新型碳材料在染料敏化太阳电池中的应用.pdf
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1、新型碳材料在染料敏化太阳电池中的应用李艳1,2,王洪涛u,庄全超3,方亮I,t(1 中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6;2 中国矿业大学理学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6;3 中围矿业大学材料科学与工程学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6)摘要:介绍了新型碳材料在染料敏化太阳电池(D S S C s)中应用的研究进展,在W O。光电极中加入多层碳纳米管(M W C N T s)不仅能增加电子寿命,提高电池转换效率。还能减少电极裂纹。增加电极的机械强度;用碳纳米粉或碳纳米管替代P t 作为对电极能降低电池制作成本。提高电极的电化学活性,提高电池转换效率,与其他材料复合还
2、能增加电池机械性能和环境的稳定性。综述了材料的制备工艺和M W C N T s 加入比例对电池性能的影响及单层碳纳米管(S W C N T)和A g 复合作为对电极的性能。总之,新型碳材料由于其诸多的优点是应用在D S S C e 中理想的电极材料。关键词:染料敏化太阳电池;碳纳米管;T i O:;电荷转移电阻中图分类号:T M9 1 4 4文献标识码:A文章编号:1 0 0 2-0 8 7X(2 0 1 0)0 9-0 9 7 1-0 4A p p l i c a t i o no fn e wc a r b o nm a t e r i a l si nd y e s e n s i t
3、i z e ds o l a rc e l l sL IY a n”,W A N GH o n g t a 0 1,Z H U A N GQ u a n-c h a 0 3,F A N GL i a n g 皤f 1 S c h o o lo f M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o uJ i a n g s u2 2 1J1 6,C h i n a
4、;2 S c h o o lo f S c i e n c e,C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o uJ i a n g s u2 2 111 6,C h i n a;3 S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o u,j
5、a n g s u2 2 111 5,C h i n,)A b s t r a c t:T h ea p p l i c a t i o no fn e wc a r b o nm a t e r i a l si nd y e s e n s i t i z e ds o l a rc e l l sw a si n t r o d u c e d T h ee l e c t r o nl i f e t i m ea n dc e l lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yc o u l db ei m p r o v e ds i g n i f
6、 i c a n t l yb ya d d i n gM W C N T Si nt h eT i 0 2e l e c t r o d e 1 1 1 砖p r o c e s sc o u l da l s or e d u c et h ee l e c t r o d ec r a c ka n de n h a n c et h em e c h a n i c s Is t r e n g t ho fe l e c t r o d e T h eu s eo fc a r b o nn a n o p a d i c l e sa n dC N T sa st h ec o u
7、 n t e re l e c t r o d e st or e p l a c eP tc o u l dr e d u c et h ec o s to fC e l l s。e n de n h a n c et h ee l e c t r o c h e m i c a Ia c t i v i t yo fe l e c t r o d ea n dt h ec e l Ic o n v e r s i o ne f f i c i e n c y T h ec o m p o s i t e 竹I mo fn e wc a r b o nm a t e r i a l sa n
8、 dt h eo t h e rm a t e r i a Ic o u l di m p r o v et h em e c h a n i c s Ip r o p e r t ya n dt h ee n v i r o n m e n ts t a b,i t y 1 1 1 ei n f l u e n c eo fp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fm a t e r i a l s t h eM W C N T Sp e r c e n t a g eo l lt h ee e l Ip e r f o r m a n c ea
9、n dt h ep e a o r m e n c eo fe l e c t r o d ec o m p o s e do fs i n g l ew a l lc a 巾o nn a n o t u b e(S W C N T)a n dA gw e r ea l s ob ed i s c u s s e d I naw o r d,t h en e wc a r b o nm a t e r i a l si sp e r f e c te l e c t r o d em a t e r i a Ia p p l i e dj nD S S C s K e yW O r d s:D
10、 S S C:C N T;T i 0 2;c h a r g et r a n s f e rr e s i s t a n c e1 9 9 1 年,G r a t z e l 等人报道了基于染料敏化纳米晶多孔T i O:薄膜太阳电池的光电转化效率可达到7 1,引起了世界各围科学家的极大兴趣与关注。由于D S S C 具有成本低廉。理论转化效率高。制备工艺简单,对环境友好等优点,成为了新一代太阳电池的研究热点与重点。目前,其光电转化效率已达到1 1 1 l z j。D S S C 主要由染料敏化半导体薄膜、电解质和对电极组成。t 作原理是:染料分子吸收太阳光后从基态跃迁到激发态,激发态染料的
11、电子迅速注入到半导体的导带中,然后扩散至导电基底,经外电路转移至对电极,处于氧化态的染料通过电解质中的氧化还原对还原至基态,氧化态的电解质从对电极中接受电子而被还原,从而完成了电子输运的一个循环过程。目前,半导体薄膜大多采用纳米晶T i 0 2,而对电极大多收藕日期:2 0 1 0-0 3-1 0基金项目:中国矿业大学人才引进经费资助(Z X 2 8 0)作者简介:李艳(1 9 7 卜),女,河南省人博士研究生。讲师。主要研究方向为染料敏化太阳电池电极材料。9 7 1采用在导电玻璃上镀一层铂,但是铂过于昂贵。为了降低D S S C 制作成本而又不影响电池性能,人们尝试将廉价的碳材料引入到电池中
12、。这些碳材料分为:石墨、碳黑、碳球、碳纳米颗粒和碳纳米管t 3 l。早期就有很多人将石墨或者碳黑直接加入到电极材料中进行研究。比如M u r a k a m i 等人f 4 J 将1 3 0m g 碳黑与0 2m LT i 0 2 胶体、0 4m L 水和0 2m L1 0=三硝基甲苯(x 2 1 0 0)的水溶液充分研磨得到碳浆。然后用刮涂法将碳浆涂在F T O 玻璃上,在室温干燥1 0m i n,然后在4 5 0 空气中加热3 0m i n。得到对电极,碳膜是由质量分数为9 3 的碳黑和质量分数为7 的T i 0 2 混合而成。当碳膜厚度为1 4 4 7I n n 时,电池的性能最优,厶=
13、0 0 1 68A c m 2,K=7 9 0m V,F F=6 8 5,t =9 1,创造了用碳材料作催化基底转化效率的最高值。P i n j i a n gL i 等人1 5 1 将碳黑和P t 的混合物分散在2m L 蒸馏水和2m L 乙醇的混合溶液中。然后将3 0m g 羟乙基纤维素作为粘合剂加入到混合溶液中,将粘液用手术刀涂在F T O 玻2 0 10 gV 0 1 3 4N o 9万方数据璃上制备出P t,碳黑对电极。用T i O:作为光电极测试D S S C的电池转换效率为6 7 2。近几年,人们开始将一些新型碳材料比如碳纳米粉和碳纳米管(C N T s)6 I 入D S S C
14、 中l e-1 3】,因为纳米结构的碳不仅能使电极与电解质接触良好,还可以提高电极的电化学活性特别是C N T s 作为对电极显示出了比其他碳材料更优越的性能。用C N T s 替代P t 有以下优点:(1)纳米尺寸的导电通道;(2)扩大表面面积;(3)质量轻;(4)高柔韧性;(5)低成本。正是由于这些优点,所以新型碳材料也成了现在D S S C 中研究的热点。1 新型碳材料在D S S C 中的应用1 1 在光电极中的应用2 0 0 6 年,P r a s h a n tV K a m a t 第一次将碳纳米管作为光活性电极引入D S S C 中,碳基结构呵以帮助电子从半导体内部移到电极中,
15、比如,碳纳米管薄膜可以直接用来响应可见光的激发,但是电池效率却比较低,这主要是由于光生电荷载体的超快再结合造成的,一条提高电荷分离的途径是开发复合碳纳米结构,用这种方法期埋能提高C N T s 厂r i O:系统的转换效帮-”。K u n M uL e e 等人0 6】在T i 0 2 电极中加入多层碳纳米管,研究了T i O 棚M W C N T s 复合电极的物理化学性能。粗糙系数,电子寿命和电池效率等参数。电极制备过程:将四异丙醇钛(T 1 I P)和P 2 5 的T i O:按照摩尔比0 0 8:l 在酒精溶液中混合,同时加入酸处理过的多层碳纳米管用超声波震动3 0m i n。搅拌2h
16、,然后用玻璃棒将T i O:浆料涂在F T O 玻璃上。待洒精挥发后,把薄膜在1 5 0 烧结4h。然后将电极浸人包含乙腈和特丁醇(体积比为1:1)的N 3 染料溶液中,取出后烘干作为光电极,用镀铂的F T O 玻璃作为对电极进行封装,注入电解质,然后进行测试。表l 是光照强度为1 0 0m W c m 2 以T i O J M W C N T s 复合电极作为光电极的D S S C 的各种参数,从表中数据可以看出,当M W C N T s 含量在质量分数为0 1 0 5 时,T i O:,染料电懈质界面电衙传递电阻(R。)随着多层碳纳米管含最的增加而增大,这主要是由于表面积减小染料吸附率降低
17、导致的。在M W C N T s 含量为(质萤分数)0 1 时特征峰转移到低频,电子寿命变长,D S S C 的短路电流矗=9 0 8l r n A 6 1 1 1 3 2,开路电压K=o 7 8 1V,电池转换效率达到最高的5 0 2。表1基于T i 0 2,M W C N T s 复合电极的S a m p l e|R QR d QJ。Vr F FC N T(m A g i n)O 04 0 02 1 47 9 60 7 6 l4 1 506 8 50 12 6 02 2 O9 0 80 7 8 l50 20 7 0 80 32 752 8 76 5 20 7 4 034 3O7 l O0
18、52 763 7 35 6 40 7 1 628 507 0 7在前人的工作基础上,T h a n y a r a tS a w a t s u k 等人旧将T i 0 2 M W C N T s 复合电极中M W C N T s 的含苣限制在质量分数为0 t 0 1 做了进一步的研究。采用直接混合的方法将T i O d M W C N T s(0 0 1)和乙基纤维索(1 0 0m g)分散在松油醇中进行超声波处理。用丝网印刷技术将T i O J M W C N T s2 0 10 9V 0 1 3 4N o 99 7 2薄膜刷在r i o 玻璃衬底上(面积为2c mx3c m,方电阻为1
19、0Q)。在5 0 0 煅烧。以复合电极作为光电极,以镀P t 的F r o玻璃作为对电极装备电池并测试。表2 为以T i O,M W C N T 复合电极作为光电极制备的D S S C 的J v 特征数据。由表中数据可以看出,在T i O:中加入M W C N T s 的质量分数为O 0 2 5 时性能最佳,电池转换效率达到了1 0 2 9。表2 以T 1 0 2,M W C N T s 复合电极作为光电极制备的M W f N l lJ d质昔分数K。,VF F州(m A c n l)O0 7 61 4 4 1O 5 86 3 1O 0 107 81 4 4 1O 6 06 7 70 0 20
20、7 91 7 2 5O 7 29 7 90 0 2 50 7 91 6 9 90 7 71 0 2 9O 0 30 7 81 23 8O 5 95 6 70 0 50 7 41 1 8 IO 5 245 70 0 7 50 6 91 1 1 20 4 93 7 5O 10 6 81 10 4 63 5 2需要说明的是表2 和上面的表1 中M W C N T s 含量都是质量分数为0 1 时开路电压、短路电流、填充因子(F F)和转换效率的值,都有很大的差距,这主要是凼为不同的人做实验时采用的材料合成方法、烧结温度、染料及膜厚度等实验条件各不相同,这种外界条件上的差异直接造成了实验结果的迥异。W
21、 i r a tJ a r e m b o o n 等人f 1 8】研究了M W C N T s 对电极结构的影响。将碳纳米管加入到混合酸中 H 2 S O。:I-N O,=3:1(体积比)1 在室温放置3 0m i n 以减少表面的羧基群,然后用去离子水稀释,过滤,霞复该过程3 次,然后在8 0 烘干。用F r o 玻璃作为T i O:薄膜的衬底,将混合材料用电泳沉积技术沉积在衬底上,T i O:溶液由0 1g 纳米催化T j 0 2 粉末和0 0 4g 的I:(混在5 0m L 的乙酰丙酮中),用金片作阳极,保持阳极和衬底之问的距离在l6 1 1 1 以内,薄膜分别在5、1 0、1 5、2
22、 0v 电压下制备,沉积时间为lm i n。图l 是多层碳纳米管的含量分别为0、1、5 时的复合薄膜S E M 照片,从图中可屹出在M W C N T s 含量相同时,电压越大,裂纹越大,2 0v 电下制备的复合薄膜出现的裂缝图1多层碳纳米管的含量分别为0、1、5 的复合薄膜S E M 照片(复合薄膜分别在5、1 0、1 5、2 0V 电压下沉积J万方数据最大,说明电压过大不利于薄膜的沉积。在相同电压下,随着M W C N T s 含量的增加,复合电极的裂缝变得越来越小,含5 M w C N T s 的复合电极在5、1 0V 时几乎没有裂缝,说明在复合电极中增加M W C N T s 的含量可
23、以减少薄膜的表面裂缝,改善电极微结构。1 2 在对电极中的应用P r a k a s hJ o s h i 等人 1 9 1 将6 5 0m g 碳纳米粉(粒径小于5 0r i m,比表面积大于1 0 0m 2 g)混入1m LT i 0 2 胶体中(质量分数为2 0),在混合物中加入2 m L 去离子水,再加入lm L 聚乙二醇辛基苯基醚(T r i t o nX 1 0 0),混合物变成粘稠状的灰浆。将灰浆超声处理1h,然后旋涂在F T O 玻璃上制成对电极,将基片在2 5 0 干燥lh,然后封装电池进行测试。以碳纳米粉T i O:复合电极制备作为对电极的D S S C 光电转换效率为5
24、5,与P t 作为对电极时的效率(6 4)接近,碳纳米粉厂r i 0 2复合材料有希望替代P t 作为对电极使用。E a s w a r a m o o r th iR a m a s a m y 等人嘞将碳纳米粉(平均粒径为3 0n m,比表面积为1 0 0m 2 g)分散在有机溶剂中,再加入水进行球磨,然后将得到的碳浆涂在F r O 上,再在2 5 0 烧结1h,最后制成碳膜厚度约为2 0g m 的对电极。用此对电极组装成的电池的指标如下iJ 却0 1 46A c m 2,V 7 4 0m V,F F-6 2,r-6 7 3。s G a g l i a r d i 等人【2 1 1 分别研
25、究了石墨、碳纳米粉和碳纳米管作为对电极时电池D S S C 的阻抗谱。阻抗拟合数据如表3所示。从表中数据可以看出,碳纳米管的电荷传递电阻(如)的值在2 4 2 5Q,而P t 催化电极的却达到2 2 4Q,多层碳纳米管比P t 电极有更低的串联电阻(R)和电荷传递电阻,用它作为D S S C 的对电极将使填充闪子和效率大大提高。这个现象可解释为纳米结构的碳不仅能提高表面的电化学活性,也能提高碘碘化物氧化还原对的催化活性。石墨的串联电阻和电荷传递电阻都较大,不适合替代P t 催化电极。材料月一Q尺一nt o m sP t3 0 32 2 42 1 6碳S P2 9 52 4O 1 2C N T2
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- 新型 材料 染料 太阳电池 中的 应用
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