一种能在雨天发电的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种能在雨天发电的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
目前，太阳能电池在经济发展中依然占据重要地位，但因其使用条件有限，只能在晴天且光照充足条件下使用，因此寻找一种新型高效率且能适应不同天气的太阳能电池是当前人类亟待解决的重要问题。石墨烯对雨水中的阳离子具有良好的吸附性，与石墨烯复合的染料敏化太阳能电池克服了雨天不能发电的问题，因此，开发能在雨天发电的染料敏化太阳能电池具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有的太阳能电池使用条件的局限性的缺点，提供了一种能在雨天发电的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，本发明首先是制备石墨烯电极，然后制备染料敏化太阳能电池，最后将其复合得到能在雨天发电的染料敏化太阳能电池。本发明充分利用石墨烯制备方法简单，且稳定性高、吸附性好，导电率高，离域电子丰富的优点，提供了能在雨天发电的染料敏化太阳能电池。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种能在雨天发电的染料敏化太阳能电池的制备方法，它包括以下步骤：
(1)、在冰浴条件下将石墨粉：硝酸钠：高锰酸钾按照质量比为1～2：1：5～8分散在浓硫酸中，搅拌制得混合溶液；
(2)、移除冰浴，将所述混合溶液加热并搅拌，再加入去离子水及双氧水直至气泡消失；
(3)、再将溶液离心并清洗至上清液pH=3～4，将得到的混合物再次分散到水中并超声分散，离心去除黑色残渣获得均匀悬浮液；
(4)、将硝酸铟溶解在乙酰丙酮中，并滴加二乙醇胺，配制浓度为0.1～0.2mol/L的硝酸铟乙酰丙酮溶液，在60ºC～65ºC下回流、搅拌；
(5)、将氯化锡溶解在乙醇中，配制饱和氯化锡乙醇溶液；
(6)、按铟/锡摩尔比为8～12：1将所述硝酸铟乙酰丙酮溶液与所述饱和氯化锡乙醇溶液混合，制备ITO溶胶；
(7)、将步骤(6)中的ITO溶胶旋涂至FTO导电玻璃的玻璃面，经煅烧，制备得到沉积ITO/玻璃/FTO导电玻璃；
(8)、在步骤（3）的均匀悬浮液中放入步骤（7）的ITO/玻璃/FTO导电玻璃，采用电泳法在ITO层沉积氧化石墨烯；
(9)、将步骤（8）中负载氧化石墨烯的ITO/玻璃/FTO导电玻璃放入碘化氢中浸泡10～15小时还原，得到负载石墨烯的ITO/玻璃/FTO电极；
(10)、在步骤（9）中的负载石墨烯的ITO/玻璃/FTO电极的FTO层上沉积对电极；
(11)、制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FTO导电玻璃基体上，高温煅烧制备介孔二氧化钛薄膜；
(12)、将步骤（11）制备的二氧化钛薄膜浸入0.2～0.5mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化钛光阳极；
(13)、所述步骤（10）制备的负载石墨烯的ITO/玻璃/FTO对电极和步骤（12）制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间注入液体电解质组装成所述能在雨天发电的染料敏化太阳能电池。
进一步的：所述步骤（2）中将所述溶液通过水浴加热至30～40ºC，并搅拌30～40分钟。
进一步的：所述步骤（4）中二乙醇胺加入1～3滴。
进一步的：所述步骤（8）中采用的电泳法沉积电压为5V，时间为2小时。
进一步的：所述步骤（10）中的对电极为铂、合金、导电聚合物、碳、化合物中的一种。
进一步的：所述步骤（11）控制膜厚为5～15 µm，经450°C煅烧30分钟制备介孔二氧化钛薄膜。
进一步的：所述步骤（13）中的液体电解质是含有I-/I3-氧化还原电对的乙腈溶液。
本发明还提供了所述的制备方法制得的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池。
本发明还提供了所述的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池在光照条件下发电的应用，所述染料敏化太阳能电池的开路电压为650～800 mV、短路电流为8～18mA·cm-2、填充因子为0.5～0.8、光电转换效率为5.0～11.0%。
本发明还提供了所述的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池在下雨条件下发电的应用，所述染料敏化太阳能电池的电流为0.9～4.9μA/滴雨、电压为30～60μV/滴雨、功率为30～300pW/滴雨。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点：
(1)、应用范围广。所述能在雨天发电的染料敏化太阳能电池对雨水中阳离子具有良好的吸附性，使雨天发电具备条件。
(2)、稳定性好。按照所述技术方案制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池，1000s内电流电压基本无衰减现象。
(3)、制备方法简单。石墨烯是Hummers法制备，制备方法简单。
本发明方法简便易行、成本低廉，采用本发明制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池稳定性高、电导率好、阳离子吸附性好。不仅可以用于白天发电，还可以更广泛应用于雨水发电等。
附图说明
图1为本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池结构示意图。
图2为本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池在不同模拟雨水滴速下的电流、电压、功率输出图，其中图a是电流图，图b是电压图，图c是功率图，图d是雨滴在石墨烯电极上的接触角以及滴加纯水的电流和电压输出图。
图3为本发明所制备能在雨天发电的染料敏化太阳能电池在不同浓度模拟雨水下的电流、电压、功率输出图，其中图a是电流图，图b是电压图，图c是功率输出图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
一、本发明所述具有高吸附性和高稳定性的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池的制备方法具体包括以下步骤：
1、将天然石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾在冰浴条件下按照质量比1：1：5溶解在质量分数为98%的浓硫酸中，搅拌5～10分钟。
2、移除冰浴，将所述溶液加热至35℃，搅拌30～40分钟后，加入60～100mL去离子水及10～20mL质量分数为30%的双氧水直至气泡消失。
3、将所述溶液在转速7200rpm下离心30分钟，并清洗至上清液pH=3～4，得到的混合物再次分散到水中并超声15～20分钟，然后在转速3000rpm下离心3分钟后去除黑色残渣获得均匀悬浮液。
4、将硝酸铟溶解在乙酰丙酮中，并滴加2滴二乙醇胺，配制浓度为0.1～0.2mol/L的硝酸铟溶液在60ºC～65ºC下回流、搅拌。
5、将氯化锡溶解在乙醇中，配制饱和氯化锡乙醇溶液。
6、按铟/锡摩尔比为8：1将所述硝酸铟乙酰丙酮溶液与所述饱和氯化锡乙醇溶液混合，制备ITO溶胶。
7、将步骤6中的ITO溶胶旋涂至FTO导电玻璃的玻璃面，并经550ºC煅烧30分钟，制备得到沉积ITO/玻璃/FTO导电玻璃。
8、将ITO/玻璃/FTO导电玻璃浸于去离子水、丙酮、乙醇中超声清洗，最后用去离子水冲洗，吸干水分并晾干。在步骤（3）的所述均匀悬浮液中放入所述步骤7的干净的ITO/玻璃/FTO导电玻璃，采用电泳法在ITO一侧沉积氧化石墨烯。采用的电泳法沉积电压为5V，时间为2小时。
9、将步骤8的负载氧化石墨烯的ITO/玻璃/FTO导电玻璃放入碘化氢中浸泡10小时，用乙醇清洗后得到负载石墨烯的ITO/玻璃/FTO电极。
10、在ITO/玻璃/FTO导电玻璃基体的FTO一侧沉积对电极。所述对电极为铂、合金、导电聚合物、碳、化合物中的一种。
11、通过溶胶-水热法制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FTO导电玻璃基体上，控制膜厚为5～15 µm，经450°C煅烧30分钟制备介孔二氧化钛薄膜。
12、将步骤11制备的二氧化钛薄膜浸入0.2～0.5 mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化钛光阳极。
13、步骤10制备的负载石墨烯的ITO/玻璃/FTO对电极和步骤12制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间注入液体电解质组装成能在雨天发电的染料敏化太阳能电池。所述液体电解质是含有I-/I3-氧化还原电对的乙腈溶液。
二、能在雨天发电的染料敏化太阳能电池的测试
由本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池的在光照条件下发电时开路电压为650～800 mV、短路电流为8～18mA cm-2、填充因子为0.5～0.8、光电转换效率为5.0～11.0%。
由本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池在下雨条件下发电时的电流为0.9～4.9μA/滴雨、电压为30～60μV/滴雨、功率为30-300pW/滴雨。
如图1所示，本发明雨天发电的染料敏化太阳能电池结构示意图。晴天时染料敏化太阳能电池一测受到激发发电。雨天时，雨水中含有钠离子等阳离子，当模拟雨滴落到石墨烯表面时，石墨烯会吸附模拟雨滴中的阳离子，由于阳离子的迁移而使石墨烯中的电子在石墨烯表面定向移动，从而产生电流和电压。
图2中为本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池表面按不同滴速滴加模拟雨水产生电流、电压、功率信号。图a为电流，图b为电压，图c为功率输出。由于水滴下落的流速不同而产生不同的电流电压信号。注射器流速分别调至40mL h-1、60 mL h-1、80 mL h-1、100 mL h-1、200 mL h-1、300 mL h-1，在电化学工作站CHI660E进行测试。可以看到当模拟雨滴滴在石墨烯表面时，图a中电流信号随流速的增大而减小，图b中电压信号随流速的增大而减小，图c中功率的信号随流速的增加而减小。图d表示去离子水滴在石墨烯表面时并没有电流电压的产生，这说明电流及电压的信号是由于模拟雨滴中的离子产生的。图d中可以看出石墨烯表面并不是超疏水的。
图3中为本发明所制备的能在雨天发电的染料敏化太阳能电池按不同浓度滴加模拟雨水产生的电流、电压、功率图。图a为电流，图b为电压，图c为功率输出。采用不同浓度的溶液作为模拟雨滴。图a中可以看出电流信号随溶液浓度的增加而增强，图b可以看出电压信号随溶液浓度的增加而增强，图c可以看出功率信号随溶液浓度的增加而增强。说明溶液浓度越大，石墨烯可以吸附的离子越多，产生的相应电信号越明显。
图1中：在太阳光照时，光阳极中的有机染料吸收光子并激发电子，电子沿二氧化钛纳米颗粒组成的导电通道传输至FTO导电玻璃，经外电路传输至对电极；电解质中的I-离子将氧化态的染料还原为基态，同时I-离子转换成I3-离子并迁移至对电极表面，最后，对电极将I3-离子还原为I-离子。在降雨时，将太阳能电池反转，雨滴滴落在石墨烯表面形成阳离子/电子双电层电容；雨滴在石墨烯表面的铺展/收缩即为双电层电容充/放电，从而产生电流和电压。
图2中：将模拟雨滴注射到石墨烯电极表面，由图中可以看出，模拟雨滴的滴加速度越快，产生的电流、电压、功率信号越弱。
图3中：在同一滴速下，模拟雨滴的离子浓度越高，产生的电流、电压、功率信号越强。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。