[发明专利]用于染料敏化太阳能电池的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极及其制备方法。

背景技术

当前可再生能源不断消耗，人类面临的能源压力持续加剧，研究发展太阳能电池具有显而易见的重要意义，染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cells，DSSCs）是一种新型的光电化学太阳能电池，自1991年瑞士洛桑高工（EPFL）的M. Gr?tzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来（Nature, 1991, 353, 737），DSSCs以其低成本、相对简单的制作工艺、较高的光电转化效率等特点，迅速得到国际上学术界以及工业界的广泛关注，欧、美、日等发达国家均已投入大量资金研发。

DSSCs主要由染料敏化的多孔半导体纳米晶薄膜、电解质和对电极组成。染料分子受到光照后激发，电子注入半导体薄膜的导带，电子经外电路回到对电极，I₃^-离子在对电极上得到电子生成I^-离子，I^-离子扩散到半导体薄膜上再还原氧化态染料，使染料再生，I^-离子反应后再生成I₃^- 离子，如此循环，从而实现光电转换。在此过程中，减小由于上述还原反应在对电极上的能量消耗是十分必要的。因此，作为其中一个重要组成部分，对电极的催化性能对DSSCs的光电转化效率有着重要的影响。由于铂具有优异的导电性、电催化活性、以及对碘电解质的化学稳定性，对电极通常采用铂作为催化材料。制备方法主要有磁控溅射（Electrochimi. Acta., 2001, 46, 3457）、以及氯铂酸热分解（J. Electrochem. Soc., 1997, 144, 876）等方法，虽然有较好的催化表现和综合性能，但由于铂是贵金属，且制备方法耗能高，这些方法若用于大规模生产具有明显的局限性。因此开发新型非铂、廉价、且具有较高催化活性的对电极，是近年来DSSCs领域一个研究热点。

其中碳材料一直是该方向的研究热点，这主要是因为碳材料具有良好的导电性能和电催化活性，以及化学和热的双重稳定性。近年来石墨烯引起了学术界的研究兴趣，在DSSCs对电极方面也有不少相关报导（ACS Nano, 2010, 4, 6203；ACS Nano, 2011, 5, 165）。但是由于石墨烯具有单原子层二维结构的特征，易形成紧密堆积的类似石墨的结构，导致石墨烯与电解质的接触面积有限，无法有效发挥其催化作用。因此，具有多孔性的石墨烯对电极可望获得更好的催化表现，对降低DSSCs综合成本具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对传统铂对电极成本高、耗能大等弊端，提供一种工艺简单，条件温和，价格低廉，催化活性高的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明用于染料敏化太阳能电池的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极，其特征在于该复合对电极由导电基底（1）和介孔石墨烯/二氧化硅复合膜（2）通过分子间作用力连接而成。其中所述的导电基底（1）为导电玻璃、导电聚合物或柔性金属片；所述的介孔石墨烯/二氧化硅复合膜（2）的厚度为1~20 μm。

本发明用于染料敏化太阳能电池的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极的制备方法，是按照以下步骤进行的：首先将一定尺寸的二氧化硅纳米颗粒加入到一定浓度的氧化石墨烯悬浮液中，超声分散后形成具有一定质量比的氧化石墨烯/二氧化硅复合物的悬浮液；然后在该悬浮液中加入10~100μL质量分数为10%的水合肼溶液，60~110℃下加热反应1~12h后将其中的氧化石墨烯还原为石墨烯，形成介孔石墨烯/二氧化硅纳米复合材料的悬浮液；最后将该悬浮液滴在清洗干净的导电基底上，待溶剂挥发完全后即在导电基底上形成一层表观均匀的介孔石墨烯/二氧化硅薄膜，重复上述操作调控膜的厚度为1~20 μm，即制得所述的介孔石墨烯/二氧化硅复合对电极。

作为优选，本发明所述的二氧化硅纳米颗粒的粒径为10~100 nm；所述的氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.1~1 mg/mL；所述的氧化石墨烯与二氧化硅的质量比为1:0.5~5；

所述的溶剂为水、乙醇或者二者的混合物。