[发明专利]染料敏化纳晶薄膜太阳能电池高孔隙柔性碳对电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，及一种太阳能电池的电极，尤其是一种染料敏化纳米薄膜太阳能电池高孔隙柔性碳对电极及制备方法，也属于新能源技术领域。

背景技术

能源问题关系到全球的可持续发展，成为制约社会发展的关键因素。与目前在市场上占主要地位的硅太阳电池的昂贵生产成本和复杂的制备工艺相比，染料敏化太阳电池(Dye-sensitized Solar Cell简称DSSC)最吸引人的特点是其廉价的原材料和相对简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少，具有远大的应用前景。

1991年Grtzel将高比表面积的纳米多孔TiO2膜应用于染料敏化太阳电池上，光电转换效率到达7.1％。纳米晶TiO2多孔膜比平滑TiO2膜面积增加了近千倍，使得只用染料单分子层就能达到足够的光吸收。这种染料敏化纳米薄膜太阳电池的实验室光电转换效率接近商业化的非晶硅太阳电池，被业界称为Grtzel电池，成为发展一种低价、高效太阳电池的重要新方向。

1993年，Grtzel等人再次报道了光电转换效率达10％的染料敏化太阳电池，到1997年，其光电转换效率达到了10％～11％。1997年研制的black dye比N3染料的吸收光谱范围向红外区拓宽了100nm。1998年，Grtzel等人采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态染料敏化太阳电池研制成功，其单色光转换效率达到33％，从而引起了全世界的关注。2004年，韩国Jong Hak Kim等使用复合聚合电解质做全固态染料敏化太阳电池，其光电转换效率也达到4.5％。但光电转换效率较低、大面积化、液态电解液封装和长期稳定性是染料敏化太阳电池的主要技术问题。

染料敏化电池的结构是，存在如下问题，因为客观存在的实际工艺制作误差和高温处理带来的应力变形，导电玻璃存在平面度误差，导致以导电玻璃附着半导体氧化物制成的工作电极与以导电玻璃上附着催化剂(如Pt)制成的对电极叠加后存在较大间隙，电解液分布不均匀，电子注入电解液的氧化还原反应速率急速下降，以致电池效率下降。在大面积(10cm×10cm以上)的电池中，这个问题更加突出。

液态电解质染料敏化电池存在着电解液蒸汽压过高导致电池损坏问题，即高温下由于溶液的热膨胀、收缩而引起的封装材料和多孔TiO2膜的剥离、电解质泄漏和溶剂的蒸发等问题。

以导电玻璃为基底的对电极，催化剂Pt附着杂平整的玻璃表面上，相对三维多孔扩散微结构，其催化面积有限，制约着电池效率的提升。

另外，工作电极和对电极均采用导电玻璃(FTO、ITO)作基底，成本高，且电池厚度至少是两倍导电玻璃的厚度，不利于电池安装使用的轻便化。

发明内容

本发明目的是：提供一种染料敏化纳晶薄膜太阳能电池的高孔隙柔性碳对电极及其制备方法，提出一种三维多孔扩散微结构，提高电解质在对电极的催化还原反应速率，并且是一种柔性染料敏化纳晶薄膜太阳能电池的高孔隙柔性碳对电极。

本发明的技术方案为：染料敏化纳晶薄膜太阳能电池的高孔隙柔性碳对电极及其制备方法，高孔隙柔性碳对电极包括一个由一层具有三维多孔扩散微结构的碳纤维膜和一层聚四氟乙烯薄膜组成的复合膜；膜上设有二氧化钛半导体多孔薄膜为半导体工作电极。制备方法包括对碳纤维膜石墨化和担载纳米铂黑处理，以该复合膜为染料敏化太阳电池的对电极，与基于刚性基底的半导体氧化物工作电极组成染料敏化太阳电池，或与基于柔性基底的半导体氧化物工作电极组成全柔性染料敏化太阳电池。制备方法中，包括对碳纤维膜石墨化和担载纳米铂黑处理，处理后与一层聚四氟乙烯薄膜组成的复合膜；以该复合膜为染料敏化太阳电池的对电极，并与基于刚性基底的半导体氧化物工作电极组成染料敏化太阳电池，或与基于柔性基底的半导体氧化物工作电极组成全柔性染料敏化太阳电池；

对碳纤维膜石墨化和担载纳米铂黑处理方法是：将碳纤维纸原纸经浸渍、膜压、碳化、石墨化，制备出三维多孔扩散微结构.将碳纤维原纸浸入溶解中间相沥青和酚醛树脂的无水乙醇溶液后，在烘箱加热烘干；然后放入平板硫化机上在压力和300-600℃温度下热压或膜压成形；膜压后的制品放入碳化炉中，在惰性气体保护下升温至1000℃以上保温10-60min；得到三维多孔扩散微结构的碳纤维；其石墨化温度在1000-2500℃，其膜压后的厚度为1um-1700um。