染料敏化太陽能電池高性能非鉑對電極的構(gòu)筑

【摘要】：隨著化石能源的不斷消耗,環(huán)境問題和能源危機(jī)對人類發(fā)展的威脅越來越嚴(yán)重。太陽能是一種清潔可再生能源,合理利用太陽能是解決人類面臨的環(huán)境問題和能源危機(jī)的首選方案。染料敏化太陽能電池作為新一代光電轉(zhuǎn)化裝置具有制作簡單,光電轉(zhuǎn)化效率高,可透明化等優(yōu)勢,比硅基太陽能電池更適宜普遍使用。染料敏化太陽能電池的對電極通常使用貴金屬鉑。鉑電極導(dǎo)電性能好,電催化活性高,但其價格昂貴,地球儲量也有限,限制了染料敏化太陽能電池大面積應(yīng)用。因此,研究金屬鉑的廉價替代品為推動這種電池進(jìn)一步向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。本文的主要工作是研究新型高性能非鉑對電極材料,探索材料構(gòu)效關(guān)系以及新型電極界面電化學(xué)過程等理論問題。主要內(nèi)容包括以下三個部分。 一、系統(tǒng)考察過渡金屬氮化物作為對電極材料的電化學(xué)性能。采用高溫氮化法制備了氮化鉬,氮化鎢,氮化鐵三種氮化物納米材料,作為對電極材料三種氮化物相應(yīng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率分別為5.57%,3.67%,2.65%。其中MoN性能最佳,與鉑電極性能接近(6.56%)。電化學(xué)分析表明,MoN和WN具有優(yōu)于Pt的本征電催化活性,而Fe2N的催化活性較弱。然而,由納米顆粒堆砌形成的電極膜中離子擴(kuò)散受限,使得i3-在氮化物電極表面的擴(kuò)散阻抗遠(yuǎn)大于Pt電極；且較厚的氮化物膜(大于10μm)對離子還存在較強(qiáng)的吸附作用,導(dǎo)致電極內(nèi)傳質(zhì)過程進(jìn)一步受阻,不利于其電催化性能的發(fā)揮。若進(jìn)一步提高M(jìn)oN電極的電化學(xué)性能,需采取有效方式解決電極膜內(nèi)的傳質(zhì)問題。 二、基于MoN的材料微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控與復(fù)合材料構(gòu)筑。1)構(gòu)筑MoN-CNTs復(fù)合材料,使MoN納米顆粒牢固生長在CNTs表面。此種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)充分利用MoN納米粒子的高催化活性與CNTs形成的發(fā)達(dá)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與傳質(zhì)通道,兩者協(xié)同作用,明顯地改善了電極傳質(zhì)過程。測試結(jié)果證實(shí),離子在復(fù)合材料表面的擴(kuò)散阻抗遠(yuǎn)小于MoN和CNTs。最終,MoN-CNTs復(fù)合材料做對電極的染料敏化太陽能電池其光電轉(zhuǎn)化效率為6.74%,明顯高于MoN(5.57%)和CNTs(5.79%)單獨(dú)使用時的效率。2)通過高溫氮化有機(jī)-無機(jī)雜化的鉬化合物納米纖維,構(gòu)筑了多孔納米棒結(jié)構(gòu)的MoN材料。這種結(jié)構(gòu)的MoN材料繼承了MoN高的本征電催化活性,同時,相對于MoN納米顆粒具有更大的孔隙率,其相互連通的孔結(jié)構(gòu)更有利于離子的擴(kuò)散。EIS測試結(jié)果證明,離子在多孔MoN納米棒表面的擴(kuò)散阻抗遠(yuǎn)小于MoN納米顆粒。多孔MoN納米棒做對電極的染料敏化太陽能電池其光電轉(zhuǎn)化效率為7.29%,遠(yuǎn)高于MoN納米顆粒(6.48%),而與傳統(tǒng)Pt電極相當(dāng)(7.42%)。 三、新型對電極的透明化研究。透明的太陽能電池必需選用透明的對電極,透明電極必需兼具良好的電化學(xué)性能和透光性。1)采用過渡金屬硫化物可溶性前驅(qū)體制膜,經(jīng)高溫反應(yīng)得到硫化鎳,硫化鉆和硫化鐵薄膜電極。通過控制硫化物膜厚度使電極具有良好的透光性。由于有機(jī)物的限制,硫化鎳晶粒保持在10nm左右的小尺寸,有利于更多活性位的形成；同時有機(jī)物分解產(chǎn)生的碳均勻分散在硫化鎳膜中,能夠增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性。結(jié)果表明,硫化鎳厚度100nm時,具有最優(yōu)的電化學(xué)性能,光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.37%,甚至大于熱分解法制備的鉑電極(7.20%),同時該電極的透光率達(dá)到80%以上。硫化鈷電極對應(yīng)電池最高光電轉(zhuǎn)化效率為5.98%,但電極透光度稍低,只有50%。硫化鐵電極對應(yīng)的電池最高光電轉(zhuǎn)化效率為4.00%,電極透光度達(dá)90%以上。2)采用磁控濺射法制備了高性能透明Ni2N電極。在濺射金屬鎳的過程中通入氮?dú)?使氮原子滲入鎳的晶格。隨著氮原子的滲入量變化,氮化鎳的結(jié)構(gòu)和形貌都表現(xiàn)出明顯的不同。當(dāng)?shù)獨(dú)鉂B入量達(dá)到一定程度時,能夠形成整化學(xué)比的Ni2N小顆粒。Ni2N具有較強(qiáng)的電催化活性,納米級的膜有利于電解液在電極表面擴(kuò)散。其相應(yīng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率為6.84%,高于磁控濺射制備的Pt電極(6.42%)；同時,電極透光率也較高,達(dá)到85%以上。 總之,本文在探明金屬氮化物電催化性能的基礎(chǔ)上,通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控或材料復(fù)合化,制得了具有較高電化學(xué)性能的新型非鉑對電極材料；同時,基于金屬硫化物或氮化物制備了兼具電化學(xué)性能和透光性的透明對電極。這些工作為發(fā)展實(shí)用的廉價易得的高性能非鉑對電極材料奠定了理論基礎(chǔ)和實(shí)際指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 對電極 電催化 電極傳質(zhì)動力學(xué) 透光性
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-48
• 第一節(jié) 染料敏化太陽能電池概述13-15
• 1.1.1 引言13-14
• 1.1.2 染料敏化太陽能電池發(fā)展歷程14-15
• 第二節(jié) 染料敏化太陽能電池的構(gòu)造及工作原理15-19
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的構(gòu)造15-17
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池工作原理17-19
• 第三節(jié) 染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展19-36
• 1.3.1 光陽極半導(dǎo)體膜的研究進(jìn)展19-23
• 1.3.2 染料的研究進(jìn)展23-24
• 1.3.3 電解液的研究進(jìn)展24-26
• 1.3.4 對電極的研究進(jìn)展26-36
• 第四節(jié) 本論文的選題意義和主要研究內(nèi)容36-38
• 參考文獻(xiàn)38-48
• 第二章 實(shí)驗方法48-57
• 第一節(jié) 實(shí)驗用材料和儀器48-49
• 2.1.1 實(shí)驗用主要材料48-49
• 2.1.2 使用儀器49
• 第二節(jié) 染料敏化太陽能電池組裝方法49-51
• 2.2.1 導(dǎo)電基底50
• 2.2.2 光陽極制備50
• 2.2.3 對電極制備50-51
• 2.2.4 電解液配制51
• 2.2.5 染料敏化太陽能電池組裝51
• 第三節(jié) 材料結(jié)構(gòu)表征分析方法51-53
• 2.3.1 X射線衍射分析(XRD)51-52
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡測試(SEM)52
• 2.3.3 透射電子顯微鏡測試(TEM)52
• 2.3.4 X射線光電子能譜分析(XPS)52-53
• 2.3.5 拉曼光譜分析(Raman)53
• 2.3.6 樣品比表面測試(BET)53
• 第四節(jié) 染料敏化太陽電池性能評價53-54
• 第五節(jié) 電極材料電化學(xué)測試分析54-55
• 2.5.1 循環(huán)伏安測試(CV)54-55
• 2.5.2 交流阻抗測試(EIS)55
• 參考文獻(xiàn)55-57
• 第三章 過渡金屬氮化物做對電極材料的研究57-71
• 第一節(jié) 引言57
• 第二節(jié) 實(shí)驗部分57-59
• 第三節(jié) 過渡金屬氮化物的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能59-66
• 第四節(jié) 本章小結(jié)66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 第四章 高性能氮化鉬電極材料的構(gòu)筑71-91
• 第一節(jié) 引言71-72
• 第二節(jié) 實(shí)驗部分72-73
• 第三節(jié) MoN-CNTs復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能73-81
• 第四節(jié) 多孔MoN納米棒的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能81-86
• 第五節(jié) 本章小結(jié)86-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 第五章 染料敏化太陽能電池高效透明對電極的研究91-122
• 第一節(jié) 引言91-92
• 第二節(jié) 實(shí)驗部分92-94
• 第三節(jié) 過渡金屬硫化物透明電極的結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能94-106
• 第四節(jié) 氮化鎳透明電極結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能106-117
• 第五節(jié) 本章小結(jié)117-118
• 參考文獻(xiàn)118-122
• 第六章 結(jié)論122-124
• 致謝124-125
• 個人簡歷及攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的研究成果125

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來了解更多相關(guān)內(nèi)容

染料敏化太陽能電池柔性對電極的研究進(jìn)展    竹懷君;黃光勝;

共用一對電極同時測量心電和呼吸的方法    趙維信;

染料敏化太陽能電池對電極的研究進(jìn)展    李國;胡志強(qiáng);高巖;劉敬肖;劉貴山;

基于不同濃度鉑對電極的染料敏化太陽能電池的性能研究    黃光勝;阮曉莉;竹懷君;

染料敏化太陽能電池對電極    李靖;孫明軒;張曉艷;崔曉莉;

染料敏化太陽能電池低鉑對電極的制備和性能    馬換梅;田建華;劉懿平;單忠強(qiáng);

染料敏化太陽能電池碳對電極的制備及性能    楊盼;許晨陽;林紅;趙曉沖;李建保;

低溫制備高效透明鉑對電極及其在柔性染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    肖堯明;吳季懷;程存喜;陳媛;岳根田;林建明;黃妙良;范樂慶;蘭章;

附著性能優(yōu)異的碳對電極的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    儲玲玲;高玉榮;武明星;王琳琳;馬廷麗;

染料敏化太陽能電池用聚苯胺/石墨復(fù)合對電極的制備與性能研究    丁雨田;尚興記;王璟;胡勇;張增明;謝榮艷;

高性能柔性載鉑對電極的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    傅年慶;林原;

新型、高效染料敏化太陽能電池碳對電極    羅艷紅;劉喜哲;黃振;孟慶波;

新型固態(tài)染料敏化太陽能電池對電極設(shè)計及聚吡咯對電極研究    夏江濱;陳玲;

一步法水熱合成氧化亞銅對電極及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    郭霜霜;陳維林;王恩波;

電沉積釕作為染料敏化太陽能電池對電極研究    張三兵;李作鵬;

金屬氮化物作為高效染料敏化太陽能電池對電極的研究    崔光磊;徐紅霞;張小影;張中一;逄淑平;

低成本對電極的制備及染料敏化太陽能電池研究    陳洪燕;張騰龍;匡代彬;蘇成勇;

染料敏化太陽能電池用聚吡咯/織物對電極的制備及性能    許杰;李梅霞;祝立根;徐衛(wèi)林;柏自奎;

低溫制備染料敏化太陽能電池碳對電極    李可心;李冬梅;羅艷紅;孟慶波;

染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極    王桂強(qiáng);形偉;禚淑萍;

染料敏化太陽能電池新型對電極材料研究    姜奇?zhèn)?/span>

染料敏化太陽能電池磷化物/碳對電極材料的研究    竇衍葉

染料敏化太陽能電池對電極的制備及其性能研究    朱磊

染料敏化太陽能電池新型對電極材料的制備和研究    宮峰

碳材料對電極在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    胡浩

基于異質(zhì)結(jié)和導(dǎo)電聚合物對電極的染料敏化太陽能電池研究    岳根田

染料敏化太陽能電池用聚苯胺電解質(zhì)及對電極的制備與性能研究    秦琦

染料敏化太陽能電池高性能非鉑對電極的構(gòu)筑    宋健

介觀太陽能電池碳對電極研究    劉廣輝

染料敏化太陽能電池準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)及碳基對電極研究    張丁文

染料敏化太陽能電池的對電極研究    劉小東

電化學(xué)法制備染料敏化太陽能電池中的納米結(jié)構(gòu)聚苯胺薄膜對電極    圖布新

染料敏化太陽能電池柔性對電極的制備及性能研究    竹懷君

染料敏化太陽能電池微鉑對電極的制備與性能    馬換梅

染料敏化太陽能電池中低成本對電極的研究    王宇迪

染料敏化太陽能電池對電極材料的合成及性能研究    陶文光

染料敏化太陽能電池對電極材料研究    郭霜霜

染料敏化太陽能電池新型對電極材料的結(jié)構(gòu)可控設(shè)計與應(yīng)用    張楠楠

染料敏化太陽能電池炭對電極的研究    王德龍

無機(jī)/導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合對電極的制備與性能研究    劉茜茜