介觀太陽能電池碳對電極研究

【摘要】：介觀(Mesoscopic)是介于宏觀與微觀之間的一種體系。作為一種典型的介觀太陽能電池,自1991年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL) Michael Graetzel教授報(bào)道以來,染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)受到廣泛關(guān)注并獲得了飛速的發(fā)展。迄今為止,其器件的最高光電轉(zhuǎn)換效率己超過15%。該太陽能電池具有簡單的制備工藝、低廉的材料價(jià)格、優(yōu)越的性能等優(yōu)點(diǎn),因此被認(rèn)為是新興的第三代太陽能電池。世界各國眾多科研單位和公司都給予了大規(guī)模的資金投入和技術(shù)研發(fā),顯示出該類太陽能電池所具有的廣闊市場前景。 DSSC由光陽極、電解質(zhì)及對電極組成。其中對電極是DSSC的重要組成部分,其導(dǎo)電性能和電化學(xué)性能將決定DSSC器件的內(nèi)阻,從而影響器件的最終光電轉(zhuǎn)換效率。目前,鉑電極已被廣泛研究,但是對于低成本的非鉑類對電極材料的研究仍處于起步階段,特別是對于不同類型的非鉑類材料之間制備復(fù)合電極的研究尚少,有待進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)和優(yōu)化。 基于對電極中存在的問題,本論文以廉價(jià)碳材料為基礎(chǔ),研究了不同碳材料之間混合比例對于單基板DSSC中介孔碳電極性能的影響,并討論了痕量鉑顆粒修飾對于單基板DSSC碳電極性能的影響。同時(shí),對于非碘電解質(zhì),本文采用石墨烯修飾介孔碳材料制備了高效的對電極。此外,本文還研究了導(dǎo)電聚合物對于介孔碳電極性能的影響,并開發(fā)了一系列新型的過渡金屬-導(dǎo)電聚合物修飾介孔碳材料作為DSSC的對電極。本論文的主要內(nèi)容為： 首先,基于單基板DSSC對于對電極材料的特殊要求,采用高催化性的納米碳黑和高導(dǎo)電性的片狀石墨混合制備了高效的電極材料,并通過調(diào)節(jié)兩者之間的比例,使介孔碳電極綜合性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí),研究了單基板DSSC電池中Ti02光陽極厚度和導(dǎo)電玻璃基底對于電池器件性能的影響。 其次,針對高性能單基板DSSC中介孔碳電極催化性能不足的問題,采用熱分解含鉑前驅(qū)液的方法制備了披鉑碳電極,并通過對其電化學(xué)性能的測試、分析,精細(xì)的調(diào)整了披鉑碳電極中鉑含量,達(dá)到優(yōu)化電極催化性能的目的。探討了不同的對電極厚度對于電極電阻、催化性能以及單基板DSSC器件性能的影響。通過優(yōu)化,液態(tài)單基板DSSC電池器件獲得7.61%的轉(zhuǎn)換效率。 再次,利用化學(xué)還原的方法制備了石墨烯材料,并通過靜電自組裝的方法制備了石墨烯改性的介孔碳電極。通過XRD、拉曼、紅外光譜等分析手段表征了石墨烯的還原程度。同時(shí),通過電化學(xué)分析,研究了石墨烯改性介孔碳電極對有機(jī)硫電解質(zhì)催化性能的影響。通過優(yōu)化石墨烯含量,基于有機(jī)多硫電解質(zhì)雙基板DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.55%。 隨后在第五章中,采用化學(xué)聚合的方法分別將三種導(dǎo)電聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩)包裹在介孔碳電極表面。通過電化學(xué)測試,分析了不同聚合物修飾介孔碳電極催化活性的差異。探討了聚吡咯的含量對于電極催化性能和DSSC電池性能的影響。 最后在第六章中,采用化學(xué)還原的方法制備一種全新的過渡金屬(Fe,Co,Ni)-聚毗咯修飾的介孔碳電極。通過電鏡、紅外和XPS分析了聚吡咯的聚合狀態(tài)和過渡金屬原子的價(jià)態(tài),探討了過渡金屬與吡咯之間的成鍵結(jié)構(gòu)和催化活性位點(diǎn)。通過電化學(xué)測試,分析了不同過渡金屬-聚毗咯修飾介孔碳電極之間催化性能的差異,及其對于DSSC電池器件性能的影響。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 單基板 石墨烯 碳電極 導(dǎo)電聚合物
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-27
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太陽能電池分類11-13
• 1.3 DSSC的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與性能參數(shù)13-18
• 1.4 對電極材料的發(fā)展18-25
• 1.5 本文研究思路和工作內(nèi)容25-27
• 2 碳電極的制備及液態(tài)單基板DSSC研究27-43
• 2.1 引言27-28
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分28-31
• 2.3 碳對電極中碳黑石墨比例的影響31-37
• 2.4 基于碳對電極的液態(tài)單基板DSSC器件優(yōu)化37-41
• 2.5 本章小結(jié)41-43
• 3 披鉑碳電極的制備及其在單基板DSSC中的應(yīng)用43-58
• 3.1 引言43-44
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分44-45
• 3.3 披鉑碳電極表面形貌和結(jié)構(gòu)特征45-47
• 3.4 披鉑碳電極中鉑含量的影響47-52
• 3.5 披鉑碳電極膜厚的影響52-57
• 3.6 本章小結(jié)57-58
• 4 石墨烯改性碳電極的制備及其在基于多硫電對的DSSC中應(yīng)用58-75
• 4.1 引言58-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分60-64
• 4.3 石墨烯和氧化石墨烯的形貌、結(jié)構(gòu)特征64-69
• 4.4 石墨烯改性碳電極的電化學(xué)性能分析69-72
• 4.5 基于石墨烯改性碳電極的DSSC電池性能表征72-74
• 4.6 本章小結(jié)74-75
• 5 導(dǎo)電聚合物修飾碳電極的制備及其在DSSC中應(yīng)用75-86
• 5.1 引言75-76
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分76-78
• 5.3 導(dǎo)電聚合物表征78-79
• 5.4 不同導(dǎo)電聚合物修飾碳電極的電化學(xué)性能79-80
• 5.5 不同PPY含量的PPY-C電極的電化學(xué)性能80-83
• 5.6 不同PPY含量的PPY-C電極對DSSC電池性能的影響83-85
• 5.7 本章小結(jié)85-86
• 6 過渡金屬-聚吡咯修飾碳電極的制備及其在DSSC中的應(yīng)用86-99
• 6.1 引言86-88
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分88-89
• 6.3 過渡金屬-聚吡咯修飾碳材料形貌結(jié)構(gòu)特征89-92
• 6.4 過渡金屬-聚吡咯修飾碳材料電化學(xué)性能92-96
• 6.5 基于過渡金屬-聚吡咯修飾碳電極的DSSC電池性能表征96-97
• 6.6 本章小結(jié)97-99
• 7 結(jié)論與展望99-103
• 7.1 全文研究內(nèi)容總結(jié)99-101
• 7.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)101
• 7.3 研究展望101-103
• 致謝103-104
• 參考文獻(xiàn)104-120
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄120

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