[发明专利]基于三维石墨烯的光伏电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电池领域，具体涉及一种基于三维石墨烯的光伏电池及其制备方法。

背景技术

开发新能源材料和利用新能源是当前各国必须首先解决的重大问题，而太阳能具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等诸多优点，是解决能源和环境问题的理想能源；染料敏化太阳能电池是基于纳米技术发展起来的一种新型太阳能电池，具有制作成本低(其成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10)，生产工艺简单、无污染，对温度变化和光强度变化不敏感，光稳定性好，使用寿命长(可达15年以上)等优点，是一种极有前途的环保型太阳能电池。

20世纪90年代初期，瑞士科学家M.Gratzel将纳米多孔的二氧化钛薄膜涂覆在导电基底上，以联吡啶钌为敏化剂，以I-/I3-为电解质，以铂为背电极构建了染料敏化太阳能电池(O’Regan，B.；Gratzel，M.A low-cost，high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.Nature，1991，335，737-739)。图1为传统的染料敏化太阳能电池的结构图，从图1中可以看出，在导电基底和背电极之间依次形成有光阳极、敏化剂层、电解质层，其基本工作原理为：可见光照射在电极上时，阳极上染料分子在可见光的作用下通过吸收光能而跃迁到激发态，由于激发态不稳定，通过染料分子与半导体颗粒表面的相互作用，电子很快跃迁到较低能级的半导体颗粒导带，进入导带的电子通过扩散富集进入导电玻璃的导电膜，然后通过外回路产生光电流。染料分子从电解质溶液中获得电子而被还原成基态，电解质中被氧化的电子扩散至对电极，这就完成了一个光电化学反应循环。与传统的硅太阳能电池相比，这种光伏电池具有显著地优势：对温度不敏感，可在较宽的温度范围内工作；制备过程简单，不需要昂贵的设备；性能稳定，理论上寿命可以达到20年以上。

迄今为止，成本较高是限制染料敏化太阳能电池产业化应用的瓶颈之一，主要的原因就是目前典型的染料敏化太阳能电池需要使用透明导电基底。导电基底是一种透明的n型半导体材料，如氧化铟锡(ITO)、掺氟的SnO2膜(FTO)等包覆在玻璃上形成。ITO和FTO导电膜主要通过化学气相沉积、阴极溅射、溅射热解、电子束蒸发和氧离子束辅助沉积等方法在玻璃上制备。制备工艺复杂，原料成本高，进而大大提升了染料敏化太阳能电池的价格。

半导体材料中光阳极一般采用二氧化钛薄膜，而光阳极导电基底材料的特性、形貌、厚度等对染料敏化太阳能电池的光电特性具有很大的影响。

参见图1，为传统染料敏化太阳能电池的结构示意图，其中包括1、导电基底；2、光阳极；3、敏化剂层；4、电解质层；5背电极。专利申请公布号CN102254702A公开一种传统的电池结构，其利用石墨烯片作为网络支架、在CS上均匀附着二氧化钛和Ag纳米晶作为复合光阳极材料，然后将所述材料涂覆于透明导电玻璃(导电基底)制作成光阳极。该方法是在二氧化钛中作为辅助填料掺入一定比例的石墨烯而制作成光阳极，以此提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，增加染料的吸附以及延长电子传输寿命。

发明内容

本发明人意识到将具有优异电子收集与传输性能的石墨烯引到光阳极中，取代传统的导电基底，由此提供一种基于三维石墨烯的新型的光伏电池结构。

本发明提供一种基于三维石墨烯的光伏电池，所述电池由光阳极层、敏化剂层、电解质层以及背电极构成的层状结构，其中，两个所述背电极之间依次形成有电解质层、敏化剂层、光阳极层、敏化剂层和电解质层，且所述光阳极为由纳米陶瓷材料与三维石墨烯基多孔结构复合而形成的复合结构。

本发明的光伏电池制备方法，通过在光阳极层中引入三维石墨烯，省略了传统的导电基底，降低了电池的制备成本，简化了工艺，能制备出性能稳定的光伏电池。