[发明专利]一种氮掺杂石墨烯对电极制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

【技术领域】

本发明属于无机碳材料在光电转换技术领域的应用，具体涉及一种氮掺杂石墨烯对电极的制备方法及其作为染料敏化电池对电极的应用。

【背景技术】

    染料敏化太阳电池以其简单的制造工艺、低廉的生产成本和较高的光电转换效率成为具有潜在商业价值的新一代薄膜光伏器件。典型的染料敏化太阳电池由有机（或者无机）染料敏化的二氧化钛薄膜、液态碘电解质和铂对电极组成。其中，碘电解质虽然具有良好的氧化还原活性和较高的离子扩散速率，但是此类电解质存在着吸收短波可见光、腐蚀金属导线和过高的氧化还原电位等缺陷，影响了敏化电池效率的提高和电池组件的长期稳定性。

近年来，大量的非碘氧化还原电对被应用于染料敏化电池体系中，以弥补碘电解质在染料敏化电池中应用中的缺陷。典型的非碘氧化还原电对包括钴配合物电对、镍配合物电对、铜配合物电对以及二硫化物有机电对等。一些研究表明，目前常用的铂对电极对部分非碘氧化还原电对，诸如铜配合物电对、二硫化物有机电对的催化活性较低，不适于与这些电对的配合使用组成敏化电池。为了解决这一问题，多种碳材料，诸如炭黑、碳纳米管、石墨烯等已经被广泛用于催化非碘电解质氧化还原反应对电极的制备。碳基对电极的应用不仅提高了非碘敏化电池光电转换效率而且较之铂电极大幅度降低了对电极的生产成本。

在碳对电极材料中，氮掺杂石墨烯对电极以其高催化活性和高稳定性受到了广泛重视。目前，应用于敏化电池的氮掺杂石墨烯制备的水热合成路线制备的氮掺杂石墨烯易形成石墨烯凝胶，干燥后的石墨烯凝胶在制备对电极无法均匀涂膜和粘结，进而影响了其在敏化电池中的应用。

【发明内容】

本发明的目的是针对氮掺杂石墨烯作为染料敏化电池对电极材料应用中存在的问题，提供一种非均相水热方法合成氮掺杂石墨烯以及基于这种石墨烯的对电极制备技术。通过这一技术可以方便的使用刮刀方法制备的氮掺杂石墨烯薄膜对电极。将对电极应用于染料敏化太阳能电池后，克服了涂膜不均匀和粘结困难的缺陷，大幅度提高了电池的的短路电流密度、开路电压和光电转换效率，具有显著的技术效果。

本发明的具体技术方案如下：

一种氮掺杂石墨烯对电极的制备方法，包括如下两个步骤：

1）氮掺杂石墨烯浆料的制备

将采用Hummer方法制备的氧原子含量为20 -30 %（原子百分数）的氧化石墨烯粉末，在机械搅拌条件下溶于去离子水中，配成浓度为0.5-3 mg/mL的溶液。取50mL上述氧化石墨烯水分散液，加入1-10 g尿素和2-16 g质量百分比浓度为98%的浓硫酸，搅拌15min，形成氧化石墨烯水热反应前驱体。将上述混合物置于聚四氟乙烯反应釜中，在180^oC下反应1-20 h。将经过水热反应后形成的氮掺杂石墨烯沉淀物用去离子水和乙醇混合溶液洗至pH值等于7.0，其中去离子水和乙醇的体积比为0.2-5.0。将氮杂石墨烯悬浮液置于离心机中于3500rpm下离心分离30分钟得到氮杂石墨烯浆状物，其质量浓度为60-90%。

2）使用刮刀方法将步骤1）中所得氮掺杂石墨烯浆状物涂布于1.5cm×2cm 方块电阻15Ω的FTO导电玻璃上，使用透明胶带将涂布石墨烯浆料层的厚度控制在60um。其后，将负载氮掺杂石墨烯的导电玻璃置于马弗炉于80-400 ℃下烧结2小时，制得氮掺杂石墨烯对电极；

上述氮掺杂石墨烯对电极可应用于染料敏化太阳能电池中，其应用方法为：

将纳米晶二氧化钛浆料涂覆于经过清洗烘干的FTO导电玻璃表面，于450℃烧结得到的二氧化钛薄膜。将薄膜加热至70-90 ℃后浸入光敏染料中吸附24-48小时形成二氧电极化钛薄膜并作为光阳极，将上述制得的氮掺杂石墨烯对电极作为光阴极，在光阳极和对电极之间填充钴基电解质并封装。

其中钴基电解质的组成为0.25M邻菲罗啉钴(II)六氟化磷盐{[Co(II)(phen)₃](PF₆)₂}、0.05M邻菲罗啉钴(III)六氟化磷盐{[Co(III)(phen)₃] (PF₆)₃}、0.1M二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和1.0M叔丁基吡啶(tBP)的乙腈溶液。

本发明的优点和积极效果：