碳納米管在太陽(yáng)能電池對(duì)電極上的應(yīng)用研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)是一種新型的光化學(xué)太陽(yáng)能電池，其制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定、環(huán)境友好，具有良好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。自1991年M.Gr tzel取得突破以來(lái)，在近十幾年來(lái)的發(fā)展極為迅速。DSSCs主要由三部分組成：染料敏化納米晶TiO_2電極、電解液(I-/I3-)以及載有催化劑的對(duì)電極。目前應(yīng)用研究比較廣泛的主要是鉑對(duì)電極(金屬對(duì)電極)。DSSCs之所以越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，主要是由于它較低的成本和較高的光電轉(zhuǎn)化效率，而鉑等貴金屬催化劑的使用無(wú)疑提高了其成本，因此人們就嘗試采用其它廉價(jià)的材料來(lái)替代鉑作為DSSCs的對(duì)電極材料。炭材料價(jià)廉，對(duì)I-/I3-電解液具有較好的抗腐蝕性，并且其導(dǎo)電性好，對(duì)I3-還原的催化性能高，所以選擇適當(dāng)?shù)奶坎牧先〈K來(lái)制備DSSCs對(duì)電極具有較高的研究?jī)r(jià)值。 本研究通過(guò)采用廉價(jià)易得的不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的炭材料(碳納米管-CNTs、活性碳、碳黑、石墨)為原料，分別采用電沉積、絲網(wǎng)印刷、提拉及物理涂覆等技術(shù)制備染料敏化太陽(yáng)能電池的碳對(duì)電極，其中電沉積法為本研究中制備碳膜的主要方法。通過(guò)對(duì)碳膜表面形貌的觀察、電阻的測(cè)試以及由其組裝電池的性能的測(cè)試來(lái)選擇最佳的對(duì)電極原料和電沉積法的最佳工藝參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用電沉積法制備DSSCs的碳納米管對(duì)電極最佳工藝條件為：外加電壓20V、電沉積時(shí)間10min、水浴溫度65℃，此時(shí)DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率最佳，為3.77%。選擇炭材料作為對(duì)電極原料時(shí)，炭材料的比表面積與其孔結(jié)構(gòu)，顆粒形狀，組織排列方式及導(dǎo)電性都對(duì)電池的性能有很大影響；通過(guò)不同炭材料的對(duì)比，碳納米管以其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)，較好的導(dǎo)電、傳熱性能及環(huán)境耐受力用于DSSCs對(duì)電極，獲得了較好的光電轉(zhuǎn)換效率5.87%。此外，電沉積法與絲網(wǎng)印刷、物理涂覆、提拉法相比，具有工藝簡(jiǎn)單、操作容易、碳膜的厚度及其在基底上的附著力可控，碳膜可在DSSCs中循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 對(duì)電極 電沉積法 絲網(wǎng)印刷法 碳納米管
【學(xué)位授予單位】：大連工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4;TB383.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-12
• 第二章 文獻(xiàn)綜述12-26
• 2.1 太陽(yáng)能電池介紹12-14
• 2.1.1 晶體硅型12
• 2.1.2 薄膜型12-14
• 2.1.2.1 硅薄膜類(lèi)12-13
• 2.1.2.2 化合物薄膜類(lèi)13
• 2.1.2.3 有機(jī)薄膜類(lèi)13-14
• 2.1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池14
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及性能評(píng)價(jià)參數(shù)14-20
• 2.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)14-17
• 2.2.1.1 納米 TiO_2多孔半導(dǎo)體薄膜15-16
• 2.2.1.2 染料光敏化劑16
• 2.2.1.3 電解質(zhì)16
• 2.2.1.4 對(duì)電極16-17
• 2.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理17-18
• 2.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的評(píng)價(jià)參數(shù)18-20
• 2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池中碳對(duì)電極的研究進(jìn)展20-24
• 2.3.1 石墨對(duì)電極21
• 2.3.2 碳黑對(duì)電極21
• 2.3.3 碳納米管對(duì)電極21-22
• 2.3.4 富勒烯及其衍生物作對(duì)電極22-23
• 2.3.5 其他形態(tài)的碳對(duì)電極23
• 2.3.6 碳復(fù)合對(duì)電極23-24
• 2.5 課題的提出和意義24-26
• 第三章 實(shí)驗(yàn)部分26-34
• 3.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器設(shè)備26-27
• 3.2 導(dǎo)電玻璃基底的清洗27-28
• 3.3 碳薄膜對(duì)電極的制備28-30
• 3.3.1 電沉積法28-29
• 3.3.2 絲網(wǎng)印刷法29
• 3.3.3 物理涂覆法29-30
• 3.3.4 提拉法30
• 3.4 光陽(yáng)極 TiO_2薄膜的制備30-31
• 3.4.1 TiO_2致密膜的制備30-31
• 3.4.2 TiO_2多孔膜的制備31
• 3.5 染料的配制與吸附31
• 3.6 電解液的配置31-32
• 3.7 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝32
• 3.8 分析測(cè)試方法32-34
• 3.8.1 碳粉物相形態(tài)分析32-33
• 3.8.1.1 XRD32
• 3.8.1.2 TEM32
• 3.8.1.3 BET32-33
• 3.8.2 碳膜的微觀形貌33
• 3.8.3 碳薄膜方塊電阻的測(cè)定33
• 3.8.4 DSSCs 的性能測(cè)定33-34
• 第四章 結(jié)果與討論34-55
• 4.1 炭材料的測(cè)試分析34-37
• 4.1.1 CNTs34-36
• 4.1.1.1 CNTs 的 XRD 表征34-35
• 4.1.1.2 CNTs 的 TEM 表征35
• 4.1.1.3 CNTs 的 SEM 表征35-36
• 4.1.2 其他炭材料36-37
• 4.2 CNTs 及含 CNTs 復(fù)合炭材料絲網(wǎng)印刷法制備 DSSCs 對(duì)電極及性能測(cè)試37-40
• 4.2.1 碳膜的 SEM 表征37-39
• 4.2.2 不同比例 CNTs 復(fù)合炭材料制備碳膜對(duì)電池性能的影響39-40
• 4.3 CNTs 及含 CNTs 復(fù)合炭材料電沉積法制備 DSSCs 對(duì)電極及性能測(cè)試40-48
• 4.3.1 碳膜的 SEM 表征40-42
• 4.3.1.1 CNTs 膜40-41
• 4.3.1.2 不同比例 CNTs 復(fù)合炭材料制備碳膜41-42
• 4.3.2 外加電壓對(duì)電池性能的影響42-43
• 4.3.3 沉積時(shí)間對(duì)電池性能的影響43-44
• 4.3.4 水浴溫度對(duì)電池性能的影響44-46
• 4.3.5 碳膜厚度對(duì)電池性能的影響46-47
• 4.3.6 CNTs/石墨/活性碳復(fù)合碳膜組裝電池的性能分析47-48
• 4.4 DSSCs 對(duì)電極原料的選擇48-52
• 4.4.1 不同炭材料對(duì)組裝電池光電性能的影響48-50
• 4.4.2 炭材料的孔結(jié)構(gòu)及比表面積對(duì)電池性能的影響50-51
• 4.4.3 不同炭材料對(duì)制備碳膜方塊電阻的影響51-52
• 4.5 DSSCs 對(duì)電極制備方法的選擇52-55
• 第五章 結(jié)論55-56
• 參考文獻(xiàn)56-60
• 致謝60-61
• 附錄 作者攻讀碩士期間發(fā)表的論文及成果61

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