纖維狀染料敏化太陽能電池低成本對電極的制備及其性能研究

【摘要】：染料敏化太陽電池(Dye-sensitized Solar Cells, DSSCs)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的低成本、高效率光伏技術(shù),在國際上引起了廣泛關(guān)注。近年來,其在制備工藝和光電轉(zhuǎn)化性能方面均取得了顯著進展。然而,傳統(tǒng)平板染料敏化太陽能電池(Planar Dye-sensitized Solar Cells, PDSSCs)往往以硬質(zhì)材料作為基底,其抗外力能力差、空間限制大,制約了其便攜性。纖維狀染料敏化太陽能電池(Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cells, FDSSCs)以柔性的金屬絲、碳纖維等導(dǎo)電纖維作為基底,可采用現(xiàn)有紡織技術(shù)將單根纖維電池組裝成布匹、衣、帽等,實現(xiàn)可穿戴、便攜式太陽能電池模塊化設(shè)計與制備。因此,越來越多的科研工作者專注于FDSSCs的開發(fā)及研究。目前,FDSSCs對電極通常采用導(dǎo)電性好、電催化活性高的鉑(Pt)絲,但其在地殼中儲量少、價格昂貴、制備耗能大,限制了FDSSCs的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。針對這一問題,本文從開發(fā)經(jīng)濟高效非Pt對電極材料的可控制備入手,開展非Pt對電極材料的導(dǎo)電性、催化活性位點和薄膜內(nèi)離子擴散速率研究,實現(xiàn)對電極材料的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)筑。主要研究內(nèi)容如下：(1)采用兩步法在導(dǎo)電碳纖維(Carbon Fiber, CF)基底上構(gòu)筑一層由單晶氮化鈦(TiN)納米片組成的多孔結(jié)構(gòu)薄膜,得到氮化鈦-碳纖維(TiN-CF)的核殼結(jié)構(gòu)纖維對電極。研究結(jié)果表明,以TiN-CF為對電極的FDSSCs轉(zhuǎn)化效率為7.2%,高于Pt絲為對電極的轉(zhuǎn)化效率(6.23%)。TiN單晶結(jié)構(gòu)利于電子快速高效地傳輸；介孔結(jié)構(gòu)TiN納米片交錯地自組裝成的多孔薄膜,具有較多的活性位點和大量的I3-/I-離子擴散通道,從而展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。(2)采用一步水熱法,分別在碳纖維表面原位生長納米帶CoNi2S4 (CoNi2S4-CF)和納米棒CoNi2S4 (CoNi2S4-CF)兩種對電極材料。以納米帶CoNi2S4-CF為對電極的FDSSCs光電轉(zhuǎn)化效率為7.03%,而相同條件下基于Pt線FDSSCs的轉(zhuǎn)化效率為6.45%,表明納米帶CoNi2S4-CF不僅價格低廉且具有良好的導(dǎo)電性及電催化性能。而基于納米棒CoNi2S4-CF的FDSSCs轉(zhuǎn)化效率為4.1%,遠(yuǎn)低于Pt絲及納米帶CoNi2S4-CF為對電極的結(jié)果。納米帶CoNi2S4暴露面具有較多的活性位點,從而表現(xiàn)出較高的電催化性能；而納米棒CoNi2S4暴露面的活性位點較少,使其電催化活性低于納米帶CoNi2S4。(3)在Co、Ni金屬絲表面原位一步生長單晶納米片狀金屬硒化物M0.85Se-M(M=Ni,Co),獲得核殼結(jié)構(gòu)型高性能、低成本對電極。M0.85Se具有的優(yōu)勢：(1)單晶Mo.85Se納米片有利于電子傳輸；(2)自組裝形成的多孔結(jié)構(gòu)增加了其與電解液之間的接觸面積,并有利于13-/I-離子擴散；(3)M00.85Se原位生長在金屬基底上,兩者結(jié)合牢固,電子可以快速有效地轉(zhuǎn)移。因此,基于Co0.85Se-Co和Ni0.85Se-Ni對電極的FDSSCs轉(zhuǎn)化效率分別為6.55%、7.07%,與Pt絲電極的電池效率6.54%相當(dāng)。 【關(guān)鍵詞】：纖維 染料敏化太陽能電池 低成本 對電極 過渡金屬化合物
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-42
• 1.1 前言10-12
• 1.2 染料敏化太陽能電池概述12-17
• 1.2.1 平面狀染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 纖維染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池原理15-17
• 1.3 染料敏化電池的研究現(xiàn)狀17-33
• 1.3.1 光敏劑染料的發(fā)展17-21
• 1.3.1.1 金屬配合物染料18-20
• 1.3.1.2 純有機染料20-21
• 1.3.2 電解質(zhì)21-23
• 1.3.2.1 液態(tài)電解質(zhì)21-22
• 1.3.2.2 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)22
• 1.3.2.3 固態(tài)電解質(zhì)22-23
• 1.3.3 半導(dǎo)體氧化物薄膜的研究進展23-27
• 1.3.3.1 半導(dǎo)體氧化物種類23-24
• 1.3.3.2 半導(dǎo)體氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)24-27
• 1.3.4 對電極的研究進展27-33
• 1.3.4.1 鉑電極28-30
• 1.3.4.2 碳電極30-31
• 1.3.4.3 有機導(dǎo)電聚合物對電極31
• 1.3.4.4 無機化合物對電極31-33
• 1.4 本文的研究思路和主要研究內(nèi)容33-35
• 參考文獻35-42
• 第二章 實驗部分42-54
• 2.1 主要化學(xué)試劑42-43
• 2.2 納米材料的制備方法43-44
• 2.2.1 水熱/溶劑熱法43
• 2.2.2 陽極氧化法43-44
• 2.3 基本物性表征44-46
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)表征44
• 2.3.2 X射線光電子能譜(XPS)表征44
• 2.3.3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)表征44-45
• 2.3.4 透射電子顯微鏡(TEM)表征45
• 2.3.5 比表面積(BET)的測定45
• 2.3.6 紫外-可見漫反射吸收光譜(Uv-Vis)45
• 2.3.7 電化學(xué)測試45-46
• 2.4 染料敏化太陽能電池性能評價46-52
• 2.4.1 染料敏化太陽能電池的制備46-47
• 2.4.2 光電轉(zhuǎn)換效率(I-V)測試47-49
• 2.4.3 單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)測試49-52
• 參考文獻52-54
• 第三章 多孔單晶TiN納米片制備及電化學(xué)性質(zhì)研究54-66
• 3.1 引言54-55
• 3.2 實驗部分55-56
• 3.2.1 TiO_2-CF和TiN-CF樣品的制備55-56
• 3.2.2 纖維工作電極的制備及FDSSCs的組裝56
• 3.2.3 TiO_2-CF和TiN-CF納米片陣列的表征56
• 3.3 結(jié)果與討論56-62
• 3.3.1 TiO_2-CF和TiN-CF樣品FE-SEM和TEM表征56-58
• 3.3.2 TiO_2-CF和TiN-CF樣品XRD圖譜58-59
• 3.3.3 FDSSCs光電轉(zhuǎn)換性能研究59-60
• 3.3.4 TiN-CF,Pt絲和潔凈CF的CV和EIS表征60-62
• 3.4 本章小結(jié)62-63
• 參考文獻63-66
• 第四章 納米帶和納米棒CoNi_2S_4制備及電化學(xué)性質(zhì)的影響66-80
• 4.1 引言66-67
• 4.2 實驗部分67-68
• 4.2.1 CoNi_2S_4-CF的制備67
• 4.2.2 纖維工作電極的制備及FDSSCs的組裝67
• 4.2.3 CoNi_2S_4-CF的表征67-68
• 4.3 結(jié)果與討論68-75
• 4.3.1 CoNi_2S_4-CF樣品FE-SEM和TEM表征68-69
• 4.3.2 CoNi_2S_4-CF的XRD圖譜69-70
• 4.3.3 FDSSCs光電轉(zhuǎn)換性能研究70-72
• 4.3.4 CoNi_2S_4-CF樣品CV表征72-74
• 4.3.5 CoNi_2S_4-CF樣品EIS表征74-75
• 4.4 本章小結(jié)75-76
• 參考文獻76-80
• 第五章 納米片金屬(鈷,鎳)硒化物的制備及電化學(xué)性質(zhì)的研究80-90
• 5.1 引言80-81
• 5.2 實驗部分81-82
• 5.2.1 Co_(0.85)Se和Ni_(0.85)Se納米片薄膜的制備81
• 5.2.2 纖維工作電極的制備及FDSSCs的組裝81
• 5.2.3 Co_(0.85)Se-Co和Ni_(0.85)Se-Ni樣品的表征81-82
• 5.3 結(jié)果與討論82-86
• 5.3.1 Co_(0.85)Se-Co和Ni_(0.85)Se-Ni樣品XRD表征82
• 5.3.2 Co_(0.85)Se-Co和Ni_(0.85)Se-Ni樣品FE-SEM和TEM表征82-84
• 5.3.3 FDSSCs光電轉(zhuǎn)換性能研究84-85
• 5.3.4 對電極的CV表征85
• 5.3.5 對電極的EIS表征85-86
• 5.4 本章小結(jié)86-87
• 參考文獻87-90
• 第六章 結(jié)論與展望90-92
• 附錄92-108
• S1 基于TiO_2納米線陣列工作電極制備及光電性能研究92-100
• S1.1 前言92-93
• S1.2 實驗部分93
• S1.3 結(jié)果與討論93-99
• S1.4 小結(jié)99-100
• S2 石墨烯-二氧化鈦復(fù)合納米材料的制備及光電性能的研究100-106
• S2.1 前言100
• S2.2 實驗部分100-101
• S2.3 結(jié)果與討論101-105
• S2.4 小結(jié)105-106
• 參考文獻106-108
• 攻讀博士期間獲得的學(xué)術(shù)成果和獎勵108-110
• 致謝110-112

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