染料敏化太陽能電池高性能對電極和凝膠電解質(zhì)研究

【摘要】：能源問題是21世紀(jì)最重要的議題。隨著傳統(tǒng)化石能源的消耗，尋求可替代傳統(tǒng)化石能源的新能源如太陽能、風(fēng)能、核能、氫能、潮汐能、生物能等成為解決人類當(dāng)前所面臨能源問題的必由之路。而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的新能源，它是目前資源最豐富，使用最安全的一種清潔能源。開發(fā)和利用太陽能是實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。 染料敏化太陽能電池(即DSSC)自1991年首次問世以來，其因低成本、相對較高光電轉(zhuǎn)換效率、簡單的制造工藝等優(yōu)點吸引了全世界范圍內(nèi)科學(xué)家廣泛的研究興趣。DSSC的研究內(nèi)容包括光陽極膜、染料分子、電解質(zhì)、對電極等部分，而目前關(guān)于DSSC最重要的研究主題則是提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低電池成本、提高電池穩(wěn)定性。本文分別從這三個方面進行了一系列的研究工作，其中第3章圍繞提高效率的主題研究高催化活性鉑對電極；第4章圍繞降低電池成本主題研究導(dǎo)電聚合物對電極；第5章從提高電池穩(wěn)定性方面研究高電導(dǎo)率的聚合物凝膠電解質(zhì)。 本文的具體研究工作如下： 1)通過以PC多孔膜作為模板，制備了由鉑納米管構(gòu)成的鉑金對電極。相對于傳統(tǒng)鉑金電極，鉑納米管對電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)催化活性，將鉑納米管對電極組裝到DSSC中，獲得光電轉(zhuǎn)換效率高達9.05%的DSSC； 2)通過在高濃度氯鉑酸溶液中恒電位電沉積的方法，在無模板的條件下制備了“鉑花”結(jié)構(gòu)的對電極。“鉑花”表面由大量厚度約25-30nm的“鉑花瓣”組成，這種結(jié)構(gòu)極大地提高了對電極的比表面積，增加了對電極催化劑材料與I3/I氧化還原電對的接觸，從而提高了其對于I3還原反應(yīng)的催化效率，進而提高了DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率； 3)通過電沉積法得到了直接生長在導(dǎo)電玻璃基體上的聚苯胺(PANI)膜，通過SEM表征，可以發(fā)現(xiàn)這種PANI膜為雙層結(jié)構(gòu)，即底層為一層致密的球形聚苯胺，上層為直徑100nm左右的納米纖維聚苯胺，基于雙層結(jié)構(gòu)PANI膜對電極，DSSC達到了6.58%的光電轉(zhuǎn)換效率；通過再次電沉積，在PANI納米纖維上包覆一層納米鉑顆粒得到PANI/Pt復(fù)合納米纖維共催化劑，通過兩者的復(fù)合，PANI/Pt結(jié)合了PANI和Pt各自的優(yōu)點并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如低成本、高電導(dǎo)率、高比表面積、高催化活性等；基于PANI/Pt復(fù)合納米纖維對電極，DSSC取得了高達7.69%的光電轉(zhuǎn)換效率； 4)合成了丙烯酸/明膠(PAA/Gle)、聚丙烯酸-g-十六烷基三甲基溴化銨(PAA-g-CTAB)兩種雙親性聚合物；通過利用這兩種雙親性聚合物吸附苯胺單體(ANI)并將單體在聚合物內(nèi)部引發(fā)聚合的方法，制得了由超吸水材料和導(dǎo)電聚合物PANI復(fù)合的導(dǎo)電超吸水聚合物材料PAA/Gle/PANI和PAA-g-CTAB/PANI；最高電導(dǎo)率達到14.38mS·cm1；其中基于PAA/Gel/PANI凝膠電解質(zhì)的DSSC其光電轉(zhuǎn)換效率達到6.94%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 鉑對電極 聚合物對電極 聚苯胺納米纖維 凝膠電解質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-32
• 1.1 光伏電池研究歷史12-16
• 1.2 DSSC結(jié)構(gòu)及原理16-18
• 1.2.1 DSSC結(jié)構(gòu)16-17
• 1.2.2 DSSC原理17-18
• 1.3 DSSC的研究進展18-28
• 1.3.1 染料的研究18-19
• 1.3.2 光陽極研究19-23
• 1.3.3 電解液研究23-25
• 1.3.4 對電極的研究25-28
• 1.4 DSSC的優(yōu)勢及所面臨的困難與挑戰(zhàn)28-29
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新29-30
• 1.6 展望30-32
• 第2章 電池的制備及測試表征32-40
• 2.1 陽極膜的制備32-37
• 2.1.1 納米晶TiO_2膠體的制備32-33
• 2.1.2 致密阻擋層的制備33-34
• 2.1.3 大顆粒反射層的制備34
• 2.1.4 用TiCl_4再次處理陽極膜34-35
• 2.1.5 陽極膜優(yōu)化結(jié)果35-37
• 2.2 染料的配置及陽極膜的敏化37
• 2.3 液體電解質(zhì)的配置37
• 2.4 常規(guī)Pt對電極的制備方法37
• 2.5 電池的組裝和測試37-38
• 2.5.1 電池組裝37-38
• 2.5.2 光電轉(zhuǎn)換性能測試38
• 2.5.3 電極電化學(xué)性能測試38
• 2.6 材料的測試和表征方法38-40
• 2.6.1 掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)測試38-39
• 2.6.2 紅外光譜(FTIR)測試39
• 2.6.3 紫外光譜(UV)測試39-40
• 第3章 高催化活性鉑金對電極40-56
• 3.1 鉑納米管對電極40-46
• 3.1.1 實驗內(nèi)容40-42
• 3.1.2 結(jié)果與分析42-46
• 3.1.3 結(jié)論46
• 3.2 鉑花結(jié)構(gòu)對電極46-56
• 3.2.1 鉑花對電極的制備46-47
• 3.2.2 測試表征47
• 3.2.3 結(jié)果與分析47-54
• 3.2.4 結(jié)論54-56
• 第4章 聚合物及聚合物負(fù)載鉑對電極56-76
• 4.1 適合作為DSSC對電極的聚合物材料及制備方法探討56-64
• 4.1.1 實驗內(nèi)容56-58
• 4.1.2 結(jié)果分析58-64
• 4.1.3 結(jié)論64
• 4.2 聚苯胺納米纖維負(fù)載鉑催化劑對電極64-76
• 4.2.1 PANI/Pt對電極對電極的制備65
• 4.2.2 電極材料測試及電化學(xué)表征65-66
• 4.2.3 結(jié)果與分析66-74
• 4.2.4 小結(jié)74-76
• 第5章 超吸水材料/導(dǎo)電高分子基凝膠電解質(zhì)76-93
• 5.1 實驗內(nèi)容76-81
• 5.1.1 實驗藥品76-77
• 5.1.2 超吸水材料/導(dǎo)電高分子基凝膠電解質(zhì)的制備方法77
• 5.1.3 超吸水材料/導(dǎo)電高分子基凝膠電解質(zhì)的具體制備方法77-80
• 5.1.4 超吸水材料/導(dǎo)電高分子基凝膠電解質(zhì)的性能測試80-81
• 5.1.5 基于凝膠電解質(zhì)的DSSC光電性能測試81
• 5.2 結(jié)果與分析81-91
• 5.2.1 SEM表征分析81-84
• 5.2.2 FTIR表征分析84-87
• 5.2.3 凝膠電解質(zhì)電導(dǎo)率和吸液倍率87-88
• 5.2.4 凝膠電解質(zhì)電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系88-89
• 5.2.5 DSSC電池性能89-91
• 5.3 結(jié)論91-93
• 第6章 總結(jié)93-97
• 參考文獻97-111
• 致謝111-113
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果113-116

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