染料敏化太阳能电池新型对电极材料的制备和研究

【摘要】：自1991年瑞士洛桑联邦理工学院Gratzel教授领导的研究小组取得突破性进展,染料敏化太阳能电池(DSSC)以其低廉的价格、简单的封装工艺、环境友好的原料、相对较高的能量转化效率等优势,被认为是最有希望取代传统硅基太阳能电池的新一代光伏器件,从而引起了学术界及工业界极大的研究兴趣。对电极在DSSC工作过程中起到了催化还原氧化态电解质的重要作用,其导电能力、电催化活性、化学稳定性等方面的性能很大程度上决定了电池的光伏性能。传统对电极是由一块镀铂(Pt)的导电玻璃充当,但由于Pt是贵金属,且Pt电极的制备耗能较高,极大的限制了DSSC的大规模应用。因此,通过相对简单的方法,制备新型廉价、高效的对电极材料,对DSSC的实际应用具有十分重大的意义。本文以不同类型的对电极材料为研究对象,开展了以下具有创新性的研究工作： (1)利用石墨烯纳米片(GNS)、[PtCl6]2带负电荷的特性,通过与带正电荷的聚电解质——聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)静电层层自组装的方法,在FTO导电玻璃上制备了结构为FTO/PDDA/GNS/PDDA/[PtCl6]2-的自组装超薄膜,最后经过高温烧结后形成结构为FTO/GNS/Pt的电极,并作为对电极应用于DSSC。根据电化学表征以及电池光伏性能的表征结果,我们发现FTO/GNS/Pt电极Pt负载量仅为溅射Pt电极的千分之一,其光伏性能可达溅射Pt电极的～94%(7.66%vs.8.16%)。该方法制备的FTO/GNS/Pt对电极,不仅Pt负载量极低,且工艺相对简单、耗能低,具有较高的性价比； (2)通过氧化还原法制备了GNS/SiO2纳米颗粒复合材料,由于制备过程无需添加表面活性剂、粘接剂等辅助材料,GNS/SiO2复合物的悬浮液可以直接滴涂于FTO导电玻璃上,无需高温烧结等后处理,直接作为对电极应用于DSSC。由于Si02纳米颗粒的存在,GNS在沉积成膜的过程中无法形成紧密堆积的结构,而是形成介孔结构,这极大的提高了石墨烯对电极与电解质的接触面积,使得内层石墨烯上的催化活性位点得以发挥作用。根据电化学以及电池光伏性能表征的结果,我们发现,相比于纯GNS电极,在石墨烯负载量相同的条件下,具有介孔结构的(GNS/SiO2对电极光伏性能大大优于纯GNS电极(6.82%vs.4.02%),能量转化效率可达Pt电极相应DSSC的90%以上； (3)通过氧化还原聚合的方法合成了聚吡咯(PPy)纳米颗粒,然后将氧化石墨烯(GO)与PPy复合后制备了GO/PPy薄膜,再用原位还原的方式将该薄膜在肼溶液中还原,转变为还原态的氧化石墨烯(RGO)与PPy的复合物(RGO/PPy)薄膜,最后通过盐酸掺杂PPy后作为对电极应用于DSSC。通过电化学行为的表征证实,RGO纳米片的存在,很大程度上改善了PPy纳米颗粒之间电荷传输受到界面阻碍的问题,显著提高了PPy薄膜的导电能力,降低了界面电阻,电荷传输性能明显增强。DSSC的光伏性能方面,RGO/PPy对电极相比于纯PPy,在短路光电流和填充因子方面有明显的提高,这要归结于RGO对PPy薄膜电荷传输性能的增强。RGO/PPy组装的DSSC,能量转化效率达到8.14%,明显高于纯PPy作对电极的电池(7.11%),可与Pt电极相应的DSSC昆美(8.34%)。 (4)通过一步水热合成,成功制备了原位生长的金属硒化物(Co0.85Se和Ni0.85Se)对电极,该方法制备的对电极,催化材料在导电基底上分散均匀,电极透明度高,反应条件温和,无需任何后处理,是一种极为简单、新颖的制备对电极的方法。该法制备的类似石墨烯结构的片状Co0.85Se对电极,具有极高的电催化活性和化学稳定性,相应的DSSC能量转化效率可达9.4%,据我们所知,这是已报导的基于碘电解质并采用非Pt对电极的DSSC最高效率。该方法制备的金属硒化物对电极不仅原料成本低,而且生产工艺十分简单、耗能低,具有较高的性价比,极为适合大规模生产,展现出极大的应用潜力。 (5)通过一步水热合成,成功的制备了NiSe2晶体,并应用于DSSC的对电极,并提出一种较为严格、客观的比较对电极材料催化能力的方法：即严格控制新催化材料的负载量,使得新材料对电极的活性表面积与参比对电极(一般是Pt电极)相同,在该条件下比较研究了NiSe2对电极和传统Pt电极对I3-离子还原的催化性能。通过一系列电化学行为的表征测试,NiSe2晶体展现出良好的电催化活性以及化学稳定性,相应的DSSC能量转化效率达到8.69%,要高于相同条件下使用Pt电极的DSSC(8.04%)。我们提出的比较新型对电极材料电催化活性的方法,对于正确评价材料的电催化活性,探索高性能的对电极材料具有重要意义。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 电催化剂 催化活性 光伏表现 铂 石墨烯 聚吡咯 硒化钴 硒化镍
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-43
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 DSSC工作原理11-13
• 1.3 DSSC的基本概念和表征13-15
• 1.3.1 大气质量数13-14
• 1.3.2 光电转化效率14
• 1.3.3 输出光电流-电压曲线14-15
• 1.4 光阳极材料15-19
• 1.5 染料敏化剂19-21
• 1.6 对电极21-32
• 1.6.1 铂对电极22-24
• 1.6.2 碳材料对电极24-26
• 1.6.3 导电聚合物对电极26-28
• 1.6.4 无机化合物对电极28-32
• 1.7 论文的选题意义及主要研究内容32-33
• 参考文献33-43
• 第二章 实验部分43-49
• 2.1 试剂与仪器43-45
• 2.2 TiO_2浆料的制备45-46
• 2.3 TiO_2光阳极的制备46
• 2.4 液态电解质的配制46
• 2.5 热解铂对电极的制备46-47
• 2.6 电池的封装47
• 2.7 电池的光电性能测试47
• 2.8 氧化石墨以及石墨烯悬浮液的合成47-48
• 参考文献48-49
• 第三章 静电层层自组装法制备石墨烯/铂超薄对电极49-66
• 3.1 引言49
• 3.2 实验部分49-51
• 3.2.1 氧化石墨(GO)以及石墨烯(GNS)的表征49-50
• 3.2.2 静电层层自组装制备对电极50-51
• 3.2.3 对电极的表征与测试51
• 3.3 结果与讨论51-63
• 3.3.1 GO和GNS的表征51-53
• 3.3.2 薄膜自组装的过程53-55
• 3.3.3 自组装薄膜的形貌55-57
• 3.3.4 自组装薄膜的电化学行为表征57-61
• 3.3.5 对电极的光伏性能的表征61-63
• 3.4 本章小结63-64
• 参考文献64-66
• 第四章 介孔石墨烯对电极66-79
• 4.1 引言66
• 4.2 实验部分66-68
• 4.2.1 GNS和GNS/SiO_2悬浮液的制备66-67
• 4.2.2 GNS和GNS/SiO_2对电极的制备以及DSSCs的组装67
• 4.2.3 GNS和GNS/SiO_2对电极的表征及光伏性能测试67-68
• 4.3 结果与讨论68-77
• 4.3.1 GNS和GNS/SiO_2的表征68-70
• 4.3.2 GNS和GNS/SiO_2的多孔性分析70-71
• 4.3.3 对电极的电化学行为71-76
• 4.3.4 DSSC的性能表征76-77
• 4.4 本章小结77
• 参考文献77-79
• 第五章 石墨烯/聚吡咯纳米复合材料对电极79-94
• 5.1 引言79-80
• 5.2 实验部分80-81
• 5.2.1 PPy纳米颗粒、PPy/GO悬浮液以及对电极的制备80
• 5.2.2 对电极的表征及光伏性能测试80-81
• 5.3 结果与讨论81-92
• 5.3.1 PPy、GO/PPy和RGO/PPy的表征81-84
• 5.3.2 对电极的电化学行为84-90
• 5.3.3 DSSC的性能表征90-92
• 5.4 本章小结92
• 参考文献92-94
• 第六章 原位制备Co_(0.85)Se和Ni_(0.85)Se对电极94-115
• 6.1 引言94
• 6.2 实验部分94-95
• 6.2.1 金属硒化物以及Pt对电极的制备94-95
• 6.2.2 对电极的表征及光伏性能测试95
• 6.3 结果与讨论95-110
• 6.3.1 反应产物以及对电极的表征95-99
• 6.3.2 DSSCs的性能表征99-100
• 6.3.3 对电极的电化学表征100-110
• 6.4 本章小结110
• 参考文献110-115
• 第七章 NiSe_2对电极的性能研究和表征115-125
• 7.1 引言115
• 7.2 实验部分115-116
• 7.2.1 NiSe_2以及Pt对电极的制备115-116
• 7.2.2 对电极的表征及光伏性能测试116
• 7.3 结果与讨论116-123
• 7.3.1 反应产物的表征116-118
• 7.3.2 对电极的电化学表征118-122
• 7.3.3 对电极的光伏性能122-123
• 7.4 本章小结123-124
• 参考文献124-125
• 全文总结125-127
• 攻读博士学位期间已取得的研究成果127-129
• 致谢129-130

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

染料敏化太阳能电池中的光电极制备技术    唐笑;钱觉时;黄佳木;

染料敏化太阳能电池对电极的研究进展    尹艳红;许泽辉;冯磊硕;杨书廷;李承斌;

染料敏化太阳电池中TiO_2光阳极研究进展    赵勇;盛显良;翟锦;

石墨烯薄膜的制备和结构表征    杨勇辉;孙红娟;彭同江;黄桥;

抑制染料聚集优化染料敏化太阳能电池器件的研究    李晶

光敏染料用于太阳能电池的研究    周娴;潘华锦;

大小颗粒TiO_2复合制备纳晶薄膜电极及其性能研究    郑文耀;侯丽新;刘贤豪;

Triton X-100对染料敏化太阳电池性能影响的研究    张苑;蔡宁;赵颖;赵大伟;刘广陆;纪伟伟;杨瑞霞;

THF改性反胶团微乳液法制备纳米TiO_2多孔薄膜的性能    王智;王华;唐笑;钱觉时;黄佳木;

染料敏化太阳能电池及TiO_2薄膜材料研究进展    李丽;张贵友;陈人杰;陈实;吴锋;

基于不同浓度铂对电极的染料敏化太阳能电池的性能研究    黄光胜;阮晓莉;竹怀君;

染料敏化纳米薄膜太阳能电池    周娴;潘华锦;

热膨胀剥离法制备石墨烯及其表征    刘晓文;黄雪梅;华燕莉;赵皇;高海青;

试析太阳能电池发展的新方向与新概念    裴铁鹏;

掺氮石墨烯的溶剂热制备及对抗坏血酸氧化的电催化性能    康辉;罗民;梁斌;窦元运;梁森;丁肖怡;

Pd/Graphene/堇青石整体式催化剂的制备与性能研究    朱玉超;周永华;叶红齐;

石墨烯及氧化石墨烯包覆二氧化硅高效液相色谱固定相的制备及其保留机理研究    张晓琼;丁明玉;

DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化    王耀琼

染料敏化太阳能电池用聚苯胺电解质及对电极的制备与性能研究    秦琦

改性纳米TiO_2及硫电解液用于敏化太阳能电池的研究    李玲

带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    郝艳

双D-π-A结构芳胺类染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究    洪艳平

四氢喹啉类光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    陈瑞奎

芳胺类光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    田海宁

三苯胺类光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    裴娟

芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太阳能电池中的应用    滕超

金属氧化物纳米管阵列的阳极氧化制备、表征及在能量储存与转化器件中的应用    谢科予

染料敏化太阳能电池电极改性研究    石德晖

含三苯胺、噁二唑聚噻吩衍生物和双给体有机染料的合成及光伏性能研究    陈华杰

D-π-A结构的超支化聚合物和线型双给体有机染料的合成及光伏性能研究    唐宇华

半导体材料改性与染料敏化太阳能电池组装与性能测试    张坤峰

纳米氧化钛粉的控制制备及染料敏化太阳能电池的研究    徐敏

侧链近红外有机光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    周美珍

高效低成本染料敏化太阳能电池离子液体电解质研究    陈卓

过渡金属掺杂TiO_2制备工艺、结构及磁特性研究    张海峰

TiO_2纳米晶薄膜电极的表面修饰和光电化学性质    王纪超

基于DSSC光阳极二氧化钛的制备、改性及光电性能研究    胡希

能源转换与储能装置的若干关键电极材料(2)    刘业翔

阴极修饰对染料敏化TiO_2太阳能电池性能的改进    范乐庆,吴季怀,黄昀昉,林建明

汞溴红敏化TiO_2纳米多孔膜电极的光电化学性质研究    刘兆阅,潘凯,杨敏,王德军,白玉白

温度对不同电解质的大面积DSCs电池性能的影响    戴松元,陈双宏,肖尚锋,史成武,黄阳,孔凡太,胡林华,潘旭,翁坚,郭力,王孔嘉

敏化剂修饰纳米晶TiO_2多孔膜电极的光电化学行为    柳闽生,詹寿发,帅敏,严晓华,蔡生民,郝彦忠

染料敏化纳米太阳能电池    李斌,邱勇

染料敏化太阳能电池的二氧化钛膜性能研究    范乐庆,吴季怀,黄昀昉,林建明

TiO_2薄膜的制备方法及其对染料敏化太阳电池性能的影响    蓝鼎,罗欣莲,万发荣,龙毅

铂修饰光阴极及其在纳晶太阳能电池中的应用    郝三存,吴季怀,林建明,黄昀昉

新型含有多氰基受体单元的近红外敏化染料的合成及其光伏性能研究    何立;刘博;陈宇;朱为宏;

染料敏化太阳能电池柔性对电极的研究进展    竹怀君;黄光胜;

共用一对电极同时测量心电和呼吸的方法    赵维信;

染料敏化太阳能电池对电极的研究进展    李国;胡志强;高岩;刘敬肖;刘贵山;

基于不同浓度铂对电极的染料敏化太阳能电池的性能研究    黄光胜;阮晓莉;竹怀君;

染料敏化太阳能电池对电极    李靖;孙明轩;张晓艳;崔晓莉;

染料敏化太阳能电池低铂对电极的制备和性能    马换梅;田建华;刘懿平;单忠强;

染料敏化太阳能电池碳对电极的制备及性能    杨盼;许晨阳;林红;赵晓冲;李建保;

低温制备高效透明铂对电极及其在柔性染料敏化太阳能电池中的应用    肖尧明;吴季怀;程存喜;陈媛;岳根田;林建明;黄妙良;范乐庆;兰章;

附着性能优异的碳对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用    储玲玲;高玉荣;武明星;王琳琳;马廷丽;

染料敏化太阳能电池用聚苯胺/石墨复合对电极的制备与性能研究    丁雨田;尚兴记;王璟;胡勇;张增明;谢荣艳;

高性能柔性载铂对电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用    傅年庆;林原;

新型、高效染料敏化太阳能电池碳对电极    罗艳红;刘喜哲;黄振;孟庆波;

新型固态染料敏化太阳能电池对电极设计及聚吡咯对电极研究    夏江滨;陈玲;

一步法水热合成氧化亚铜对电极及其在染料敏化太阳能电池中的应用    郭霜霜;陈维林;王恩波;

电沉积钌作为染料敏化太阳能电池对电极研究    张三兵;李作鹏;

金属氮化物作为高效染料敏化太阳能电池对电极的研究    崔光磊;徐红霞;张小影;张中一;逄淑平;

低成本对电极的制备及染料敏化太阳能电池研究    陈洪燕;张腾龙;匡代彬;苏成勇;

染料敏化太阳能电池用聚吡咯/织物对电极的制备及性能    许杰;李梅霞;祝立根;徐卫林;柏自奎;

低温制备染料敏化太阳能电池碳对电极    李可心;李冬梅;罗艳红;孟庆波;

染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极    王桂强;形伟;禚淑萍;

染料敏化太阳能电池新型对电极材料研究    姜奇伟

染料敏化太阳能电池磷化物/碳对电极材料的研究    窦衍叶

染料敏化太阳能电池对电极的制备及其性能研究    朱磊

染料敏化太阳能电池新型对电极材料的制备和研究    宫峰

碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用    胡浩

基于异质结和导电聚合物对电极的染料敏化太阳能电池研究    岳根田

染料敏化太阳能电池用聚苯胺电解质及对电极的制备与性能研究    秦琦

介观太阳能电池碳对电极研究    刘广辉

染料敏化太阳能电池准固态电解质及碳基对电极研究    张丁文

纳米碳材料的制备及在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究    曾玮

染料敏化太阳能电池的对电极研究    刘小东

电化学法制备染料敏化太阳能电池中的纳米结构聚苯胺薄膜对电极    图布新

染料敏化太阳能电池柔性对电极的制备及性能研究    竹怀君

染料敏化太阳能电池微铂对电极的制备与性能    马换梅

染料敏化太阳能电池中低成本对电极的研究    王宇迪

染料敏化太阳能电池对电极材料的合成及性能研究    陶文光

染料敏化太阳能电池对电极材料研究    郭霜霜

染料敏化太阳能电池新型对电极材料的结构可控设计与应用    张楠楠

染料敏化太阳能电池炭对电极的研究    王德龙

染料敏化太阳能电池碳对电极的研究    卫艳双