一種基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及其制備方法和應用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于炭黑?石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及其制備方法和應用，本發(fā)明具體是將石墨烯和炭黑的分散液與聚四氟乙烯的水基分散液混合形成的分散液均勻涂覆在FTO導電玻璃對電極的玻璃一側；經(jīng)過自然干燥、燒結，制得復合電極；再組裝成染料敏化太陽能電池；并進一步組裝成基于炭黑?石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。所述全天候太陽能電池具有穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能和雨天發(fā)電性能，可操作性好，制備方法簡便易行、成本低廉、改進空間大，有利于大面積制備。而且由此所組裝的全天候太陽能電池操作簡單，性能優(yōu)良，環(huán)境適應性強，為全天候太陽能電池的實際應用提供了良好的基礎。
【專利說明】
一種基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及其制備方法和應用
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于新材料技術以及新能源技術領域，具體涉及一種基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]染料敏化太陽能電池是二十世紀九十代開發(fā)出的一種新型電化學太陽能電池，具有成本低、制備工藝簡便、穩(wěn)定性好、環(huán)境友好等特點，具有良好的應用前景。但是由于其只能在太陽光充足的條件下發(fā)電，不能很好的適應天氣環(huán)境的變化，這便限制了其在實際生活中的應用。因此，一種新型的，高效的且能適應不同環(huán)境的一種基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的準全天候太陽能電池發(fā)電裝置便應運而生。這為太陽能電池在今后的實際應用中提供了良好的基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對目前染料敏化太陽能電池應用的局限性，本發(fā)明提供了一種基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及其制備方法和應用，所述全天候太陽能電池具有高效性且能適應不同環(huán)境，而且其制備方法簡單、性能穩(wěn)定好、成本低，而且還可以將其制備成具有在雨天發(fā)電性能的雨水發(fā)電裝置。本發(fā)明有利于促進太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)，更有利于新能源行業(yè)的發(fā)展;而且本發(fā)明制備方法簡單，所制得的發(fā)電裝置適應性強，性能穩(wěn)定好，成本低，操作簡單的優(yōu)點，因此具有重要的實用價值和經(jīng)濟價值。
[0004]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn):
本發(fā)明提供了一種基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法，它包括以下步驟:
(1)將石墨烯與炭黑組成的兩種粉末分散在分散劑中，并通過超聲分散形成炭黑石墨稀分散液，所述兩種粉末總質(zhì)量與分散劑體積的質(zhì)量體積比為0.01?0.03 g/mL；
(2)將聚四氟乙烯水基分散液分散到分散劑中，并通過超聲分散形成體積比為聚四氟乙烯水基分散液:分散劑=1: 9000?1:818的混合分散液；
(3)將步驟(1)、(2)中的兩種分散液混合，并通過超聲分散至溶液底部無沉淀出現(xiàn)，得到均勻的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液；
(4 )將步驟(3 )中得到的分散液涂在FTO導電玻璃對電極的玻璃一側，以形成負載炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的復合電極；
(5)步驟(4)中所制備的復合電極的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜自然干燥成膜，然后將復合電極置于馬弗爐空氣氣氛下燒結，制得所需的復合電極；
(6)制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5?15μm，經(jīng)煅燒制備得到多孔二氧化鈦薄膜；
(7)將步驟(6)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.2?0.5mmol/L的N719染料中浸泡形成染料敏化二氧化鈦光陽極；
(8)將步驟(5)制備的復合電極和步驟(7)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并在中間注入液體氧化還原電解質(zhì)組裝成染料敏化太陽能電池；
并在復合電極的一側，將兩根導線分別連接到所述炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的上下兩端，并用乙烯醋酸乙烯共聚物熱封，制得能實現(xiàn)雨水發(fā)電的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。
[0005]進一步的:所述步驟(I)中兩種粉末的質(zhì)量比為石墨稀:炭黑=3?1:1。
[0006]進一步的:所述步驟(2)中的所述聚四氟乙烯水基分散液中聚四氟乙烯的質(zhì)量比為I%?10%O
[0007]進一步的:所述步驟(5)中的馬弗爐的升溫速度為:由室溫經(jīng)過30-50分鐘升至350-400攝氏度，在350-400攝氏度條件下保溫30分鐘。
[0008]本發(fā)明提供了步驟(I)?(5)所制備得到的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的復合電極。
[0009]本發(fā)明進一步提供了利用所述的制備方法制得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。
[0010]進一步的:所述全天候太陽能電池的開路電壓為680?800 mV，短路電流為16?22mA.Cm—2，填充因子為0.6?0.8，光電轉(zhuǎn)換效率為6.5?11.0%。
[0011]進一步的:所述全天候太陽能電池在作為雨天發(fā)電裝置時，在復合導電薄膜一側滴加0.2?2mol/L的NaCl溶液，電流范圍為O?1.5μΑ/滴，電壓范圍為O?150μν/滴，功率范圍為O?160pW/滴。
[0012]進一步的:所述全天候太陽能電池在作為雨天發(fā)電裝置時，在復合導電薄膜一側滴加氯化物鹽溶液，電流范圍為O?2μΑ/滴，電壓范圍為O?10yV/滴，功率范圍為O?140pW/滴。
[0013]本發(fā)明還提供了基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池在制備發(fā)電裝置的電池組件、導電涂料以及電站中的應用。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和技術效果是:
(I)本發(fā)明制得的全天候太陽能電池不僅可以在太陽光照天氣下發(fā)電，而且也可以在雨天下發(fā)電。
[0015](2)石墨烯具有優(yōu)異的導電、導熱和力學性能，可作為制備高強導電復合材料的理想納米填料，同時石墨烯的共軛結構中的離域π電子可與雨水中的陽離子吸附形成雙電層電容。所述復合導電薄膜充分利用了雨水中陽離子與石墨烯中離域電子間的吸附性能以及陽離子I離域電子雙電層準電容實現(xiàn)電信號的輸出。這為炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜在下雨環(huán)境中發(fā)電提供了理論依據(jù)。而且，炭黑石墨烯在聚四氟乙烯中形成連通的導電網(wǎng)絡，有利于電子的快速傳輸，為導電復合材料在下雨發(fā)電領域中的應用提供了廣闊的空間。
[0016]本發(fā)明充分利用了上述優(yōu)點，并進行合理的元素配比設計，組裝成一種新型的且高效的全天候太陽能電池。此發(fā)電裝置不僅具有良好的環(huán)境適應性和穩(wěn)定性，且發(fā)電裝置結構簡易、可操作性好、性能優(yōu)良，具有良好的市場應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明所制備的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的結構示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明所述的全天候太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率圖。
[0019]圖3是本發(fā)明在所述全天候太陽能電池的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜一側滴加0.2?2mol/L的NaCl水溶液所產(chǎn)生的電流曲線(a)、電壓曲線(b)和功率曲線(C)。
[0020]圖4是本發(fā)明在所述全天候太陽能電池的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜一側滴加濃度為0.6mol/L不同氯化物水溶液所產(chǎn)生的電流曲線(a)、電壓曲線(b)和功率曲線(C)。
[0021]圖5是本發(fā)明將0.6mol/L的NaCl水溶液滴于不同質(zhì)量比炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜組成的全天候太陽能電池所產(chǎn)生的電流曲線(a)、電壓曲線(b)和功率曲線
(C)。
[0022]圖6是本發(fā)明將0.6mol/L的NaCl水溶液滴于炭黑石墨烯(95wt %)/聚四氟乙烯復合導電薄膜組成的全天候太陽能電池所產(chǎn)生的電流曲線(a)、電壓曲線(b)和表面電阻的滲濾曲線(C)。
【具體實施方式】
[0023]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細的說明。
[0024]實施例1
本發(fā)明所述基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法包括以下步驟:
(I)將質(zhì)量比為石墨烯:炭黑=1:1的兩種粉末分散在質(zhì)量分數(shù)為2%的醋酸溶液中，超聲30分鐘;本發(fā)明所用的分散劑可以為乙醇、二甲苯、四氫呋喃、曲拉通X-100、醋酸溶液或蒸餾水中一種或幾種。
[0025](2)將聚四氟乙烯質(zhì)量比為1%?10%的聚四氟乙烯水基分散液分散到體積比為醋酸:蒸餾水=1: 8溶液中，超聲30分鐘，以形成符合體積比為聚四氟乙烯水基分散液:醋酸溶液=1:9000?1:818的混合分散液。
[0026](3)然后將步驟(1)、(2)中的兩種分散液混合，為了得到分散均勻的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液，保持超聲一個小時。
[0027](4)將步驟(3)中得到的分散液涂在FTO導電玻璃對電極的玻璃一側，以形成具有炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的復合電極;所述FTO導電玻璃對電極為鉑、鉑合金、非鉑合金、化合物或?qū)щ娋酆衔飳﹄姌O，本實施例中選用鉑鎳合金對電極。
[0028](5)待步驟(4)中所制備的復合電極上的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜自然干燥成膜，然后將復合電極置于馬弗爐空氣氣氛下燒結30分鐘，以制備所需的復合電極；在馬弗爐空氣氣氛下升溫速度為:由室溫經(jīng)過30分鐘升至350攝氏度，在350攝氏度條件下保溫30分鐘ο
[0029](6)以鈦酸四正丁脂為原料，通過溶膠-水熱法制備的二氧化鈦膠體，將所制的二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5?15 pm，經(jīng)450°C煅燒制備多孔二氧化鈦薄膜。
[0030](7)將步驟(6)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.3 mmol/L的N719染料中24 h形成染料敏化二氧化鈦光陽極。
[0031](8)將步驟(5)制備的復合電極和步驟(7)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并在中間注入液體電解質(zhì)組裝成染料敏化太陽能電池。所述液體電解質(zhì)由0.01?0.06 mol/L碘、0.08?0.12 mol/L碘化鋰、0.4?0.8 mol/L四丁基碘化銨和0.4?0.6 mol/L 4一叔丁基吡啶的乙腈溶液組成。
[0032]并在復合電極的一側，將兩根導線分別連接在所述炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的上下兩端，并用乙烯醋酸乙烯共聚物熱封，制得能實現(xiàn)雨水發(fā)電的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。
[0033]本發(fā)明還進一步利用電化學工作站，在模擬太陽光條件下對制得的所述全天候太陽能電池進行測試。以及用電化學方法檢測濃度范圍為0.2?2mol/L的NaCl水溶液和濃度為0.6 mol/L的1^(:1、他(:1、1((:1、1%(:12、0&(:12水溶液滴于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜上以及濃度為0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同質(zhì)量比的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜時，鹽溶液垂直于兩個電極的方向流動所產(chǎn)生的電流和電壓信號，進而組裝成發(fā)電裝置。
[0034]通過本發(fā)明的上述制備方法，所獲得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的開路電壓為680?800 mV，短路電流為16?22 mA.cm—2，填充因子為0.6?0.8，光電轉(zhuǎn)換效率為6.5?11.0%。
[0035]通過本發(fā)明的上述制備方法，所獲得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池在0.2?2 mol/L的NaCl鹽溶液的電流范圍為O?1.5μΑ/滴，電壓范圍為O?150μν/滴，功率范圍為O?160pW/滴;在0.6 mo I /L的不同氯化物鹽溶液的電流范圍為O?2μΑ/滴，電壓范圍為O?10yV/滴，功率范圍為O?140pW/滴；在濃度為0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同質(zhì)量比聚四氟乙烯導電復合薄膜的電流范圍為O?1.5μΑ/滴，電壓范圍為O?90μν/滴，功率范圍為O?10pW/滴。
[0036]本發(fā)明所述的發(fā)電裝置可以作為電池組件及發(fā)電涂料等方面的應用。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池及發(fā)電原理的介紹:
本發(fā)明能充分適應不用的環(huán)境變化和對新能源的利用。在太陽光條件充足的條件下，所述全天候太陽能電池會受到太陽光照射利用光電轉(zhuǎn)換原理發(fā)電。在雨天時，炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜一側會充分利用雨水中陽離子對石墨烯中離域電子的吸附性及陽離子I離域電子雙電層準電容的充放電性能。當模擬雨水在炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合薄膜表面鋪展過程中，雨水中的陽離子會吸附石墨烯中的離域電子并驅(qū)動離域電子沿導電網(wǎng)絡迀移，使準電容充電；在模擬雨滴在炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合薄膜表面收縮過程中，陽離子會驅(qū)動離域電子向相反方向迀移，使準電容放電。準電容的充放電產(chǎn)生了電流和電壓。
[0038]分別檢測模擬太陽光條件下，所述全天候太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。以及在0.2?2mol/L的NaCl鹽溶液和濃度為0.6 mol/L的LiCl、NaCl、KC1、MgCl2、CaCl2水溶液滴于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜以及濃度為0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同質(zhì)量比的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜時的電流和電壓信號。
[0039]由圖2可知，在模擬太陽光的條件下所得到的基于鉑鎳合金對電極的全天候太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為9.80%，而純鉑對電極的光電轉(zhuǎn)換效率為7.23%。可以看出鉑鎳合金的催化性要高于純鉑電極，這導致了其對氧化還原電解質(zhì)的催化性能和電荷轉(zhuǎn)移能力的提尚O
[0040 ]如圖3所示，當NaC I水溶液的濃度越高，Na+離子的濃度越高，更多的離域電子被吸附形成容量更大的準電容，因此增強了電流、電壓信號的輸出。
[0041]如圖4所示，當不同氯化物鹽溶液的陽離子半徑越大時，阻礙了其在導電薄膜中的吸附和迀移，使其電流、電壓信號小于同價半徑小的陽離子鹽溶液。當不同氯化物鹽溶液的陽離子電價越高時，可以吸附更多的離域電子，使其電流、電壓信號強于一價陽離子鹽溶液。
[0042]如圖5所示，當炭黑石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為95?七%時，由于此時薄膜具有良好的輸水性，薄膜穩(wěn)定性好，鹽溶液可以迅速擴散到周邊，并隨后收縮。因此，電流電壓信號為最大值。
[0043]由圖6可知，當炭黑石墨稀的質(zhì)量分數(shù)為由92wt%升高至95 Wt %時，其表面電阻突然減小，這表明在炭黑石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為92 wt%時為此導電薄膜的滲閾值。
[0044]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其進行限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的普通技術人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護的技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)將石墨烯與炭黑組成的兩種粉末分散在分散劑中，并通過超聲分散形成炭黑-石墨稀分散液，所述兩種粉末總質(zhì)量與分散劑體積的質(zhì)量體積比為0.0l?0.03 g/mL； (2)將聚四氟乙烯水基分散液分散到分散劑中，并通過超聲分散形成體積比為聚四氟乙烯水基分散液:分散劑=1: 9000?1:818的混合分散液； (3)將步驟(1)、(2)中的兩種分散液混合，并通過超聲分散至溶液底部無沉淀出現(xiàn)，得到均勻的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液； (4)將步驟(3)中得到的分散液涂在FTO導電玻璃對電極的玻璃一側，以形成負載炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的復合電極； (5)步驟(4)中所制備的復合電極的炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜自然干燥成膜，然后將復合電極置于馬弗爐空氣氣氛下燒結，制得所需的復合電極； (6)制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5?15μm，經(jīng)煅燒制備得到多孔二氧化鈦薄膜； (7)將步驟(6)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.2?0.5mmol/L的N719染料中浸泡形成染料敏化二氧化鈦光陽極； (8)將步驟(5)制備的復合電極和步驟(7)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并在中間注入液體氧化還原電解質(zhì)組裝成染料敏化太陽能電池； 并在復合電極的一側，將兩根導線分別連接到所述炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的上下兩端，并用乙烯-醋酸乙烯共聚物熱封，制得能實現(xiàn)雨水發(fā)電的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。2.根據(jù)權利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中兩種粉末的質(zhì)量比為石墨稀:炭黑=3?1:1。3.根據(jù)權利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的所述聚四氟乙烯水基分散液中聚四氟乙烯的質(zhì)量比為1%?10%。4.根據(jù)權利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述步驟(5)中的馬弗爐的升溫速度為:由室溫經(jīng)過30-50分鐘升至350-400攝氏度，在350-400攝氏度條件下保溫30分鐘。5.權利要求1中步驟(I)?(5)所制備得到的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的復合電極。6.權利要求1?5中任一項所述的制備方法制得的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池。7.根據(jù)權利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池，其特征在于:所述全天候太陽能電池的開路電壓為680?800 mV，短路電流為16?22mA.cm—2，填充因子為0.6?0.8，光電轉(zhuǎn)換效率為6.5?11.0%。8.根據(jù)權利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池，其特征在于:所述全天候太陽能電池在作為雨天發(fā)電裝置時，在復合導電薄膜一側滴加0.2?2mol/L的NaCl溶液，電流范圍為O?1.5μΑ/滴，電壓范圍為O?150μν/滴，功率范圍為O?160pW/滴。9.根據(jù)權利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池，其特征在于:所述全天候太陽能電池在作為雨天發(fā)電裝置時，在復合導電薄膜一側滴加氯化物鹽溶液，電流范圍為O?2μΑ/滴，電壓范圍為O?10yV/滴，功率范圍為O?140pW/滴。10.權利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯復合導電薄膜的全天候太陽能電池在制備發(fā)電裝置的電池組件、導電涂料以及電站中的應用。
【文檔編號】H01G9/20GK105869896SQ201610385152
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】唐群委, 張洪娜, 賀本林
【申請人】中國海洋大學