[发明专利]一种用于染料敏化太阳能电池的炭对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的炭对电极及其制备方法，属于炭材料领域。

背景技术

自1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Michael教授领导的研究小组将纳米晶多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells，简称DSSC)中，使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高(Nature，Vol.353，737，1991)，逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。相比于硅基太阳能电池，DSSC电池以其低廉的成本，简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了全世界的广泛关注并迅速掀起了研究热潮。

染料敏化太阳能电池主要分为三部分：吸附有染料的半导体薄膜光阳极、对电极和填充在其间的含有氧化还原电对(I₃^-/I^-)的电解液。对电极的作用是将由外电路流入的电子快速传递给I₃^-，并催化I₃^-还原为I^-。当对电极电阻较大，但催化活性很好时，将导致电子在整个过程中不能快速无损耗的传递，电池不能取得良好的效率；反之，对电极电阻很小，但催化活性不佳时，会使得传递到对电极的电子不能快速的被还原，整个电池不能实现最大效率。因此作为电池的重要组成部分，对电极既要有良好的导电性又要有较好的电化学催化活性，同时还要耐化学腐蚀，并具有一定的机械强度。

传统的对电极，其基底是导电玻璃(Transparent Conducting Oxide，简称TCO)，起着收集和传输正、负电极电子的作用，催化活性层一般为Pt。虽然DSSC相对硅太阳能电池成本低廉，但作为基底材料的导电玻璃和作为催化剂的Pt价格仍然十分昂贵，同时导电玻璃较大的方块电阻也影响了电池的效率。为了进一步降低DSSC的成本和提高效率，许多研究学者将目光转向其它新材料替代导电玻璃或催化剂Pt。然而在目前的研究中，对电极的基底多数仍然采用导电玻璃，Pt催化活性层的替代材料主要包括两类：导电聚合物材料和各种具有催化活性的炭材料，前者的催化活性一般较低，而具有高催化活性的导电聚合物PEDOT(poly(3，4-ethylenedioxythiophene))其价格仍然较高。炭材料因具有良好的导电性和催化活性、机械强度和热稳定性及耐化学腐蚀等特点成为研究的热点。但在研究中，仍然采用传统方法制备炭对电极，即在铟锡氧化物(indium tin oxide，简称ITO)或者FTO(fluorine tin oxide)导电基底涂覆一层炭催化剂制备C/ITO或者C/FTO对电极。采用炭材料制作对电极的最大优点在于其来源广泛，价格较低，而基底采用昂贵的导电玻璃并没用使炭对电极的制造成本明显降低，没有从根本上解决DSSC价格居高不下的难题。此外，涂覆的炭催化活性层与基底导电玻璃之间的附着力较差，在使用过程中存在催化剂脱落现象，降低了DSSC的光电效率。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前DSSC制造成本高的问题，提供一种价格低廉、基底和催化活性层均为炭材料、并具有高附着力的一体化结构的炭对电极及其制备方法。

本发明解决问题的技术方案是：一种用于染料敏化太阳能电池的炭对电极，由炭基底和复合在其表面上的炭催化活性层构成，所述的炭催化活性层是复合在炭基底上的一层由聚合物经高温炭化所形成的多孔炭层。

炭对电极是采用涂覆的方法将聚合物复合在炭基底上，涂覆过程中发生孔渗作用，使聚合物溶液牢固附着在炭基体，经高温炭化后形成一体化结构。

所述的孔炭层的孔道结构是有序孔道结构或无序孔道结构，孔径为1～10nm，孔隙率为10～40％，比表面积为600～1200m²/g，厚度为1～10μm。

所述的炭基底材料是抗折强度为2～10MPa，电阻率为0.01～10Ω/□的板状炭材料，厚度为0.1～2mm。

本发明的另一目的在于提供上述任一用于染料敏化太阳能电池的炭对电极的制备方法，其具体工艺步骤如下：

a.按照如下质量百分比称取：炭微纳米粉：50～98％，导电添加剂：1～40％，粘结剂：1～10％，均匀混合后，采用冷压或热压的方式，在20～60MPa的压力下压制成平板状炭板；

b.在惰性氛围保护下，将炭板经高温炭化制成炭基底，炭化条件为：炭化温度850～1000℃，升温速率3～10℃/min，恒温时间1～4h，保护气流量1～10L/min；