高效低成本氧化鎢及碳電極材料的開發(fā)及在新型薄膜太陽能電池中的應(yīng)用研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells, DSCs)和有機-無機鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cells, PSCs)由于具有制作工藝簡單,理論能量轉(zhuǎn)化效率高,成本較低等優(yōu)點,是非常有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N新型薄膜太陽能電池。經(jīng)過世界各國科學(xué)家的不斷努力,目前DSCs和PSCs的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)分別達到了13%和19%。 DSCs中的對電極和PSCs中的背電極是整個光伏器件結(jié)構(gòu)中重要的組成部分,除了形成整個電池回路的作用之外,它們分別起著催化還原電解質(zhì)中氧化態(tài)組分和收集空穴的作用。DSCs對電極催化材料通常為Pt,PSCs背電極通常為Au或者Ag。然而,這些材料的使用存在諸多問題。首先,Pt、Au、Ag是貴金屬,價格昂貴且儲量有限,勢必影響到未來的大規(guī)模生產(chǎn)。其次,Pt對電極易被DSCs電解質(zhì)中的I-/I3腐蝕,而Ag背電極在PSCs中容易被有機-無機鈣鈦礦腐蝕,因此影響了DSCs和PSCs的穩(wěn)定性。為了提高穩(wěn)定性以及降低DSCs、PSCs成本,需要開發(fā)出高效、低成本、耐腐蝕的非貴金屬對電極和背電極材料。同時需要深入研究電池材料在器件中的作用和催化機制以及影響因素,以便為新材料的開發(fā)提供一定理論的指導(dǎo)意義。 本論文首先開發(fā)了新型高效低成本的氧化鎢對電極,從化學(xué)組成、形貌、表面結(jié)構(gòu)三個重要的角度深入研究了其對催化和DSCs性能的影響機制。為了進一步降低電池的成本、提高穩(wěn)定性,成功制備了基于廉價碳材料的Pt-free和ITO-free的柔性對電極并研究了其在擬固態(tài)電解質(zhì)中的催化和DSCs性能。同時將上述廉價碳材料經(jīng)過簡易的溶劑交換法,制備了適合有機-無機鈣鈦礦太陽能電池體系的低溫導(dǎo)電碳漿,從而成功構(gòu)建了基于碳背電極的HTM-free和metal-free的介觀異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池和平板異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池,并詳細(xì)研究了兩種器件的光電性能、界面電子-空穴分離與收集、長期穩(wěn)定性等問題。本論文的主要研究成果如下： (一)氧化鎢納米材料的開發(fā)及在DSCs中的應(yīng)用研究 (1)開發(fā)了新型W02.72對電極催化材料,與已報道的非鉑對電極不同,W02.72對電極在四種氧化還原電對中均表現(xiàn)出較好的催化和較高的DSCs性能,并發(fā)現(xiàn)了對電極與不同氧化還原電對之間存在著匹配關(guān)系。 (2)采用簡單的、無模板溶劑熱法可控合成了一維納米線WO2.72。與三維多級結(jié)構(gòu)相比,納米線對電極具有兩大突出特點：一是納米線沿[010]晶向高度擇優(yōu)生長,有利于電子的快速傳導(dǎo)和活性位點暴露；二是納米線交織形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于氧化還原電對的接觸和擴散。因此,一維納米線結(jié)構(gòu)不但對I-/I3-電對表現(xiàn)出類鉑的催化和DSCs性能并且對體積較大、擴散較慢的鈷配合物和二茂鐵電對也表現(xiàn)出較好的催化和DSCs性能。 (3)進一步深入研究了WO272納米線的催化活性位點,發(fā)現(xiàn)表面氧空位是I-/I3-電對還原反應(yīng)有效的催化活性位點。WO2.72NWS對電極中表面氧空位被填充后,由其組裝的DSCs的PCE明顯下降。 (二)碳背電極的開發(fā)及在HTM-free和metal-free異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池(HJ-PSCs)中的應(yīng)用研究 (1)開發(fā)了低溫即可制備的高性能碳背電極,并詳細(xì)考察了碳背電極膜厚對其導(dǎo)電性和由其制備的PSCs光電性能的影響,研究了界面電子-空穴分離與收集,并研究了該種器件結(jié)構(gòu)能夠大幅改善器件耐久性的要因。研究發(fā)現(xiàn)該種碳背電極表面具有疏水性,可以有效抵御外部水分子對有機-無機鈣鈦礦三維晶體結(jié)構(gòu)的破壞。該種電池在空氣和高濕度環(huán)境中均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,在空氣中該種電池2000小時后未觀察到光電性能有明顯的劣化。上述研究結(jié)果為鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)研究、耐久性改善和應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。 (2)進一步成功構(gòu)建了全低溫溶液法制備的ZnO/CH3NH3PbI3/C平板異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池(planar heterojunction perovskite solar cells, PHJ-PSCs),并對其結(jié)構(gòu)及光電性能進行了研究。不僅剛性器件的能量轉(zhuǎn)化效率與已報道的基于Au背電極HTM-free的介觀異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池性能相當(dāng),而且開發(fā)的柔性器件的抗彎曲性能優(yōu)越。這種全低溫溶液法不但制作方法簡單,而且成本低廉,為柔性電池的研究探索了一條新途徑。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 有機-無機鈣鈦礦太陽能電池 對電極 氧化鎢 碳電極
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(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4-6
• ABSTRACT6-13
• TABLE OF CONTENTS13-16
• 圖目錄16-21
• 表目錄21-22
• 主要符號表22-23
• 1 緒論23-63
• 1.1 太陽能與太陽能電池23-26
• 1.1.1 太陽能基本介紹23-25
• 1.1.2 太陽能電池分類25-26
• 1.2 染料敏化太陽能電池(DSCs)26-48
• 1.2.1 基本結(jié)構(gòu)26-27
• 1.2.2 工作原理27-29
• 1.2.3 性能參數(shù)29-30
• 1.2.4 表征及測試方法30-33
• 1.2.5 各組件研究現(xiàn)狀33-48
• 1.3 有機-無機鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)48-57
• 1.3.1 基本結(jié)構(gòu)48-49
• 1.3.2 工作原理49-50
• 1.3.3 各組件研究現(xiàn)狀50-57
• 1.4 氧化鎢與碳材料在DSCs和PSCs中的研究進展57-61
• 1.4.1 氧化鎢的主要性質(zhì)及其在DSCs中的研究進展57-59
• 1.4.2 碳材料在DSCs和PSCs中的研究進展59-61
• 1.5 本論文選題依據(jù)、研究內(nèi)容及意義61-63
• 2 WO_(2.72 )納米棒(NRBs)的合成及其在DSCs中的應(yīng)用研究63-76
• 2.1 引言63-64
• 2.2 實驗部分64-66
• 2.2.1 材料、試劑64
• 2.2.2 WO_(2.72)NRBs的合成64-65
• 2.2.3 WO_3納米晶的合成65
• 2.2.4 電極制備與電池組裝65-66
• 2.3 結(jié)果與討論66-75
• 2.3.1 微觀形貌及晶相結(jié)構(gòu)66-69
• 2.3.2 WO_(2.72)NRBs在DSCs中的應(yīng)用69-75
• 2.4 本章小結(jié)75-76
• 3 WO_(2.72 )形貌調(diào)控及其對DSCs及催化性能影響研究76-88
• 3.1 引言76
• 3.2 實驗部分76-77
• 3.2.1 材料、試劑76
• 3.2.2 形貌調(diào)控76-77
• 3.2.3 電極制備與電池組裝77
• 3.3 結(jié)果與討論77-87
• 3.3.1 微觀形貌、晶相結(jié)構(gòu)及形成機理模型77-81
• 3.3.2 不同形貌WO_(2.72)在DSCs中的應(yīng)用研究81-84
• 3.3.3 WO_(2,72)NWs結(jié)構(gòu)破壞對DSCs及催化性能的影響研究84-86
• 3.3.4 WO_(2.72)NWs初期穩(wěn)定性86-87
• 3.4 本章小結(jié)87-88
• 4 WO_(2.72 )NWs對電極在鈷和鐵配合物電對DSCs中的應(yīng)用研究88-95
• 4.1 引言88
• 4.2 實驗部分88-89
• 4.2.1 材料、試劑88-89
• 4.2.2 電極制備與電池組裝89
• 4.3 結(jié)果與討論89-94
• 4.3.1 循環(huán)伏安特性曲線研究89-91
• 4.3.2 Tafel極化曲線研究91-92
• 4.3.3 電池光電性能研究92-93
• 4.3.4 電化學(xué)阻抗研究93-94
• 4.4 本章小結(jié)94-95
• 5 Wo_(2.72 )表面氧空位調(diào)控及其對催化和DSCs性能影響研究95-106
• 5.1 引言95-96
• 5.2 實驗部分96-97
• 5.2.1 材料、試劑96-97
• 5.2.2 電極制備與電池組裝97
• 5.3 結(jié)果與討論97-105
• 5.3.1 表面氧空位調(diào)控97-102
• 5.3.2 表面氧空位對I~-/I3~-催化及DSCs性能的影響102-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 6 基于Pt-free和ITO-free對電極的全柔性擬固態(tài)DSCs構(gòu)建及性能研究106-113
• 6.1 引言106-107
• 6.2 實驗部分107-108
• 6.2.1 材料與試劑107
• 6.2.2 電極制備與電池組裝107-108
• 6.3 結(jié)果與討論108-112
• 6.3.1 微觀形貌108-109
• 6.3.2 循環(huán)伏安特性考察109-110
• 6.3.3 電池光電性能研究110-111
• 6.3.4 Tafel極化曲線與EIS研究111-112
• 6.4 本章小結(jié)112-113
• 7 基于碳背電極的HTM-free和metal-free異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池(HJ-PSCs)的構(gòu)建及性能研究113-144
• 7.1 引言113-114
• 7.2 基于碳背電極的低成本高穩(wěn)定性的TiO_2/CH_3NH_3PbI_3/C介觀異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池114-129
• 7.2.1 實驗部分114-117
• 7.2.2 結(jié)果與討論117-129
• 7.3 低溫ZnO/CH_3NH_3Pbl_3/C平板異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池(PHJ-PSCs)的構(gòu)建及性能研究129-143
• 7.3.1 實驗部分129-131
• 7.3.2 結(jié)果與討論131-143
• 7.4 本章小結(jié)143-144
• 8 結(jié)論與展望144-147
• 8.1 結(jié)論144-145
• 8.2 創(chuàng)新點145
• 8.3 展望145-147
• 參考文獻147-164
• 附錄A 試劑縮寫164
• 附錄B 實驗儀器清單164-166
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項目及科研成果166-168
• 致謝168-169
• 作者簡介169

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