碳纳米管涂料涂料型染料敏化太阳能电池的研制

摘要

本文提出了涂料型染料敏化太阳能电池(DSCs)。DSCs是太阳能电池的一种，通常由染料附着的半导体电极、金属电极和电解质组成。DSC通过激发染料中的电子以及染料与电解质之间的氧化还原反应来产生电能。对于我们的涂料型DSC，我们通过在基材上涂两种类型的涂料来制作两个电极。我们使用碳纳米管(CNTs)作为油漆材料，因为它们具有半导体和金属性质。这使得我们能够通过简单地涂上碳纳米管涂料，轻松地制备半导体和金属电极。经过测试，我们确定DSCs能够发电。在不久的将来，我们的油漆型DSCs作为一种独特而有用的设备，有潜力为日常生活提供动力。

1.介绍

近年来，由于能源消耗和环境问题，太阳能等清洁能源的发电受到了广泛的关注。许多种太阳能电池已经被开发出来。本文重点介绍了一种独特的太阳能电池:染料敏化太阳能电池(DSC)。DSCs通常由染料附着的半导体电极和金属电极组成。电极之间有一种电解质，它们面对面。DSC通过激发染料中的电子以及染料与电解质之间的氧化还原反应来产生电能。DSCs以其可定制性而闻名，预计将用于需要定制性的地方，如室内设计。

在本研究中，我们提出了一种独特的DSC:涂料型DSC。我们通过在基片上涂两种涂料来制作DSC的两个电极。我们使用碳纳米管[1- - - - - -5]作为油漆材料。众所周知，碳纳米管具有许多有用的特性，例如高导电性[6，热导率[7，机械强度[8，9]和化学稳定性[10］．我们特别关注了碳纳米管的一个特性，即既具有半导体性质又具有金属性质[11- - - - - -13］．已有许多研究使用碳纳米管，特别是用于太阳能电池的电极[14- - - - - -18］．我们的目标是通过应用碳纳米管来制作半导体漆和金属漆。通过这样做，我们可以简单地用碳纳米管涂料来制作半导体和金属电极。此外，我们知道碳纳米管有很大的表面积，因此我们可以在碳纳米管的表面附着足够的染料。在本研究中，我们构建了我们的油漆型DSC，检验了它的可用性，并旨在提高其性能。在太阳能电池的研究领域，应用碳纳米管或其他纳米碳材料(如有机太阳能电池)来提高器件性能的报道较多[19- - - - - -23］．对于DSCs, CNTs已被用作对电极[24或透明电极[25］．相比之下，由于印刷电子学研究领域的进展，CNTs可以涂在包括塑料薄膜在内的各种基材上[26］．然而，我们提出的全漆型DSC尚未被报道。我们相信我们的方法是独特的，并将在不久的将来对我们的生活有用。

2.染料敏化太阳能电池和碳纳米管涂料的基础

2．1．涂料的太阳能电池

现代DSCs是由École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)教授于1991年发明的[27］．此后，DSCs备受关注，有报道显示其光电转换效率超过10% [28- - - - - -32］．DSC(图1)通常有一个半导体(负)电极(在透明电极上)和一个金属(正)电极，两个电极之间保持一种电解质。通常，DSCs使用二氧化钛作为半导体电极，铂作为金属电极，碘基材料作为电解质。其操作流程如下。首先，染料被照射半导体电极的阳光激发，被激发的电子通过半导体电极和外部电路转移到金属电极上。然后，电子从金属电极移动到电解质，从碘变成碘离子。碘离子使氧化染料还原为碘。通过这一系列操作，电流在DSC电路中流动。

2．2．碳纳米管油漆

碳纳米管是一种纳米级材料，因此很难使用或处理碳纳米管。因此，有许多关于如何使它们易于使用的研究[33］．在本研究中，我们使用单壁碳纳米管[34]作为涂料的分散。基质可以给予半导体和金属性质，其是CNT的特征，通过用CNT涂料涂漆。以这种方式制造的基材用作我们的涂料式DSC的电极。在未来，我们的DSC将能够直接安装任何地方油漆。因此，它们将有助于持续扩展太阳能电池，并且可以预期适用于各种物体。

3.实验方法

3．1.我们的涂料型染料敏化太阳能电池的概念

我们的DSC需要两个电极:一个是半导体电极，一个是金属电极。作为这项研究的第一步，我们使用素描簿纸作为电极的衬底。每个纸基板的面积为15 * 15毫米²．制备了用于半导体电极和金属电极的半导体和金属碳纳米管涂料。每一个电极都是通过将碳纳米管涂料涂到纸基板上制成的。数字2显示了这种制造电极的原理图。电极被连接起来，让它们面对面，电解质被放在它们之间。

3．2．使金属电极

我们使用了单壁碳纳米管，特别是HiPco (NanoIntegris Inc.， powder)，用于我们的金属碳纳米管涂料，因为众所周知，HiPco型碳纳米管是一种典型的具有高导电性的碳纳米管，并且在制备时包含半导体和金属碳纳米管。虽然它们含有半导体碳纳米管，但由于含有金属碳纳米管，我们可以将它们作为一个整体假定为金属碳纳米管。我们还使用十二烷基硫酸钠(SDS)作为分散剂[35，36］．首先，我们将6 mL纯水、14 mg HiPco和14 mg SDS混合制成cnt混合液。然后，我们用超声波照射碳纳米管混合液体，使其分散[37一小时。然后我们将大约0.25 mL和1 mL的CNT分散涂到纸基板上，并在大约100°C下烘干。数字3(一个)显示通过这种方法获得的样品。最后，我们用导电银浆将纸基板连接起来。

3．3.制造半导体电极

我们使用了99%纯度的半导体CNTs (NanoIntegris Inc.，分散体)。这种分散体每1ml含有0.01 mg的碳纳米管。我们使用这些碳纳米管的原因是制备靶向半导体电极必须具备半导体特性。如上所述，典型的碳纳米管包含半导体碳纳米管和金属碳纳米管。然而，它们表现出金属性质。因此，必须制备精制的半导体碳纳米管。我们这里用的是产品。然后，我们用花青素染料作为染料。首先，我们将0.4 mg的染料与0.2 mL的纯水混合，配制出染料溶液。然后，将染料溶液与半导体碳纳米管分散体混合制备半导体涂料。 Next, we painted the semiconducting paint to the paper substrate and dried it at 100°C. After that, we used a container of the same size as the paper substrate to prevent the semiconducting paint with low viscosity from flowing down off the paper substrate. Figure3 (b)显示通过这种方法获得的样品。最后，我们用导电银浆将纸基板连接起来。

这种半导体电极的导电性往往比金属电极低。一般来说，它的降低会导致DSC的发电效率下降。电导率下降的原因之一是激发态电子进出染料的运动。当产生电力时，电子必须通过半导体电极移动到连接的外部电路。然而，当电导率低时，许多电子无法到达电路。因此，为了有效发电，电导率必须很高。原来的DSC采用透明电极收集电子。但我们的瞄准差示扫描量热仪没有透明电极。为了解决这个问题，我们设计了一个额外的结构。具体来说，我们涂导电漆，如上述金属碳纳米管漆和导电银浆，作为半导体碳纳米管漆的底漆。 We here used conductive silver paste as the undercoat paint for simplicity as shown in Figure4．

3．4．我们的涂料型染料敏化太阳能电池的测量

我们通过混合100ml乙二醇，1.3g碘和8.3g碘化钾来制备电解质。我们将半导体电极放在金属电极上，如图所示5200年滴μ两电极间电解液的L值与原始DSC相同，如图所示1．最后，我们用人造阳光(1000 W/m)照射电极²)，并使用半导体表征系统(吉时利仪器公司，4200-SCS)测量DSC的I-V特性。

3．5．涂料型染料敏化太阳能电池的评价

一般来说，I-V特性(图6)被检查以评估太阳能电池[38］．短路电流(我_SC)定义为单元内电压为0v时的电流。开路电压(V_OC)定义为单元内电流为0a时的电压。我_马克斯定义为所产生功率为其最大值时的电流(P_马克斯)．V_马克斯定义为当时的电压。

通过检查I-V特性，转换效率(η)，即太阳光的能量与太阳能电池产生的能量之比[38］．太阳能的转换效率和能量(P_在)分别表示为

填充系数(FF)定义为所得到的比率我_SC和V_OC到实际的P_马克斯(例如,我_马克斯×V_马克斯如图所示6)[38］．FF是太阳能电池I-V特性质量的指标，表示为式(2)，其值介于0和1之间:

为了获得较高的FF，已知等效串联电阻(R_年代)，包括DSCs的太阳能电池必须是低的(理想情况下为0)和等效的分流电阻(R_上海)必须为高(理想情况下为∞)[38］．数字7显示了一个等效的太阳能电池电路，它有电阻R_年代和R_上海．众所周知R_年代是由电极和电解质的内阻引起的吗R_上海是由漏电流引起的。因此，应减小内阻和漏电流。

4.结果和讨论

我们考察了以下两种样品的特性:不带底涂层的DSC和带底涂层的DSC。当色散为1ml时，金属电极的电阻值为24.6 Ω/□(Ω/square);当色散为0.25 mL时，电阻值为156 Ω/□;当不涂底涂层时，半导体电极的电阻值为471 kΩ/□;这些结果表明，使用大量的涂料(分散剂)可以有效地提高金属电极的电导率，使用底漆也可以有效地提高我们的半导体电极的电导率。

无底毛和有底毛的DSCs的I-V特性如图所示8．转换效率FFV_OC,我_SC样品的规格见表1．我们确定了从底涂层的制造样品产生的功率首先（我们为金属电极使用的样品24.6Ω/□，因为其低电阻）。我们发现其转换效率为0.12％。虽然这种值薄弱，但我们的涂料式DSC绝对产生了电力。如果我们升级结构，我们认为我们的DSC可以显着提高其性能。事实上，我们发现具有底涂层的半导体电极有效提高了我们的DSC的性能。比较两种类型的DSC，与没有底涂层的半导体电极，与底涂层我_SC加底毛的DSC的显色率约为不加底毛的5.1倍。换句话说，不涂底漆的DSC比不涂底漆的DSC表现出更好的性能。

然而，我们无法改进FF。正常情况下，当电阻值(R_年代)的样本减少如上所述。在本文中，只在经过人工阳光照射的一侧涂上具有底涂层的半导体电极。这意味着金属电极的另一面(背面)只由半导体碳纳米管和染料组成。目前，我们假设当电极表面染料的电子被激发时，它们移动到半导体碳纳米管并在到达导线之前到达后表面。然后，电子可以反向移动到电解液中。我们认为，由于半导体电极背面的电阻值较差，电子无法进入半导体电极并返回电解液。即大漏电流可以流过(R_上海可能是小的)和高内阻可构造(R_年代可能是大的)在我们的DSC。我们认为这就是FF低的原因。如果我们将底漆样品FF提高到0.5，保持不变我_SC和V_OC，我们可以获得1.47％的转换效率。如果我们将FF改善为0.7，转换效率应为2.06％。为此，我们将在不久的将来确定合适的绘画过程，因为我们的涂料型DSC可以使用如前所述的涂料的任何组合进行。对于瞄准高FF，我们将铝箔作为基板代替半导体电极的纸基材作为新试验。也就是说，我们涂上了铝箔上的染料的半导体CNT涂料。然后，我们基于纸基材制备金属CNT电极，并将新的半导体电极放在金属电极上。之后，我们用人工阳光照射电极并测量DSC的I-V特性。数字9显示了结果。根据这个结果，我们确认该样品获得了0.40的FF。我们认为FF的改善有两个原因。一是衬底(电极)的导电性。因此，我们的一种方法，即底涂层，预计是有效的。二是基材表面的平整度。与纸基板相比，铝箔基板的表面是如此的光滑。为此，我们将在不久的将来研究细节。

5.结论

我们提出了一种涂料型DSC。它通过绘画制作了两个电极。我们的DSC是通过使用CNT涂料进行的。首先，我们确认了从我们制造的DSC生成的权力。虽然第一个样品显示发电，但其效率不是很高。旨在改善它，我们使用带有底涂层的半导体电极。我们发现这种类型的DSC具有更好的效率。最后，我们考虑了DSCS两种结构效率之间的差异。没有底涂层的DSC表现出更高的性能，特别是在我_SC，比底毛的要多。这是因为有底毛的样品的电阻值比没有底毛的样品的电阻值小得多。但是我们无法获得较高的FF。这可能是由于我们的差示扫描量热仪可以产生大的漏电流和高的内阻。为了解决这个问题，我们准备并测试了用铝箔做半导体电极的新样品。然后，样品的FF值比之前的样品高。在不久的将来，我们将能够克服这些问题。此外，我们的油漆型DSC将能够应用于任何物体或地方，如墙纸、窗户玻璃和家具，在那里可以使用油漆。

数据可用性

在合理的要求下，通讯作者可以提供手稿中描述的数据。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了“创新领域科学研究资助计划”的部分支持。JP25110015)，由日本科学促进协会(JSPS)提供。作者非常感谢日本KJ特种纸有限公司研发实验室的成员们的支持。此外，他们感谢所有其他贡献者为他们提供早期数据，在美国凤凰城举行的第13届国际会议上Nanotek和博览会(Nanotek 2016)。参加在美国檀香山举行的2015年太平洋盆地学会国际化学大会(Pacifichem 2015)，以及在法国里尔举行的2015年E-MRS春季会议和展览。

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