染料敏化太陽能電池用聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的制備與性能研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池是近些年發(fā)展起來的一種新型太陽能電池,他以其他太陽能電池無可比擬的優(yōu)勢而備受人們關(guān)注。本文在室溫條件下,引入一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導電聚苯胺為催化材料,以導電石墨為填充材料,炭黑顆粒附著在導電聚苯胺的枝狀長鏈上提高對電極的催化活性,并對三者進行簡單的機械共混后絲網(wǎng)印刷在FTO導電面上,成功制備了聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極。主要解決對電極催化活性和導電特性不能有效兼顧,制作工藝復雜的問題。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表示,通過三者簡單的機械共混后,導電聚苯胺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)依然存在,石墨的加入有效填充了聚苯胺之間的空隙,使聚苯胺的各枝鏈充分連接起來形成良好的通路,降低了電子被復合的機會,有效抑制了暗電流的產(chǎn)生,適量炭黑的加入粘附在了聚苯胺的枝狀長鏈上,以其自身的催化特性為I3-/I-氧化還原電對提供更多、更有效的催化活性枝點,增強了聚苯胺／石墨／炭黑復合對電極的催化能力。 將此復合對電極應用到染料敏化太陽能電池中,并對不同對電極組裝成的電池進行了光電性能測試,測試結(jié)果表明,當聚苯胺、石墨、炭黑的質(zhì)量比為9：1：0.2時制備的復合對電極組裝成的電池具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率,達到了8.8%,是同等條件下傳統(tǒng)鉑電極的127%。開路電壓和短路電流密度分別達到了0.74V和23.23mA/cm2。因此,聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極是替代傳統(tǒng)鉑對電極的一個很好選擇。 在上述的基礎(chǔ)上,以聚苯胺、石墨、炭黑的質(zhì)量比為9：1：0.2的復合對電極組裝成的DSSCs為試樣,探索了制備聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的最優(yōu)工藝參數(shù)和手段。結(jié)果表明,熱處理溫度過高會破壞復合對電極薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進而影響對電極的導電性和催化活性。合適范圍內(nèi)的熱處理時間對復合對電極的光電性能影響較小。乙基纖維素與聚乙烯吡咯烷酮相比,其比較難溶解,而且溶解后性能不太穩(wěn)定,容易使?jié){料發(fā)生團聚,從而使聚苯胺被包裹,影響對電極材料本身的催化活性和導電性,并且破壞了對電極材料的原有多孔結(jié)構(gòu)。絲網(wǎng)印刷法制備的復合對電極薄膜整體比較均勻,而且厚度單一、性能優(yōu)異,可以被人們大規(guī)模生產(chǎn)應用。綜合這些因素,本實驗最終確定的對電極最優(yōu)制備工藝參數(shù)及方法是熱處理溫度70℃、熱處理時間30min、聚乙烯吡咯烷酮為粘結(jié)劑、絲網(wǎng)印刷法成膜。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 對電極 聚苯胺 石墨 網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 DSSCs的基本結(jié)構(gòu)及工作原理12-15
• 1.2.1 DSSCs基本結(jié)構(gòu)12-14
• 1.2.2 DSSCs的工作原理14-15
• 1.3 DSSCs的性能表征參數(shù)15-17
• 1.3.1 開路電壓V_(oc)15
• 1.3.2 短路電流密度J_(sc)15-16
• 1.3.3 填充因子FF16
• 1.3.4 電池的光電轉(zhuǎn)換效率η16
• 1.3.5 J-V曲線16-17
• 1.4 DSSCs的研究進展17-21
• 1.4.1 DSSCs光陽極的研究進展18-19
• 1.4.2 DSSCs電解質(zhì)的研究進展19
• 1.4.3 DSSCs染料的研究進展19
• 1.4.4 DSSCs對電極的研究進展19-21
• 1.5 制作對電極的常用方法21-22
• 1.6 DSSCs對電極在實際應用中存在的問題22
• 1.7 本文研究的目的和主要內(nèi)容22-24
• 第二章 實驗部分24-30
• 2.1 實驗試劑和儀器24-25
• 2.1.1 實驗試劑24
• 2.1.2 實驗儀器24-25
• 2.2 基底預處理25
• 2.3 TiO_2光陽極的制備25-26
• 2.4 對電極的制備26
• 2.5 電解液的制備26
• 2.6 DSSCs的組裝26-27
• 2.7 DSSCs的電化學性能研究27-30
• 2.7.1 光電性能測試27
• 2.7.2 循環(huán)伏安曲線測試(CV)27-28
• 2.7.3 交流阻抗測試(EIS)28
• 2.7.4 紫外-可見光譜28
• 2.7.5 形貌表征28-30
• 第三章 絲網(wǎng)印刷法制備聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極30-50
• 3.1 引言30-31
• 3.2 絲網(wǎng)印刷法制備聚苯胺/石墨復合對電極及其性能研究31-38
• 3.2.1 實驗材料31
• 3.2.2 聚苯胺/石墨復合對電極的制備31
• 3.2.3 DSSCs的組裝31
• 3.2.4 聚苯胺/石墨復合對電極的SEM表征31-32
• 3.2.5 聚苯胺/石墨復合對電極的光電性能研究32-34
• 3.2.6 入射單色光光電轉(zhuǎn)化效率34-35
• 3.2.7 聚苯胺/石墨復合對電極的透光性研究35-36
• 3.2.8 聚苯胺/石墨復合對電極的電催化性能研究36-37
• 3.2.9 不同復合對電極組裝成DSSCs的交流阻抗37-38
• 3.2.10 小結(jié)38
• 3.3 絲網(wǎng)印刷法制備聚苯胺/炭黑復合對電極及其性能研究38-42
• 3.3.1 實驗材料38
• 3.3.2 實驗內(nèi)容38
• 3.3.3 聚苯胺/炭黑復合對電極的SEM表征38-39
• 3.3.4 聚苯胺/炭黑復合對電極的光電性能研究39-42
• 3.3.5 小結(jié)42
• 3.4 絲網(wǎng)印刷法制備聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極及其在染料敏化太陽能電池中的應用42-50
• 3.4.1 實驗材料42-43
• 3.4.2 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的制備43
• 3.4.3 DSSCs的組裝43
• 3.4.4 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的SEM表征43-44
• 3.4.5 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的光電性能研究44-45
• 3.4.6 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的透光性研究45-46
• 3.4.7 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的電催化性能研究46-47
• 3.4.8 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極組裝成DSSCs的交流阻抗47-49
• 3.4.9 小結(jié)49-50
• 第四章 聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極的性能優(yōu)化50-55
• 4.1 熱處理溫度和時間對聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極光電性能的影響50-52
• 4.2 粘結(jié)劑的選擇對聚苯胺/石墨/炭黑復合對電極光電性能的影響52-53
• 4.3 對電極制備方法的選擇53-54
• 4.4 小結(jié)54-55
• 第五章 總結(jié)與展望55-57
• 參考文獻57-64
• 致謝64-65
• 附錄A 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文65

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