染料敏化太陽(yáng)能電池高效穩(wěn)定電解質(zhì)及低成本對(duì)電極研究

【摘要】：作為一種典型的第三代光伏器件,染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cell, DSC)具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),是最具發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能電池之一。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)科研工作者二十多年的努力,DSC能量轉(zhuǎn)換效率目前已達(dá)13.0%。但是,DSC還存在穩(wěn)定性差、成本高等問(wèn)題,制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為了解決上述問(wèn)題,本論文以制作高效、高穩(wěn)定性和低成本的DSC為目標(biāo),圍繞開(kāi)發(fā)新型高效高穩(wěn)定性電解質(zhì)和設(shè)計(jì)合成低成本對(duì)電極材料及其與器件性能間的構(gòu)效關(guān)系展開(kāi)系統(tǒng)研究,考察材料形貌和晶型對(duì)DSC光電性能的影響機(jī)制,并詳細(xì)研究了非Pt對(duì)電極催化材料對(duì)電解質(zhì)中不同氧化還原電對(duì)的催化性能。此外,利用海帶這一生物質(zhì)材料制備了DSC各關(guān)鍵組成部分,設(shè)計(jì)構(gòu)建了全天然DSC器件。 首先,我們開(kāi)發(fā)制備了三種新型高效、高穩(wěn)定的電解質(zhì)：(1)通過(guò)溶液聚合法合成了高分子交聯(lián)劑-聚醋酸乙烯酯(PVAc),制備了基于PVAc的擬固態(tài)電解質(zhì)并將其組裝成擬固態(tài)DSC。研究結(jié)果表明,擬固態(tài)DSC可達(dá)到與液態(tài)DSC相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換效率,并具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。(2)將多種新型雙乙二酸硼酸鹽離子液體(BOB離子液體)作為添加劑引入液態(tài)電解質(zhì)體系中,獲得了8.73%的能量轉(zhuǎn)換效率,并系統(tǒng)研究了離子液體結(jié)構(gòu)對(duì)電池光電性能的影響機(jī)制。此外,將該類添加劑引入到純離子液體電解質(zhì)體系中,電池效率獲得大幅提高,并展示出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。(3)研究了利用Ⅰ-/12-·作為氧化還原電對(duì)的無(wú)碘(單質(zhì))電解質(zhì)體系。通過(guò)電化學(xué)方法證實(shí)了其可行性,系統(tǒng)研究了濃度、溶劑、光陽(yáng)極及隔離層厚度對(duì)電池性能的影響,優(yōu)化后獲得了與傳統(tǒng)電解質(zhì)相近的能量轉(zhuǎn)換效率8.82%,并證實(shí)了此種新型無(wú)碘電解質(zhì)具有良好的普適性。 其次,通過(guò)水熱法合成了三種花狀多級(jí)結(jié)構(gòu)鐵基氧化物α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4,將其用于DSC對(duì)電極,系統(tǒng)研究了形貌和晶型對(duì)DSC光電性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明,三種氧化物中Fe304具有最佳的催化性能,優(yōu)化后電池器件獲得7.80%的能量轉(zhuǎn)換效率,與濺射Pt組裝的電池器件效率相當(dāng)。利用生物質(zhì)材料--松脂合成了C/Fe3O4復(fù)合催化材料,并將其應(yīng)用于DSC對(duì)電極,研究結(jié)果表明：復(fù)合催化材料較復(fù)合前具有更佳的導(dǎo)電性和催化活性,組裝的DSC具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率(8.11%)。 再次,從海洋植物--海帶中提取得到DSC所用的多種必要材料,包括染料、氧化還原電對(duì)和對(duì)電極。利用海帶碳作為對(duì)電極組裝的DSC獲得了7.82%的能量轉(zhuǎn)換效率。利用其生物質(zhì)模板的特性,在低溫下制備的海帶碳/Fe304復(fù)合材料組裝的DSC對(duì)比復(fù)合前能量轉(zhuǎn)換效率提高了24.2%。最后,構(gòu)建的全天然DSC器件也獲得了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。 最后,通過(guò)多種電化學(xué)方法,系統(tǒng)研究了對(duì)電極催化材料對(duì)有機(jī)氧化還原電對(duì)(T-/T2, Co2+/Co3+)的催化性能。研究結(jié)果表明,一些非Pt類催化材料,如OMC-WC、WC、 TiC、NbO2等均在上述電對(duì)體系中表現(xiàn)出優(yōu)于Pt的催化性能,使相應(yīng)DSC的效率得到大幅提高。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 電解質(zhì) 對(duì)電極 穩(wěn)定性 低成本
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目錄10-16
• TABLE OF CONTENTS16-21
• 圖目錄21-25
• 表目錄25-27
• 主要符號(hào)表27-28
• 1 緒論28-57
• 1.1 太陽(yáng)能與太陽(yáng)能電池29-35
• 1.1.1 太陽(yáng)能基本介紹29-31
• 1.1.1.1 太陽(yáng)輻射與太陽(yáng)常數(shù)29-30
• 1.1.1.2 太陽(yáng)能光譜30-31
• 1.1.2 太陽(yáng)能利用方式31
• 1.1.2.1 光電利用31
• 1.1.2.2 光熱利用31
• 1.1.2.3 光化學(xué)利用31
• 1.1.3 太陽(yáng)能電池發(fā)展歷程31-33
• 1.1.4 太陽(yáng)能電池分類33-35
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSC)35-55
• 1.2.1 引言35
• 1.2.2 基本結(jié)構(gòu)35-36
• 1.2.3 工作原理36-38
• 1.2.4 性能參數(shù)38-41
• 1.2.4.1 單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)38-39
• 1.2.4.2 光電流密度-光電壓曲線(J-V)39-41
• 1.2.5 表征及測(cè)試方法41-42
• 1.2.5.1 X-射線衍射41
• 1.2.5.2 掃描電子顯微鏡41
• 1.2.5.3 氮?dú)馕矫摳?/span>41
• 1.2.5.4 循環(huán)伏安41
• 1.2.5.5 電化學(xué)阻抗41-42
• 1.2.5.6 Tafel極化曲線42
• 1.2.5.7 光電流密度-光電壓曲線42
• 1.2.6 各組件研究現(xiàn)狀42-55
• 1.2.6.1 光陽(yáng)極42-48
• 1.2.6.2 電解質(zhì)48-51
• 1.2.6.3 對(duì)電極51-55
• 1.3 本論文選題依據(jù)、研究?jī)?nèi)容及意義55-57
• 2 高效及高穩(wěn)定性系列電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)及其在DSC中的應(yīng)用研究57-88
• 2.1 引言57-58
• 2.2 高效及高穩(wěn)定擬固態(tài)電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)及在DSC中的應(yīng)用研究58-65
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)部分58-59
• 2.2.1.1 聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成58
• 2.2.1.2 擬固態(tài)電解質(zhì)的制備58
• 2.2.1.3 光陽(yáng)極制備58-59
• 2.2.1.4 電池組裝59
• 2.2.2 結(jié)果與討論59-65
• 2.2.2.1 PVAc紅外吸收光譜59-60
• 2.2.2.2 擬固態(tài)電解質(zhì)微觀形貌考察60
• 2.2.2.3 電池光電性能研究60-62
• 2.2.2.4 電池電化學(xué)阻抗研究62-63
• 2.2.2.5 電解質(zhì)擴(kuò)散性能研究63
• 2.2.2.6 電池耐久性研究63-65
• 2.3 新型離子液體電解質(zhì)的制備及其在DSC中的應(yīng)用研究65-73
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)部分65-66
• 2.3.1.1 雙乙二酸硼酸鹽(BOB)離子液體的合成65
• 2.3.1.2 BOB離子液體電解質(zhì)的制備65-66
• 2.3.1.3 光陽(yáng)極制備66
• 2.3.1.4 電池組裝66
• 2.3.2 結(jié)果與討論66-73
• 2.3.2.1 不同BOB離子液體作為有機(jī)電解質(zhì)添加劑對(duì)電池性能的影響66-71
• 2.3.2.2 離子液體電解質(zhì)光電性能研究71-72
• 2.3.2.3 電池耐久性研究72-73
• 2.4 新型無(wú)碘電解質(zhì)體系在DSC中的應(yīng)用研究73-86
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)部分74
• 2.4.1.1 新型無(wú)碘電解質(zhì)的制備74
• 2.4.1.2 光陽(yáng)極制備74
• 2.4.1.3 電池組裝74
• 2.4.2 結(jié)果與討論74-86
• 2.4.2.1 電解質(zhì)循環(huán)伏安性能考察74-75
• 2.4.2.2 電池光電性能研究75-77
• 2.4.2.3 電解質(zhì)紫外-可見(jiàn)光吸收光譜研究77-78
• 2.4.2.4 電池電化學(xué)阻抗研究78-79
• 2.4.2.5 電解質(zhì)不同溶劑體系對(duì)比研究79-83
• 2.4.2.6 光陽(yáng)極及隔離層最佳膜厚考察83-84
• 2.4.2.7 電池最佳性能測(cè)試84-86
• 2.4.2.8 拓展研究86
• 2.5 本章小結(jié)86-88
• 3 鐵基氧化物催化材料的合成及其在DSC中的應(yīng)用研究88-101
• 3.1 引言88-89
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分89-90
• 3.2.1 鐵基氧化物前驅(qū)體的合成89
• 3.2.2 對(duì)電極制備89-90
• 3.2.3 光陽(yáng)極制備90
• 3.2.4 電池組裝90
• 3.3 結(jié)果與討論90-99
• 3.3.1 微觀形貌與晶相結(jié)構(gòu)90-92
• 3.3.1.1 不同反應(yīng)溫度下花狀Fe_3O_4形貌圖90-91
• 3.3.1.2 三種不同鐵基氧化物形貌圖91
• 3.3.1.3 三種不同鐵基氧化物晶相結(jié)構(gòu)91-92
• 3.3.2 不同鐵基氧化物在DSC中的應(yīng)用研究92-96
• 3.3.2.1 電池光電性能研究92-93
• 3.3.2.2 電極循環(huán)伏安特性考察93-94
• 3.3.2.3 電化學(xué)阻抗研究94-95
• 3.3.2.4 電極Tafel極化曲線研究95-96
• 3.3.3 Fe_3O_4對(duì)電極性能優(yōu)化96-99
• 3.3.3.1 不同反應(yīng)物濃度對(duì)材料形貌的影響96-97
• 3.3.3.2 不同反應(yīng)物濃度對(duì)電池光電性能的影響97-98
• 3.3.3.3 不同反應(yīng)物濃度對(duì)電池電化學(xué)性能的影響98-99
• 3.3.3.4 對(duì)電極耐久性考察99
• 3.4 本章小結(jié)99-101
• 4 生物質(zhì)碳/Fe_3O_4復(fù)合催化材料的合成及其在DSC中的應(yīng)用研究101-112
• 4.1 引言101-102
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分102-103
• 4.2.1 生物質(zhì)/Fe_3O_4復(fù)合催化材料的合成102
• 4.2.2 對(duì)電極制備102-103
• 4.2.3 電池組裝103
• 4.3 結(jié)果討論103-110
• 4.3.1 微觀形貌和晶相結(jié)構(gòu)分析103-105
• 4.3.2 復(fù)合對(duì)電極光電性能表征105-108
• 4.3.2.1 復(fù)合對(duì)電極配比優(yōu)化105-107
• 4.3.2.2 復(fù)合對(duì)電極與各組分光電性能對(duì)比研究107-108
• 4.3.3 復(fù)合對(duì)電極循環(huán)伏安研究108-109
• 4.3.4 復(fù)合對(duì)電極電化學(xué)阻抗研究109-110
• 4.3.5 復(fù)合對(duì)電極Tafel極化曲線研究110
• 4.4 本章小結(jié)110-112
• 5 全天然DSC體系的構(gòu)建及性能考察112-133
• 5.1 引言112-113
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分113-114
• 5.2.1 海帶天然染料的提取113
• 5.2.2 碘單質(zhì)的提取113-114
• 5.2.3 海帶碳的制備114
• 5.2.4 海帶碳/Fe_3O_4復(fù)合材料的合成114
• 5.2.5 對(duì)電極制備114
• 5.2.6 電池組裝114
• 5.3 結(jié)果與討論114-132
• 5.3.1 海帶碳對(duì)電極研究114-128
• 5.3.1.1 微觀形貌及晶相結(jié)構(gòu)分析114-116
• 5.3.1.2 對(duì)電極最佳制作條件優(yōu)化116-121
• 5.3.1.3 電池最優(yōu)性能考察121-128
• 5.3.2 海帶碳/Fe_3O_4復(fù)合材料在DSC中的應(yīng)用研究128-130
• 5.3.2.1 微觀形貌分析128
• 5.3.2.2 X射線衍射128-129
• 5.3.2.3 海帶碳/Fe_3O_4復(fù)合材料的光電性能研究129-130
• 5.3.3 海帶天然染料研究130-131
• 5.3.4 全天然DSC的構(gòu)建及光電性能表征131-132
• 5.4 本章小結(jié)132-133
• 6 對(duì)電極催化材料與電解質(zhì)中氧化還原電對(duì)的匹配性研究133-145
• 6.1 引言133
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分133-136
• 6.2.1 有序介孔碳負(fù)載碳化鎢(WC-OMC)的合成133-134
• 6.2.2 NbO_2的合成134
• 6.2.3 T/T_2氧化還原電對(duì)的合成及電解質(zhì)的制備134
• 6.2.4 CO_~(2+)/Co~(3+)氧化還原電對(duì)的合成及電解質(zhì)的制備134-135
• 6.2.5 對(duì)電極制備135-136
• 6.2.6 電池組裝136
• 6.3 結(jié)果與討論136-143
• 6.3.1 多種不同對(duì)電極與T/T_2的匹配性研究136-140
• 6.3.1.1 5種不同碳材料的微觀形貌136
• 6.3.1.2 不同對(duì)電極在T/T_2中的光電性能研究136-138
• 6.3.1.3 不同對(duì)電極在T/T_2中的電化學(xué)阻抗研究138-139
• 6.3.1.4 不同對(duì)電極在T-/T_2中的Tafel極化曲線研究139-140
• 6.3.2 多種不同對(duì)電極與Co_~(2+)/Co~(3+)的匹配性研究140-143
• 6.3.2.1 不同對(duì)電極在Co_~(2+)/Co~(3+)中的光電性能研究140-141
• 6.3.2.2 不同對(duì)電極在Co_~(2+)/Co~(3+)中的電化學(xué)阻抗研究141-143
• 6.3.2.3 不同對(duì)電極在Co_~(2+)/Co~(3+)中的Tafel極化曲線研究143
• 6.4 本章小結(jié)143-145
• 7 結(jié)論與展望145-148
• 7.1 結(jié)論145-146
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要146-147
• 7.3 展望147-148
• 參考文獻(xiàn)148-159
• 附錄A 試劑縮寫159-160
• 附錄B 實(shí)驗(yàn)儀器清單160-161
• 致謝161-162
• 作者簡(jiǎn)介162
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果162-166

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染料敏化太陽(yáng)能電池柔性對(duì)電極的研究進(jìn)展    竹懷君;黃光勝;

共用一對(duì)電極同時(shí)測(cè)量心電和呼吸的方法    趙維信;

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

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

染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極    李靖;孫明軒;張曉艷;崔曉莉;

染料敏化太陽(yáng)能電池低鉑對(duì)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(yáng)能電池碳對(duì)電極的制備及性能    楊盼;許晨陽(yáng);林紅;趙曉沖;李建保;

低溫制備高效透明鉑對(duì)電極及其在柔性染料敏化太陽(yáng)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(lè)慶;蘭章;

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

染料敏化太陽(yáng)能電池用聚苯胺/石墨復(fù)合對(duì)電極的制備與性能研究    丁雨田;尚興記;王璟;胡勇;張?jiān)雒?謝榮艷;

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

新型、高效染料敏化太陽(yáng)能電池碳對(duì)電極    羅艷紅;劉喜哲;黃振;孟慶波;

新型固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極設(shè)計(jì)及聚吡咯對(duì)電極研究    夏江濱;陳玲;

一步法水熱合成氧化亞銅對(duì)電極及其在染料敏化太陽(yáng)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(yáng)能電池對(duì)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(yáng)能電池對(duì)電極的研究    崔光磊;徐紅霞;張小影;張中一;逄淑平;

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

染料敏化太陽(yáng)能電池用聚吡咯/織物對(duì)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(yáng)能電池碳對(duì)電極    李可心;李冬梅;羅艷紅;孟慶波;

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

染料敏化太陽(yáng)能電池新型對(duì)電極材料研究    姜奇?zhèn)?/span>

染料敏化太陽(yáng)能電池磷化物/碳對(duì)電極材料的研究    竇衍葉

染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備及其性能研究    朱磊

染料敏化太陽(yáng)能電池新型對(duì)電極材料的制備和研究    宮峰

碳材料對(duì)電極在染料敏化太陽(yáng)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(duì)電極的染料敏化太陽(yáng)能電池研究    岳根田

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

染料敏化太陽(yáng)能電池高性能非鉑對(duì)電極的構(gòu)筑    宋健

染料敏化太陽(yáng)能電池高效穩(wěn)定電解質(zhì)及低成本對(duì)電極研究    王亮

介觀太陽(yáng)能電池碳對(duì)電極研究    劉廣輝

染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極研究    劉小東

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

染料敏化太陽(yáng)能電池柔性對(duì)電極的制備及性能研究    竹懷君

染料敏化太陽(yáng)能電池微鉑對(duì)電極的制備與性能    馬換梅

染料敏化太陽(yáng)能電池中低成本對(duì)電極的研究    王宇迪

染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極材料的合成及性能研究    陶文光

染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極材料研究    郭霜霜

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

染料敏化太陽(yáng)能電池炭對(duì)電極的研究    王德龍

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