金屬硫化物及其碳修飾在染料敏化太陽能電池對電極中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽能電池以其廉價(jià)的成本,簡單的制備工藝和較高的光電轉(zhuǎn)換效率,受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛的關(guān)注。對電極作為染料敏化太陽能電池的一個(gè)重要組成部分,其成本和性能直接影響著電池的制備成本和光伏性能。常用的對電極材料為貴金屬鉑。鉑電極催化活性高,導(dǎo)電能力強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,但鉑儲(chǔ)量有限且價(jià)格昂貴,不利于染料敏化太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)。因此,探索非鉑、高效的對電極材料對染料敏化太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。本文的主要工作是制備幾種高效的非鉑對電極材料,并研究其在染料敏化太陽能電池體系中的電催化性能。具體研究內(nèi)容如下：(1)提出一種無模板劑可控合成不同相鎳硫化合物的方法,并系統(tǒng)考察這些鎳硫化合物作為對電極催化劑在染料敏化太陽能電池體系中的電化學(xué)性能。通過改變反應(yīng)物中鎳元素與硫元素的摩爾比,實(shí)現(xiàn)了NiS和NiS2空心球的控制合成。由BET比表面積測試可定量得到NiS和NiS2空心球的比表面積。結(jié)果顯示,NiS2的比表面積比NiS的比表面積大近一倍。電化學(xué)分析表明,與NiS電極相比,NiS2電極的電催化活性更高,傳荷電阻更低,電解液中13-離子在其表面的擴(kuò)散阻抗更小。最終,采用NiS2對電極的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率為7.13%,明顯高于基于NiS對電極的電池效率(6.490%)。(2)采用溶劑熱法制備空心球狀的NiS/NiS2復(fù)合對電極材料。電化學(xué)分析表明,NiS/NiS2電極在含有I3-/I-氧化還原對的電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能,可以快速的將I3-還原為I-?；贜iS/NiS2對電極的染料敏化太陽能電池獲得了7.66%的光電轉(zhuǎn)化效率,超過基于貴金屬鉑電極的電池效率(7.01%)。(3)針對NiS納米顆粒易團(tuán)聚,發(fā)展了一種經(jīng)石墨烯(RGO)修飾的NiS/RGO復(fù)合材料。RGO的引入一方面使NiS納米顆粒分散生長在其表面,有效避免顆粒團(tuán)聚。另一方面,RGO發(fā)達(dá)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能為電子的傳輸提供快捷通道,有效減小納米顆粒晶界帶來的不良影響。此外,二維結(jié)構(gòu)的RGO擁有較大的比表面積,利于增加催化活性位置。NiS/RGO復(fù)合材料電極因充分利用NiS的高催化活性與RGO高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。最終,NiS/RGO復(fù)合材料對電極的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率為7.67%,高于NiS(6.25%)和RGO(2.92%)單獨(dú)使用時(shí)的電池效率。(4)針對Bi2S3納米顆粒易團(tuán)聚,導(dǎo)電性不強(qiáng)等問題,構(gòu)建以Bi2S3納米顆粒和無定形碳為組元的Bi2S3-C立體結(jié)構(gòu),并研究其作為對電極材料在染料敏化太陽能電池體系中的電催化性能。由于Bi2S3納米顆粒堆砌,存在大量晶界致使電子在其表面?zhèn)鬏斒芟?。無定形碳的引入,可修飾Bi2S3納米顆粒結(jié)構(gòu)上的不足,碳作為“電橋”連接Bi2S3納米顆粒形成立體微球,為電子的傳輸提供了便利的通道。此外,相比于Bi2S3納米顆粒,Bi2S3-C立體微球具有相互連通的孔結(jié)構(gòu),這更利于電解液中離子的擴(kuò)散。EIS實(shí)驗(yàn)證實(shí),離子在Bi2S3-C微球表面的擴(kuò)散阻抗小于在Bi2S3納米顆粒表面的擴(kuò)散阻抗。優(yōu)化碳含量后,基于Bi2S3-C對電極的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為6.72%,與鉑電極的電池效率相當(dāng)(6.75%),比純Bi2S3電極的電池效率提升了近20%。所以,Bi2S3-C電極是染料敏化太陽能電池鉑對電極的理想替代者。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 對電極 金屬硫化物 碳修飾 性能優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646.54;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-35
• 1.1 染料敏化太陽能電池概述11-13
• 1.1.1 引言11-12
• 1.1.2 染料敏化太陽能電池的發(fā)展歷史12-13
• 1.2 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.3 染料敏化太陽能電池的工作原理14-15
• 1.4 染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展15-27
• 1.4.1 光陽極的研究進(jìn)展15-18
• 1.4.2 染料敏化劑的研究進(jìn)展18-21
• 1.4.3 電解質(zhì)的研究進(jìn)展21-22
• 1.4.4 對電極的研究進(jìn)展22-27
• 1.5 論文的選題意義及研究內(nèi)容27-28
• 參考文獻(xiàn)28-35
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分及性能表征35-48
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器35-37
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品35-36
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器36-37
• 2.2 材料表征37-40
• 2.2.1 X射線衍射分析(XRD)37
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)37-38
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(TEM)38
• 2.2.4 比表面積和孔徑分布測試38-39
• 2.2.5 拉曼光譜分析(Raman)39-40
• 2.3 染料敏化太陽能電池光伏性能測試40-41
• 2.4 染料敏化太陽能電池電化學(xué)性能測試41-46
• 2.4.1 循環(huán)伏安(CV)42-43
• 2.4.2 電化學(xué)阻抗譜(EIS)43-44
• 2.4.3 Tafel極化曲線44-46
• 參考文獻(xiàn)46-48
• 第三章 NiS和NiS_2對電極的制備及其光電性能研究48-66
• 3.1 引言48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程48-50
• 3.2.1 NiS及NiS_2空心球的制備48-49
• 3.2.2 電極的制備及電池的組裝49-50
• 3.2.3 材料的表征和測試50
• 3.3 NiS及NiS_2的表征50-55
• 3.4 電化學(xué)性能測試55-58
• 3.5 光伏性能測試58-59
• 3.6 電池穩(wěn)定性研究59-61
• 3.7 本章小結(jié)61
• 參考文獻(xiàn)61-66
• 第四章 NiS/NiS_2對電極的制備及其光電性能研究66-77
• 4.1 引言66-67
• 4.2 實(shí)驗(yàn)過程67-68
• 4.2.1 NiS/NiS_2復(fù)合材料的制備67
• 4.2.2 電極的制備及電池的組裝67
• 4.2.3 材料的表征和測試67-68
• 4.3 NiS/NiS_2復(fù)合材料的表征68-70
• 4.4 光伏性能測試70
• 4.5 電化學(xué)性能測試70-73
• 4.6 本章小結(jié)73-74
• 參考文獻(xiàn)74-77
• 第五章 RGO修飾NiS納米顆粒及其光電性能研究77-92
• 5.1 引言77-78
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過程78-79
• 5.2.1 氧化石墨(GO)的制備78
• 5.2.2 石墨烯修飾NiS納米顆粒(NiS/RGO)的制備78
• 5.2.3 電極的制備及電池的組裝78-79
• 5.2.4 材料的表征和測試79
• 5.3 NiS/RGO復(fù)合材料的表征79-81
• 5.4 電化學(xué)性能研究81-84
• 5.5 光伏性能研究84-85
• 5.6 不同氧化石墨添加量的電池性能85-88
• 5.7 本章小結(jié)88-89
• 參考文獻(xiàn)89-92
• 第六章 碳修飾Bi_2S_3納米顆粒及其光電性能研究92-110
• 6.1 引言92-93
• 6.2 實(shí)驗(yàn)過程93-94
• 6.2.1 Bi_2S_3-C復(fù)合材料的制備93
• 6.2.2 電極的制備及電池的組裝93-94
• 6.2.3 材料的表征和測試94
• 6.3 Bi_2S_3-C復(fù)合材料的表征94-98
• 6.4 光伏性能研究98-100
• 6.5 電化學(xué)性能研究100-102
• 6.6 協(xié)同機(jī)制102-103
• 6.7 不同碳添加量的電池性能103-106
• 6.8 本章小結(jié)106
• 參考文獻(xiàn)106-110
• 第七章 總結(jié)與展望110-112
• 致謝112-113
• 博士期間公開發(fā)表的論文113-114

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