I^-。这样就完成了一个循环。这个激发．氧化．还原的再生循环周而复始的进行，就得到了持续的光电流。

本发明的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，具体步骤如下：  

碳纳米管薄膜是通过干仿法直接从阵列中拉出并转移到FTO玻璃（方阻为15欧姆，日本Nippon Sheet Glass公司生产）表面，然后是在附有碳纳米管薄膜的基板表面滴加乙醇并在氩气保护下升温到300-600摄氏度，恒温10-60分钟并退火，实验证明在500度下恒温25--35分钟效果最好，经过以上热处理后碳纳米管薄膜和FTO玻璃之间通过范德华力紧密地连接在一起，形成含有高度取向碳纳米管的对电极。对于柔性电池，碳纳米管薄膜转移到镀有ITO的PEN基板表面，滴加乙醇并在空气中升温到100-200摄氏度，恒温25--35分钟并退火。 

（2）工作电极的制备，是在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（溶剂为乙腈和叔丁醇体积比1：1的混合溶液）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。