用于染料敏化太陽能電池的非Pt催化材料研究

【摘要】：作為一代新型太陽能電池,染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工藝簡單、綠色環(huán)保及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。通常,DSC由光陽極(吸附有染料的半導(dǎo)體多孔膜)、含有氧化還原電對的電解液和對電極三部分組成,其中對電極通常為貴金屬鉑(Pt)電極。然而,Pt價格昂貴、儲量有限且易與電解液中的氧化還原電對(13-/I-)反應(yīng),影響了DSC的成本的降低及長期穩(wěn)定性,嚴(yán)重限制了DSC的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此,開發(fā)低成本、儲量豐富以及穩(wěn)定的對電極催化材料迫在眉睫。本文設(shè)計(jì)并合成了鉬、鎢和鈮的碳化物、氮化物及氧化物,可替代Pt催化材料應(yīng)用于構(gòu)建高效低成本DSC。 首先,利用有機(jī)無機(jī)雜化法合成了具有較大比表面積的介孔Mo2C納米纖維,并將其作為對電極催化材料用于DSC,介孔Mo2C納米纖維表現(xiàn)出與Pt相近的催化性能。相同條件下比較了不同形貌的Mo2C在DSC中的催化性能,證明了介孔Mo2C納米纖維由于其較大的比較面積,表現(xiàn)出較高催化活性。另外,利用相同的實(shí)驗(yàn)方法合成了WO2納米棒,并首次將其作為對電極組裝DSC,取得了與Pt組裝的DSC相近的能量轉(zhuǎn)換效率。 其次,利用尿素-金屬氯化物的化學(xué)方法合成了NbC(N)、NbN及Nb205,并將其作為對電極應(yīng)用于DSC體系中。J-V, EIS和CV實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Nb205的催化活性最好。此外,通過調(diào)節(jié)溫度合成了三種晶型的Nb2O5及一種晶型NbO2。在DSC體系中,系統(tǒng)比較了晶型結(jié)構(gòu)與催化活性之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單斜晶型的Nb205催化活性較好,四方晶型的NbO2催化活性超越了Pt。同時,合成的負(fù)載型催化材料(介孔碳負(fù)載的Nb205和碳負(fù)載的NbO2)均表現(xiàn)出高于Pt的催化性能,表明負(fù)載是提高材料的催化性能的有效方法。研究了不同氣氛燒結(jié)氛圍對氧化物對電極催化活性的影響,結(jié)果表明惰性氣體燒結(jié)的薄膜的催化活性較高。 最后,成功地設(shè)計(jì)并制備了全柔性大面積DSC,通過引入光散射層或施加機(jī)械壓力優(yōu)化了全柔大面積DSC的性能,并將開發(fā)的理想的非Pt對電極(Nb02及NbO2/C)應(yīng)用于此大面積柔性DSC中,實(shí)現(xiàn)了非Pt對電極大面積實(shí)用化應(yīng)用。另外,制備了藝術(shù)大面積DSC,使DSC實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化與藝術(shù)化的統(tǒng)一 【關(guān)鍵詞】：合成 非鉑 對電極 染料敏化太陽能電池 催化材料
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(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4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-29
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 太陽能電池的分類11-12
• 1.3 DSC的結(jié)構(gòu)及工作原理12-15
• 1.3.1 DSC的結(jié)構(gòu)12-13
• 1.3.2 DSC的基本工作原理13-15
• 1.4 DSC分析測試方法15-17
• 1.4.1 電流密度-電壓曲線15-16
• 1.4.2 光電轉(zhuǎn)化效率IPCE16-17
• 1.5 DSC的組成材料17-27
• 1.5.1 導(dǎo)電基底材料17-18
• 1.5.2 半導(dǎo)體多孔膜18
• 1.5.3 染料敏化劑18-20
• 1.5.4 電解液20-21
• 1.5.5 對電極21-27
• 1.5.5.1 金屬Pt對電極21-22
• 1.5.5.2 碳材料對電極22-24
• 1.5.5.3 高分子導(dǎo)電聚合物對電極24-26
• 1.5.5.4 無機(jī)化合物對電極26-27
• 1.6 目前DSC對電極存在的問題27-28
• 1.7 本課題選題依據(jù)和意義28-29
• 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容29-36
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑、設(shè)備29-31
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料29
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑29-30
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備30-31
• 2.2 DSC的制備31-32
• 2.3 DSC分析測試方法32-36
• 3 鉬、鎢系化合物的合成及在DSC中的應(yīng)用36-47
• 3.1 引言36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容36-37
• 3.3 結(jié)果與討論37-46
• 3.3.1 鉬、鎢系化合物的材料表征37-40
• 3.3.2 鉬、鎢系化合物在DSC中的應(yīng)用40-42
• 3.3.3 鉬、鎢系化合物催化性能表征42-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 4 鈮系化合物的合成及在DSC中的應(yīng)用47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容47-48
• 4.2.1 鈮系碳化物、氮化物、氧化物的合成47
• 4.2.2 Nb_2O_5/MC的合成47-48
• 4.2.3 介孔NbO_2/C的合成48
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論48-61
• 4.3.1 鈮系化合物前驅(qū)體材料EDS表征48-49
• 4.3.2 鈮系碳化物、氮化物及氧化物的材料表征49-53
• 4.3.3 鈮系碳化物、氮化物及氧化物在DSC中的應(yīng)用53-56
• 4.3.3.1 循環(huán)伏安測試53-54
• 4.3.3.2 電流密度-電壓測試54-55
• 4.3.3.3 電化學(xué)阻抗測試55-56
• 4.3.4 氧化鈮的晶型結(jié)構(gòu)對催化性能影響56-61
• 4.3.4.1 循環(huán)伏安測試57
• 4.3.4.2 電流密度-電壓測試57-59
• 4.3.4.3 電化學(xué)阻抗測試59-60
• 4.3.4.4 塔菲爾測試60-61
• 4.4 負(fù)載型氧化鈮在DSC中的應(yīng)用61-62
• 4.5 燒結(jié)氣氛對氧化物對電極催化活性的影響62-64
• 4.5.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容62-63
• 4.5.2 氣體燒結(jié)氛圍對氧化物電極催化性能影響63-64
• 4.6 本章小結(jié)64-65
• 5 非Pt對電極在柔性DSC的應(yīng)用研究65-73
• 5.1 引言65
• 5.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容65-66
• 5.2.1 大面積柔性DSC的制備65-66
• 5.2.1.1 低溫光陽極的制備65
• 5.2.1.2 低溫對電極的制備65-66
• 5.2.1.3 全柔性DSC的制作66
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論66-71
• 5.3.1 大面積柔性DSC的光陽極性能優(yōu)化66-69
• 5.3.2 低溫NbO_2及NbO_2/C對電極在大面積柔性DSC的應(yīng)用69-71
• 5.4 大面積柔性DSC的實(shí)用化應(yīng)用研究71-72
• 5.5 本章小結(jié)72-73
• 6 結(jié)論73-74
• 參考文獻(xiàn)74-81
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況81-82
• 致謝82-83

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