染料敏化太阳能电池对电极催化材料的制备及研究

发布时间：2017-11-02 12:31

  本文关键词：染料敏化太阳能电池对电极催化材料的制备及研究

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【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)作为一种新型太阳能电池,具有高能量转换效率,低制作成本,绿色环保和轻便简易等诸多优点,成为当下被广泛研究的光伏器件之一。染料敏化太阳能电池主要由TiO2光阳极,对电极和电解液组成。其中,对电极主要负责收集从外电路来的电子,催化氧化还原电子对(Iˉ/I3ˉ)的循环再生,因此,对电极催化材料的性能对整个电池系统的性能优劣有着十分重要的影响。常用的金属铂对电极尽管具备极好的电催化性能,但因为制作成本极高,严重影响了的DSSC的产业化生产和广泛应用,因此寻找一种高效低成本的铂的替代材料成为对电极研究的热点。本论文主要采用CuInS_2纳米晶与碳纳米纤维基质相结合的思路来制备高效低廉的对电极催化材料。主要工作如下(1)以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、CuCl2、InCl3、C2H5NS和石墨烯(GO)为纺丝原料,通过静电纺丝和碳化的方法,使PVP分解,分别制得Cu InS_2和GO+CuInS_2两种纳米纤维,将其分别作为DSSC的对电极材料,通过交流阻抗和塔菲尔等化学方法测试了电极和电池的电催化性能和界面性质。结果表明,基于CuInS_2和GO+CuInS_2两种样品对电极的DSSC的能量转换效率分别达到5.27%和5.93%。(2)以聚丙烯腈(PAN)、CuCl2、InCl3、C2H5NS和石墨烯(GO)为纺丝原料,采用静电纺丝和碳化的方法,依次制得CIS/C,p-CIS/C,p-RGO@CIS/C三种复合纳米纤维。其中,p-RGO@CIS/C纳米纤维作为DSSC的对电极材料时,展示了比p-CIS/C和CIS/C对电极更佳的催化性能,组装的DSSC的能量转换效率达到7.23%,超过标准的铂对电极,这主要与其特殊的分级多孔结构和较大的比表面积有关。(3)利用常见生活垃圾—鸡蛋壳膜(ESM)作为原料,通过简单的液相浸渍和碳化的方法制备了负载CuInS_2的碳化的鸡蛋壳膜(CESM),并作为DSSC的对电极材料。该CESM-CuInS_2复合材料呈现三维多孔的纳米纤维网络结构,CuInS_2纳米晶的平均尺寸在25 nm左右。作为DSSC对电极,电池的光电转换效率达5.79%,接近于标准Pt对电极。
【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 碳纳米纤维 静电纺丝 铜硫铟
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-25
• 1.1 太阳能电池的研究背景12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSCS)13-17
• 1.2.1 DSSCs的发展13
• 1.2.2 DSSCs的基本结构与工作原理13-15
• 1.2.3 DSSCs的性能参数15-16
• 1.2.4 光阳极简述16-17
• 1.3 对电极的研究进展17-21
• 1.4 静电纺丝与纳米纤维21-23
• 1.4.1 静电纺丝的原理21-22
• 1.4.2 静电纺纳米纤维在电极材料中应用22-23
• 1.5 课题研究的目的、内容及创新点23-25
• 1.5.1 研究的目的23
• 1.5.2 研究的内容23-24
• 1.5.3 创新点24-25
• 2 CuInS_2纳米纤维的制备25-38
• 2.1 前言25
• 2.2 实验部分25-27
• 2.2.1 实验材料25-26
• 2.2.2 实验仪器26
• 2.2.3 纺丝溶液的配制26
• 2.2.4 导电玻璃基底的预处理26
• 2.2.5 CuInS_2/PVP纳米纤维的制备26-27
• 2.2.6 GO+CuInS_2/PVP纳米纤维的制备27
• 2.2.7 CuInS_2和GO+CuInS_2纳米纤维的制备27
• 2.2.8 染料的配置27
• 2.2.9 光阳极的制备27
• 2.2.10 太阳能电池的组装27
• 2.3 测试与表征27-28
• 2.3.1 形貌表征27-28
• 2.3.2 微结构表征28
• 2.3.3 拉曼测试28
• 2.3.4 光电转换性能测试28
• 2.3.5 循环伏安 (CV)测试28
• 2.3.6 阻抗(EIS)和塔菲尔极化(Tafel polarization) 测试28
• 2.4 结果与分析28-37
• 2.4.1 纤维形貌分析28-29
• 2.4.2 TEM分析29-30
• 2.4.3 XRD分析30-31
• 2.4.4 EDS元素分布31-32
• 2.4.5 拉曼分析32-33
• 2.4.6 循环伏安33-34
• 2.4.7 I-V曲线34-35
• 2.4.8 交流阻抗35-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 CuInS_2碳纳米纤维的制备38-54
• 3.1 前言38
• 3.2 实验部分38-39
• 3.2.1 实验材料38
• 3.2.2 实验仪器38
• 3.2.3 溶液的配置38
• 3.2.4 静电纺丝38-39
• 3.2.5 对电极材料的制备39
• 3.2.6 对电极的制备39
• 3.2.7 染料的配置39
• 3.2.8 光阳极的制备39
• 3.2.9 电池的组装39
• 3.3 测试与表征39-40
• 3.3.1 XPS能谱测试39-40
• 3.3.2 孔隙率测试40
• 3.4 结果与讨论40-53
• 3.4.1 纤维形貌分析40-41
• 3.4.2 TEM分析41-44
• 3.4.3 XRD分析44-45
• 3.4.4 比表面积和孔径分布分析45-47
• 3.4.5 XPS能谱分析47
• 3.4.6 拉曼分析47-49
• 3.4.7 循环伏安49-50
• 3.4.8 交流阻抗50-51
• 3.4.9 塔菲尔曲线51-52
• 3.4.10 I-V曲线52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 4 碳化鸡蛋壳膜负载CuInS_2纳米晶复合膜材料的制备54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 实验部分54-55
• 4.2.1 实验材料54
• 4.2.2 实验仪器54
• 4.2.3 酸处理54-55
• 4.2.4 浸渍前驱液55
• 4.2.5 鸡蛋壳膜的碳化55
• 4.2.6 对电极的制作55
• 4.2.7 染料的配置55
• 4.2.8 光阳极的制备55
• 4.2.9 电池的组装55
• 4.3 测试与表征55
• 4.4 结果与分析55-65
• 4.4.1 XRD分析55-56
• 4.4.2 纤维形貌分析56-58
• 4.4.3 TEM分析58-59
• 4.4.4 CESM-CuInS_2的制备机理59-60
• 4.4.5 拉曼分析60
• 4.4.6 比表面积和孔径分布分析60-61
• 4.4.7 I-V曲线61-62
• 4.4.8 交流阻抗和塔菲尔曲线62-63
• 4.4.9 XPS能谱分析63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 结论66-68
• 参考文献68-71
• 附录：硕士研究生学习阶段发表论文及参加科研目和专利71-73
• 致谢73

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