一种用做染料敏化太阳能电池阴极的碘掺杂碳材料

摘要

一种用做染料敏化太阳能电池阴极的碘掺杂碳材料，分别是碘掺杂石墨结构碳、碘掺杂非石墨结构碳或由海洋生物质烧成的碘掺杂碳材料；其中碘含量为重量比的1％-10％，碳含量为重量比的70-90％，氢含量的重量比为0-5％。本发明还公开了其制备方法和应用。本发明的碘掺杂碳材料用作太阳能电池的阴极性能优越，太阳能转化效率可与铂电极相当，而且具有成本低，制备方法简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碘掺杂碳材料。

本发明还涉及上述碘掺杂碳材料的制备方法。

本发明还涉及上述碘掺杂碳材料在染料敏化太阳能电池中的应用。

背景技术

随着社会的发展，人类对于能源的需求越来越高，目前普遍使用的不 可再生的化石能源已经无法满足人类的需要。因此如何有效利用诸如太阳 能、生物质能等可再生的新型能源就成为能源领域的重大课题。基于此， 开发新型、高效的太阳能或生物质能的能量转换器件成为研究热点之一。

太阳能是新能源开发利用最活跃的领域。目前市场上的太阳能电池主 要是单晶硅和多晶硅两种。但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件 苛刻，制造成本过高，不利于广泛应用。而上世纪90年代出现的纳米TiO₂有机半导体复合太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，工艺条件简单，成 本较低，有可能成为21世纪太阳能电池的新贵。染料敏化太阳能电池极 有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。

基于多孔氧化钛、氧化锌纳米晶材料的染料敏化太阳能电池自1991 年问世以来就引起了人们的广泛关注。染料敏化太阳能电池由于其相对低 廉的价格，简单的制造工艺以及较高的效率，将有可能成为未来太阳能电 池的主导。其光-电转换机理为：具有高比表面积的纳米晶多孔薄膜可以吸 附很多单层染料分子来吸收太阳光，敏化剂分子通过吸收光能跃迁到激发 态，由于激发态的不稳定性，敏化剂分子与TiO₂表面发生相互作用，电子 很快跃迁到较低能级TiO₂的导带，进入TiO₂导带的电子将最终进入导电 膜，然后通过外回路，产生光电流。同时，处于氧化态的染料分子被电解 质中的碘离子I^-氧化回到基态，而I^-被还原为I^3-，I^3-很快被从阴极进入的 电子氧化成I^-构成了一个循环。

阴极在染料敏化太阳能电池中也发挥着重要的作用。在实际工作中， 染料敏化太阳能电池由于有电流通过阴极，如果阴极催化性能低会产生极 化现象，形成超电势，引起电势的损失，降低了电池的性能。因此，传统 阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导 电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好，但是成本较高，工艺复杂。 目前关于染料敏华太阳能电池阴极中已有专利报道是：200410037799.8的 镍基合金电极，200510105677.2的介孔金属电极，200610135370.1的金属 石墨复合电极，200710009239.5的导电聚合物电极，200710133450.8、 200710177810.4和200610114581.7的介孔碳对电极，200910068409.6的金 属氮化物对电极等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碘掺杂碳材料。

本发明的又一目的在于提供一种制备上述碘掺杂碳材料的方法。

为实现上述目的，本发明提供的碘掺杂碳材料，分别是碘掺杂石墨结 构碳、碘掺杂非石墨结构碳和由含碘的海洋生物质烧成的碘掺杂碳材料； 其中碘含量为重量比的1％-10％，碳含量为重量比70-90％。

所述的碘掺杂碳材料，其中，含有重量比为0-5％的氢。

所述的碘掺杂碳材料，其中，烧成的温度为500-1200℃。

本发明提供的制备上述碘掺杂碳材料的方法，将石墨质碳、非石墨质 碳或海洋生物质与单质碘在氮气或氮气和氢气的混合气氛中于 500-1200℃下烧结，使碘掺杂到碳材料中，并且可以使该碳材料具有良好 的导电性。在50-70℃中放置，将残余的单质碘挥发完全。也可以采用溶 液反应制备得到碘掺杂石墨结构碳材料，即：将单质碘溶于乙醇中，加入 石墨质碳在35-50℃下搅拌，制备得到碘掺杂石墨结构碳材料。

所述碘掺杂碳材料的制备方法，其中，石墨质碳为石墨烯，非石墨质 炭为炭黑，含碘的海洋生物质为海带、海藻等。

本发明的碘掺杂碳材料可以用作染料敏化太阳能电池的阴极，将碘掺 杂碳材料涂到导电玻璃上作为阴极，使用吸附有染料分子的半导体材料为 电池阳极。其中，作为阴极的碘掺杂碳材料中还可以加入炭黑，碘掺杂碳 材料与炭黑的重量比可以控制在1∶8-10。

作为电池阳极的半导体材料为TiO₂、ZnO或WO₃中的一种或几种； 染料分子为N3、N719、N749或叶绿素衍生物。

本发明的优点在于：

1、本发明的碘掺杂碳材料为阴极做成的染料敏化太阳能电池的太阳 能转化效率都较高，而且稳定性好。

2、本发明制备碘掺杂碳材料的工艺简单，成本低。

附图说明

图1是本发明的氧化石墨烯和单质碘在氮气氛下900℃下烧结3个小 时所制备的碘掺杂石墨烯的扫描电镜图。

图2是本发明用单质碘溶于无水乙醇中然后加入氧化石墨在50℃下 搅拌48小时所制备的碘掺杂石墨烯的扫描电镜图。

图3是本发明用海洋生物质制备的含碘碳材料的扫描电镜图。

图4是实施例用碘掺杂石墨片层为阴极制备的染料敏化太阳能电池的 I-V曲线图。

图5是实施例用碘掺杂石墨片层和炭黑混合为阴极制备的染料敏化太 阳能电池的I-V曲线图。

图6是实施例用碘掺杂炭黑为阴极制备的染料敏化太阳能电池的I-V 曲线图。

图7是实施例用海带烧结的碘掺杂碳材料为阴极制备的染料敏化太阳 能电池的I-V曲线图。

具体实施方式

本发明的目的是通过寻找新的低成本染料敏化太阳能电池的阴极材 料，以提高染料敏化太阳能电池的转化效率和降低染料敏化太阳能电池的 生产成本。

为此，本发明公开了一种碘掺杂碳材料作为染料敏化太阳能电池的阴 极，包括石墨化的和非石墨化的碘掺杂碳材料，如由氧化石墨烯通过高温 掺杂碘或溶液反应制备的碘掺杂石墨烯，由炭黑过高温碘掺杂制备的碘掺 杂炭黑和由海洋生物质高温烧结而成的碘掺杂碳材料。

用本发明的碘掺杂碳材料制备染料敏化太阳能电池阴极的方法为将 这类材料研磨后加入黏合剂混合均匀后涂到导电玻璃上。

本发明的碘掺杂碳作为阴极所制备的染料敏化太阳能电池的光阳极 为吸附有染料分子和半导体材料，如：TiO₂、ZnO或WO₃等。染料分子 是能与半导体材料的能级匹配且对太阳光具有高吸收效率如：二联吡啶钌 的配合物N3、N719、N749等，以及非金属色素如叶绿素衍生物

本发明的碘掺杂碳材料为阴极制备的太阳能电池，使用吸附有染料分 子的TO₂为电池阳极，碘掺杂碳材料作为染料敏化太阳能电池的阴极较一 般碳材料具有较高的活性，其机理可能是由于碘掺杂碳材料可以降低光阴 极的极化现象。有关本发明中碘掺杂碳材料的制备和用做染料敏化太阳能 电池的光阴极材料的性能目前文献和专利都未见报道。

本发明的特征在于：

1)这些碘掺杂碳材料的制备方法简单，而且可以采用不同的方法制 备。

2)由氧化石墨烯高温烧结制备的碘掺杂石墨化碳既保存了石墨化碳 的层状结构，具有较大的比表面而且具有较好的导电性和催化活性，可以 制备出较高效率低成本的电池。由非石墨化碳制备的碘掺杂碳材料，由于 引进了碘元素而提高了其催化活性，所制备的电池效率也有较大提高。

3)本发明所制备的碘掺杂碳材料可以以不同比例与炭黑混合作为染 料敏化太阳能电池的阴极材料，这样可以通过调节碘元素在阴极中所占的 比例来调节阴极材料的导电性和活性，既能提高太阳能电池的性能又能减 少碘掺杂碳材料的用量，降低成本。

以下通过实施例并结合附图对本发明作详细描述。

实施例1：用碘掺杂石墨片层为阴极制备的染料敏化太阳能电池

将200mg氧化石墨片层和1g单质碘在管式炉中氮气氛下900℃下烧 结3个小时，然后在70℃的烘箱中放置48小时，让残余的单质碘挥发完 全，所测得碘原子含量为3.43％。然后将碘掺杂石墨烯涂到导电玻璃上作 为阴极，使用吸附有染料分子的TO₂为电池阳极，染料分子为N719。

图1是实施例1制备的碘掺杂石墨烯的扫描电镜图。所得I-V曲线如 图4所示，光电转化效率达到2.95％，而未掺杂石墨烯的光电转化效率仅 为0.06％，同等条件下铂电极为阴极的光电转化效率4.6％。

实施例2：用溶液反应制备碘掺杂石墨烯

将单质碘溶解在乙醇中，氧化石墨烯分散到水中，两者混合50-100℃ 下反应24小时，然后用大量乙醇离心洗涤，50℃烘箱中干燥。

图2是实施例2制备的碘掺杂石墨烯的扫描电镜图。

实施例3：用碘掺杂石墨片层和炭黑混合为阴极制备的染料敏化太阳 能电池

碘掺杂石墨片层制备方法同实施例1，将碘掺杂石墨片层和炭黑以重 量比1∶10的比例混合均匀涂到导电玻璃上为阴极，使用吸附有染料分子的 TO₂为电池阳极，染料分子为N719。所得I-V曲线如图5所示，光电转化 效率达到5.9％，而纯炭黑的光电转化效率仅为2.1％，同等条件下铂电极 为阴极的光电转化效率4.6％。

实施例4：用碘掺杂炭黑为阴极制备的染料敏化太阳能电池

将200mg炭黑和1g单质碘在管式炉中氮气氛中900℃下烧结3个小 时，然后在70℃的烘箱中放置48小时，让残余的单质碘挥发完全。然后 将碘化炭黑涂到导电玻璃上作为阴极，使用吸附有染料分子的TO₂为电池 阳极，染料分子为N719。所得I-V曲线如图6所示，光电转化效率达到 4.1％，而纯炭黑的光电转化效率仅为2.1％，同等条件下铂电极为阴极的 光电转化效率4.6％。

实施例5：用海带烧结的碘掺杂碳材料为阴极制备的染料敏化太阳能 电池

由于海带(或海藻)中含有丰富的碘元素所以将海带在高温下烧结可 以得到一种富含碘的碘化碳材料。具体为将海带洗干净，然后在氢气和氩 气的任意比例的混合气中于700-1200℃范围内烧结4个小时。图3是实施 例5用海洋生物质制备的含碘碳材料的扫描电镜图。所制得的碘掺杂碳材 料涂到导电玻璃上作为阴极，使用吸附有染料分子的TO₂为电池阳极，染 料分子为N719。所得I-V曲线如图7所示，光电转化效率达到5.6％，铂 电极为阴极的光电转化效率6.1％。