用于染料敏化太阳电池对电极的柔性碳纳米纤维膜研究

发布时间：2017-11-05 13:20

  本文关键词：用于染料敏化太阳电池对电极的柔性碳纳米纤维膜研究

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【摘要】：碳纳米纤维膜(CNFs)具有优异的拉伸强度、热稳定性、导电性和催化活性,是近年来世界各国科研工作者的研究热点。然而,较差的弯曲性能以及本身的脆性严重限制了其在复合材料领域的应用。为改善这一缺陷,本文首先以聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、碱式乙酸铝(Al(OH)C4H6O4)为前驱体,采用静电纺丝工艺制备了不同Al(OH)C4H6O4含量的复合纳米纤维膜。其中,所用Al(OH)C4H6O4与PAN的质量比分别为1.6:1、2.4:1、3.2:1和4.0:1。研究了不同Al(OH)C4H6O4含量的复合纳米纤维的形貌、直径分布、化学成分,并根据热重分析(TGA)的结果初步确定将700°C作为碳化温度。随后,将PAN/PVP和PAN/PVP/Al(OH)C4H6O4进行预氧化和碳化处理,分别得到CNFs和氧化铝(Al2O3)/碳(C)复合纳米纤维膜(ACNFs)。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、多功能力学测试仪和四探针测试仪等表征方法进行研究。结果表明,CNFs表面光滑且带有微孔,断裂实验证明CNFs是脆性材料。ACNFs表面粗糙,可以清楚看到γ-Al2O3和CNFs的相分离,CNFs的表面存在有γ-Al2O3。随着γ-Al2O3含量的增加,ACNFs的弯曲刚度和弯曲模量大幅降低,这表明其弯曲性能得以提升。提高CNFs可弯曲性能的主要原因是γ-Al2O3本身具有柔韧性。同时,γ-Al2O3含量的增加导致了ACNFs导电性能下降。综合力学、电学性能选取质量比Al(OH)C4H6O4:PAN为2.4:1,此时复合碳纳米纤维膜的弯曲刚度为65.42±0.67 mN·mm2,弯曲模量为10.90±0.11 MPa,电阻率为16.264Ω·cm。在此基础之上,研究了不同碳化温度对于ACNFs力学和电学性能的影响。结果显示,ACNFs的平均直径随着碳化温度的升高而降低,纤维直径分布随着碳化温度的升高而趋于均匀。随着碳化温度的升高,ACNFs的可弯曲性略微下降,但导电性有明显提高。综合力学、电学性能选取800°C作为碳化温度,此时复合碳纳米纤维膜的弯曲刚度为70.38±1.28mN·mm2,弯曲模量为13.60±0.25 MPa,电阻率为12.104Ω·cm。最后,选用质量比Al(OH)C4H6O4:PAN为2.4:1,碳化温度为800°C制备ACNFs,将其作为对电极组装柔性染料敏化太阳电池(FDSSC),并对FDSSC的性能进行表征。同时对FDSSC光阳极也进行了研究,发现光阳极TiO2颗粒分布均匀,略有少许团聚,该光阳极TiO2具有较好的结晶度。通过循环伏安法得到的曲线展现了较好的氧化还原峰,表明对电极膜对I3-/I-氧化还原电对具有较好的氧化还原作用。通过光电转换效率分析得到FDSSC的光电转换效率η=2.26%。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ342.74;TM914.4

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