一种对电极材料及其制备方法、染料敏化太阳能电池

技术领域

本申请涉及电池技术领域，更具体地说，涉及一种对电极材料及其制备方法、染料敏化太阳能电池。

背景技术

染料敏化太阳能电池相比传统的硅基太阳能电池具有成本低廉、工艺简单、性能稳定的优点，是将来极具实际应用价值的太阳能电池。染料敏化太阳能电池主要由光阳极、染料敏化剂、电解液和对电极四部分组成。常规的对电极为铂电极，然而铂电极的价格高昂，使用铂电极会提高染料敏化太阳能电池的成本。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种对电极材料及其制备方法、染料敏化太阳能电池，以解决现有技术中染料敏化太阳能电池成本较高的技术问题。

第一方面，本申请提供一种对电极材料，由生物质炭和过渡金属碳化物组成，其中，所述过渡金属碳化物为碳化钛或者碳化钨。

本申请提供的对电极材料，由生物质炭和过渡金属碳化物组成，一方面，由于生物质炭也具备催化还原能力，且生物质炭具备大面积多孔形态，通过将过渡金属碳化物复合在生物质炭上，能够增加过渡金属碳化物的催化还原能力。从而保证利用该对电极材料制作的太阳能电池能够提高光电效率。另一方面，采用由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料，相对于贵重的金属铂来说，成本大大降低。因此采用由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料能够在保证电池光电效率的情况下，降低太阳能电池的成本。

第二方面，本申请提供一种对电极材料的制备方法，包括：

在第一化学物的乙醇溶液中加入尿素搅拌，使得尿素和第一化学物反应，得到过渡金属碳化物的前驱体溶液，其中，所述第一化学物为四氯化钛，所述过渡金属碳化物为碳化钛，或者，所述第一化学物为偏钨酸铵，所述过渡金属碳化物为碳化钨；

将生物质炭在所述过渡金属碳化物的前驱体溶液中溶解，得到混合液；

将所述混合液干燥至胶状后研磨成粉末；

在保护气体环境下煅烧所述粉末，得到所述过渡金属碳化物和所述生物质炭的复合物，所述复合物为所述对电极材料。

可选的，所述四氯化钛和所述尿素的摩尔比为1：11～13。

可选的，所述偏钨酸铵和所述尿素的质量比为0.8～1：1。

可选的，所述四氯化钛的乙醇溶液的制备过程包括：

将水合四氯化钛加入无水乙醇中搅拌，直至溶液由白色变为无色，得到所述四氯化钛的乙醇溶液。

可选的，所述偏钨酸铵的乙醇溶液的制备过程包括：

将偏钨酸铵加入无水乙醇中搅拌，直至溶液由白色变为无色，得到所述偏钨酸铵的乙醇溶液。

可选的，所述生物质炭的制备过程包括：

将草木烘干并粉碎成草木粉末；

在150～200℃温度下将所述草木粉末在密封环境中加热10～15小时，得到所述生物质炭的中间产物；

清洗并干燥所述中间产物，得到所述生物质炭。

采用本申请提供的对电极材料的制备方法，制备方法步骤简单，操作方便，原料易得。因此在保证对电极材料的光电效率的情况下，大大降低了对电极材料的成本。

第三方面，本身申请提供一种染料敏化太阳能电池，所述染料敏化太阳能电池的对电极材料由生物质炭和过渡金属碳化物组成，其中，所述过渡金属碳化物为碳化钛或者碳化钨。

可选的，所述染料敏化太阳能电池的光阳极材料为二氧化钛，所述染料敏化太阳能电池的染料敏化剂为N719，所述染料敏化太阳能电池的电解液为碘电解液。

本申请提供的染料敏化太阳能电池，由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料，由于生物质炭和过渡金属碳化物均具备良好的化学稳定性、优异的导电性能和较好催化还原能力，在将过渡金属碳化物复合在生物质炭上作为对电极材料时，能够进一步增强渡金属碳化物的催化还原能力，从而提高染料敏化太阳能电池的光电效率。因此，采用由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料的染料敏化太阳能电池，在保证光电效率的情况下，大大降低了对电极材料的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种对电极材料的制备方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的染料敏化太阳能电池的示意图；

图3为本申请实施例提供的染料敏化太阳能电池进行光伏性能测试获得的J-V曲线。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

染料敏化太阳能电池主要由光阳极、染料敏化剂、电解液和对电极四部分组成。其中，通常利用铂作为对电极，催化电解质中的氧化还原电对，实现光电效应。而铂的成本较高，当需要大规模使用染料敏化太阳能电池，染料敏化太阳能电池的制作成本往往非常可观。考虑到渡金属碳化物具备良好的催化还原能力、导电性以及化学稳定性，具备类似铂的化学性能，为此，本申请提供一种对电极材料，由生物质炭和过渡金属碳化物组成。

在本申请中，通过将过渡金属碳化物复合到生物质炭上，将生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料。一方面，由于生物质炭也具备催化还原能力，将渡金属碳化物复合在生物质炭上能够增强过渡金属碳化物的催化还原能力。另一方面，由于生物质炭具备大面积多孔形态，通过将过渡金属碳化物复合在生物质炭上，促进过渡金属碳化物的催化还原效率，从而进一步增强过渡金属碳化物的催化还原能力。

而生物质炭和过渡金属碳化物的复合物，相对于贵重的金属铂来说，成本大大降低。因此采用由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料能够在保证光电效率的情况下，降低太阳能电池的制作成本。且由于生物质炭的原料可以采用枯草枝、树叶、木头等废料，有利于废料的回收利用。

需要说明的是生物质炭和过渡金属碳化物的复合物也可以表示为过渡金属碳化物/生物质炭，其中，“/”在化学领域中表示复合物。

在本申请实施例中，过渡金属碳化物可以是碳化钛或者碳化钨。

下面结合图1，对本申请提供的对电极材料的制备方法进行示例性的说明。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种电极材料的制备方法的流程图，该方法包括：

S101，在第一化学物的乙醇溶液中加入尿素搅拌，使得尿素和第一化学物反应，得到过渡金属碳化物的前驱体溶液。

例如，当在制备碳化钛和生物质炭的复合物时，第一化学物可以为四氯化钛。

通过将尿素加入四氯化钛的乙醇溶液中充分搅拌，例如搅拌两小时，使得尿素和四氯化钛充分反应，得到碳化钛的前驱体溶液(即包含能够得到碳化钛的中间体的溶液)。

示例性的，所述四氯化钛和所述尿素的摩尔比可以为1：11～13，即能够保证四氯化钛和尿素充分反应即可，对此，本申请不做限制。

其中，四氯化钛的乙醇溶液，可以通过原材料水合四氯化钛(TiCl

例如，可以取15mL无水乙醇放入称量瓶中。然后称取1.90g的TiCl

当在制备碳化钨和生物质炭的复合物时，第一化学物可以为偏钨酸铵。

通过将尿素加入偏钨酸铵的乙醇溶液中充分搅拌，例如搅拌两小时，使得尿素和偏钨酸铵充分反应，得到碳化钨的前驱体溶液(即包含能够得到碳化钨的中间体的溶液)。

示例性的，所述偏钨酸铵和所述尿素的质量比可以为0.8～1：1，即能够保证偏钨酸铵和尿素充分反应即可，对此，本申请不做限制。

其中，偏钨酸铵的乙醇溶液，可以通过原材料偏钨酸铵和无水乙醇制的。例如，将偏钨酸铵加入无水乙醇中搅拌，直至溶液由白色变为无色，得到所述偏钨酸铵的乙醇溶液。

例如，可以取15mL无水乙醇放入称量瓶中。然后称取0.29g的偏钨酸铵溶于称量瓶中，搅拌至溶液由白色变为无色。然后在加入0.3g的尿素搅拌至少两小时，直到尿素完全溶液，得到碳化钨的前驱体溶液。

S102，将生物质炭在所述过渡金属碳化物的前驱体溶液中溶解，得到混合液。

其中，生物质炭可以以草木(例如，枯草枝、树叶、木头等)为原材料，采用水热法制得。

例如，可以先将收集到的将草木烘干并粉碎成草木粉末；然后在150～200℃温度下将所述草木粉末在密封环境中加热一段时间(例如，10～15个小时)，得到生物质炭的中间产物。其中，该中间产物是指包含水分、以及其他杂质的生物质炭；最后通过清洗干燥该中间产物，即可该生物质炭。

示例性的，在烘干时，可以将草木放置于恒温干燥箱烘干一段时间(比如，24小时，30小时、48小时等)使得草木的水分充分蒸发。恒温干燥箱的温度可以设置在80～200℃。在干燥时，恒温干燥箱的温度不能设置过高，否则会破坏草木的结构，进而影响后续所生成生物质炭的形态。

在加热时，可以采用聚四氟乙烯密封反应釜对草木粉末进行密封加热。将草木粉末放置到聚四氟乙烯密封反应釜中，并加入一定量的去离子水(例如，站反应釜容量的三分之二)，防止反应釜中生成生物质炭时产生的气体因为膨胀而爆炸。然后将聚四氟乙烯密封反应釜放置到烘箱中加热一段时间。例如，在150～200℃温度下加热10～15个小时，即可得到含有生物质炭的中间产物。在150～200℃温度下加热10～15小时生成生物质炭的形貌好，比表面积大。最后，用去离子水将该中间产物中的杂质清洗掉后，在进行干燥，即可得到生物质炭。

其中，原料草木可以从校园、马路、公园等地方收集。

获得生物质炭后，将生物质炭加入过渡金属碳化物的前驱体溶液中充分搅拌(例如，搅拌1.5个小时、2个小时等)，使得生物质炭在过渡金属碳化物的前驱体溶液完全溶解，得到一个包含生物质炭和过渡金属碳化物的前驱体的混合液。

S103，将所述混合液干燥至胶状后研磨成粉末。

S104，在保护气体环境下煅烧所述粉末，得到所述过渡金属碳化物和所述生物质炭的复合物，所述复合物为所述对电极材料。

上述S103～S104即为合成固体的生物质炭和过渡金属碳化物的复合物的过程。得到混合液后，先干燥至胶状然后研磨成粉末，使得混合液中多余的水分充分蒸发，以避免在后续煅烧过程中由于水分的存在导致产生钛的氧化物。

然后在保护气体(例如惰性气体，氮气)环境下煅烧所述粉末，得到过渡金属碳化物和所述生物质炭的复合物。

其中，在煅烧时，可以先将煅烧温度从环境温度(例如，当前室温)升温至预设温度。比如，升温速率可以控制在4～6℃/分钟，避免升温速度过快，导致出现其他反应，而得到杂质。若所述过渡金属碳化物为碳化钛，所述预设温度为1000～1300℃；若所述过渡金属碳化物为碳化钨，所述预设温度为900～950℃。

在预设温度的煅烧温度下保温一段时间(例如，4-6个小时)，使得被煅烧的粉末中过渡金属碳化物的前驱体转换成所需的过渡金属碳化物。同时，使得过渡金属碳化物复合在粉末中的生物质炭上。这一保温过程，需避免在温度过低，导致生成其他混合物(例如，钛的氮化物、钛的氧化物等)。当然，温度过高也可能造成资源浪费，或者其他不可控事件的发生。

采用本申请提供的对电极材料的制备方法，制备方法步骤简单，操作方便，原料易得。因此在保证对电极材料的光电效率的情况下，大大降低了对电极材料的成本。

基于本申请提供的对电极材料，本申请还提供一种染料敏化太阳能电池。该染料敏化太阳能电池的对电极材料由生物质炭和过渡金属碳化物组成，其中，过渡金属碳化物为碳化钛或者碳化钨。

在本申请中，染料敏化太阳能电池的对电极材料不再是铂，而是生物质炭和过渡金属碳化物的复合物。而生物质炭和过渡金属碳化物的复合物，相对于贵重的金属铂来说，成本大大降低。因此采用由生物质炭和过渡金属碳化物的复合物作为对电极材料能够降低太阳能电池的制作成本。尤其利于染料敏化太阳能电池的大规模生产及使用。例如，在设计一种电池供电的路灯时，则可以使用该染料敏化太阳能电池，使得利用电池为路灯供电成为可能。

下面对染料敏化太阳能电池具体构成，染料敏化太阳能电池的制作，以及利用由生物质炭和过渡金属碳化物组成的对电极材料后，染料敏化太阳能电池的光电效应进行示例性的说明。

如图2所示，染料敏化太阳能电池包括光阳极20、染料敏化剂21、电解液22和对电极23四个主要部分。在本申请实施例中，所述光阳极20位于染料敏化太阳能电池的阳极，可以采用二氧化钛(TiO

所述染料敏化剂21主要用于在光照作用下完成电荷分离。在本申请实施例中，所述染料敏化剂21可以为N719、Z907、Y123、D11或N3等。

所述电解液22发生催化发应，实现光能和为电能的循环转换。电解液22可以是碘电解液或铜电解液。例如，碘电解液可以是液态电解质(例如，电解质为I

对电极23可以作为染料敏化太阳能电池的阴极，用于收集外部电路电子以及催化电解液中的氧化还原电对的循环再生。

示例性的，以电解液22为碘电解液、染料敏化剂21为N719为例，对染料敏化太阳能电池的制作过程进行示例性的说明。

首先，可以通过将TiO

将钢化玻璃作为外壳26，以将制作的阳极和阴极放入钢化玻璃外壳26。最后在阳极和阴极之间灌入碘电解液，得到染料敏化太阳能电池。

当染料敏化太阳能电池开始工作时，当光照射到电池外壳上时，光子透过钢化玻璃外壳26和导电玻璃24，被吸附在光阳极20上的N719吸收，从而从基态跃进到激发态。激发态的N719激发出电子注入到TiO

可以理解的是，在这个过程中，阳极和阴极之间传输的电流可以在蓄电池中存储，以供后续给其他器件供电使用。

图3为对本申请提供的染料敏化太阳能电池进行电化学性能测试，得到的电流密度-电压(J-V)曲线的测试结果。其中，横坐标表示光电电压(photovoltage)，单位是伏(V)；纵坐标表示电流密度(current density)，单位是毫安每平方厘米(mA/cm

一般来说，对电极的催化还原能力越高，染料敏化太阳能电池的PCE就越高。基于图3可以看出，由生物质炭和过渡金属碳化物组成的对电极材料，由于能过增强过渡金属碳化物的催化还原能力，因此，该对电极材料具备较高的催化还原能力，因而染料敏化太阳能电池具有良好的光电转换效率。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。