[发明专利]新型碳纳米管薄膜太阳能电池对电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源纳米新功能材料技术领域，具体涉及一种新型碳纳米管薄膜太阳能电池对电极的制备方法，采用氧化石墨烯作为表面活性剂显著提高碳纳米管的分散性能，使得碳管易于成膜，将其应用染料敏化太阳能电池中具有较好的光电转化效率。 

背景技术

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净天然能源，成为最有希望开发利用的能源之一。目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。目前市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要10年左右时间，使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多，环境污染严重。 

染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSSC）作为第三代太阳能电池具有价格相对低廉、制作工艺简单、拥有潜在高光电转换效率的特点，可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。在DSSC实际工作中，电流通过对电极时会产生极化现象，形成超电势，引起电势的损失，进而影响了电池的性能。传统对电极制备一般采用透明导电玻璃作为基体，在基底上镀一层高催化活性贵金属铂作为对电极材料来改善其催化活性。虽然铂电极具有较好的催化活性，但是价格昂贵，同时在I^-/I^3-酸性电解质溶液中，长时间工作贵金属Pt的催化性能会降低，影响了太阳能电池的使用寿命和光电转换效率。同时作为对电极基底材料的透明导电玻璃，成本较高、刚性强易碎，不能应用于柔性太阳能电池的研发，上述问题的存在限制DSSC产品种类的开发和普遍推广使用。开发太阳能电池新型对电极材料，提高其活性、耐腐蚀性和稳定性，对降低DSSC的成本、提高效率、延长寿命、促进民用化推广具有非常重要的意义。 

碳材料以高导电性、对I₂的抗腐蚀性以及对I^3-还原的高反应活性成为最具吸引力的替代材料，价格相对低廉，有望替代贵金属铂成为DSSC对电极的新型材料，得到广泛关注。实际研究结果发现与传统的贵金属铂电极性能相比，早期碳电极的电化学催化活性偏低，其原因可能是电极表面多孔碳的膜层较厚(膜厚导致电子传输距离增大)，碳材料与导电基底附着不够致密、牢固,从而限制了电子传输，提高了对电极的接触电阻，导致电池的光电转换效率有所下降。 

采用具有良好电学性能、高比表面积的碳纳米管（CNTs）作为对电极材料，虽然在提高电催化活性方面取得了一定的进展，目前仍然存在不足之处，其光电转化的效率仍未能超过传统的Pt对电极。其可能存在的原因是：虽然目前采用高导电性、高比表面积的CNTs材料，但是普遍采用的是将CNTs粉末作为制备薄膜原始材料，通过抽滤喷涂或添加粘合剂等方式形成CNTs薄膜作为对电极材料，上述加工成膜方式可能存在以下问题：1、粘合剂的添加不可避免的增加了碳管相互连接的接触电阻，进而增加了薄膜电极方块电阻，降低了对电极的总体性能。2、碳纳米管分散溶液制备过程中需要添加表面活性剂作为分散剂，表面活性剂后续去除中采用强酸和高温的方法不可避免的会对薄膜的性能产生不利影响。上述问题的存在可能会极大的降低碳纳米管薄膜整体性能，使得碳纳米管优异性能潜力未能充分的发挥出来。因此如何制备均匀碳纳米管分散溶液，保持碳纳米管的优异性能是目前碳纳米管薄膜作为对电极材料迫切需要解决的问题之一。 

发明内容

本发明的目的在于立足于具有高活性碳纳米管薄膜对电极材料的制备方法。 

本发明首次采用具有两性特性的氧化石墨烯作为表面活性剂，利用氧化石墨烯的添加能显著增加碳纳米管的分散性能，避免了传统制备工艺中由于添加表面活性剂和粘合剂的所导致的后续性能下降的难题。添加后的氧化石墨烯通过后续热处理过程将其转化成具有良好电学性能的石墨烯，从而不但避免因添加氧化石墨烯带来的不利影响，且提高了碳纳米管薄膜的整体电学性能。