复合碳材料对电极的制备与光电化学性质研究

发布时间：2017-10-14 14:35

本文关键词：复合碳材料对电极的制备与光电化学性质研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)因其价格较低、制备简便、质料对环境无污染、光电转换效率相对较高等优点而成为当前的研究热点之一,它极有可能代替传统的硅基太阳能电池而成为新型的光伏元件,受到了科研界与工业界的一致关注。染料敏化太阳能电池一般主要由三部分组成,分别为光阳极(已敏化过的纳米晶半导体)、对电极和电解质。其中对电极部分在DSSC的工作过程中担当催化还原氧化态电解质的关键任务,其电催化功能、电子传输能力、光电化学持久性等方面的性能也会在一定水平上制约着电池的光伏表现。传统上的对电极是由一块镀了铂(Pt)的导电玻璃充当,然而Pt为贵金属,Pt电极制作过程需成本较高,在实际中的大范围运用受到局限。所以,采用相对简便的手段,制得价格较低、效率较高的对电极,对DSSC的发展具有十分重要的意义。本文主要从这一方面入手,研究了具有差异的几种复合材料对电极的制备及性能。(1)F掺杂Sn02/炭黑复合材料对电极的制备及其性质研究。由于炭黑具有成本低廉,电导率高等优点,并且对碘三化合物具有较优良的催化活性,本文采用水热法合成F掺杂的SnO2水胶体,以此作为黏合剂,进而制出F掺杂SnO2/炭黑对电极。通过XRD和SEM分别对制备出的薄膜纳米晶对电极进行晶相分析和形貌观察测试。通过光电化学、电化学测试手段对其进行光电化学和电化学性能测试。研究表明,光阳极为N719敏化过的Ti02薄膜纳米晶电极,相对比于铂对电极进行测试,基于F掺杂Sn02/炭黑对电极的开路光电压显著提高,由0.693 V到0.710 V,提高了2.45%,电池的光电转换效率为6.01%,仅次于Pt对电极的8.41%,将来铂对电极有望被代替。(2)聚苯胺／炭黑复合对电极的制备及其性质研究。鉴于导电聚苯胺(PANI)自身的网状结构和导电性,炭黑颗粒有效地吸附在聚苯胺的枝状长链上,这将会大大的增强薄膜对电极的催化活性。本文将聚苯胺、炭黑在室温条件下按不同的质量比机械混合,向此混合物中加入N-甲基吡咯烷酮、OP乳化剂、PVP溶液,经充分研磨,制得薄膜对电极。SEM测试表明聚苯胺网状结构显著,适量的炭黑能够有效填充聚苯胺的网状空隙,为I3-/I-氧化还原电对提供了较有效的催化活性枝点。对该对电极组装成的染料敏化太阳能电池进行100mW/cm2的白光照射。测试结果显示：复合材料对电极中炭黑含量变化时,光电转换效率会有所不同,适量的炭黑有助于改善其光电性质,当炭黑质量分数为3%时,该对电极组装后的电池光电转化效率达到最大,约为8.29%,仅次于铂的8.90%。与此同时,开路光电压为：0.694 V,该电压大于铂的(0.681 V),增加了1.91%,可见在DSSCs中,聚苯胺/炭黑复合对电极在提高电池的光电性能方面具有一定潜力。(3)ZnO(Al)/石墨复合薄膜对电极的制备及性能研究。首先合成ZnO(Al)溶胶,并和石墨粉混合后涂在基底导电玻璃上,经高温煅烧、退火后制得Al掺ZnO/石墨粉复合材料对电极。采用电化学、光电化学手段对基于该对电极的电池进行性能研究。测试数据表明,和铂对电极相比,ZnO (Al)/石墨粉复合对电极的光电性能较为稳定,光电转化效率(η)8.21%,仅次于Pt(8.90%),开路光电压明显提高,由0.682 V到0.690 V,提高了1.18%;相比于Al掺杂ZnO对电极,Al掺杂ZnO/石墨复合对电极的光电性能有了很大改善,其Isc、Voc、FF、η均有了很大的提高,η由2.93%增到8.21%。
【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 炭黑 聚苯胺 光电化学性能
【学位授予单位】：信阳师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
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