基于碳纳米纤维复合对电极材料的高效染料敏化太阳能电池

发布时间：2018-05-03 10:05

  本文选题：碳纳米纤维 + 对电极材料　； 参考：《河北大学》2017年硕士论文

【摘要】：作为第三代太阳能电池,染料敏化太阳能电池(Dye sensitized solar cell,DSC)因具有生产成本低廉、能量转化效率高、制备工艺简单以及环境友好等优点,而备受关注。DSC通常由三个部分组成:吸附有染料的半导体薄膜光阳极、电解液和对电极。半导体材料通常为TiO_2,染料为N719,电解液中含有I3-/I-氧化还原电对,传统的对电极催化材料为铂(Pt)。然而,Pt是贵金属,不仅价格昂贵且存储量有限,限制了DSC的发展。另外,Pt易被电解液中的I3-/I-腐蚀,进而影响DSC的稳定性。因此,为了降低DSC成本并提高其稳定性,研究开发低成本、高效且耐腐蚀的非铂催化材料势在必行。复合材料在能源转换、能源存储以及有机合成等领域有望代替贵金属铂,近年来,吸引了科研工作者的研究热情。本工作以开发复合材料为切入点,设计并合成了基于碳纳米纤维载体的硫化物、合金、氧化物等一系列复合对电极材料,并将其用作染料敏化太阳能电池的对电极,组装光电器件,研究其光电性能,获得了较高的能量转化效率。首先,采用静电纺丝技术制备碳纳米纤维,利用水热合成法设计并合成了四硫化三钴纳米颗粒,并将其负载到碳纳米纤维表面制备低成本复合材料(Co3S4/ECs)。利用球磨和喷涂技术制备对电极,应用到DSC中研究复合材料的光电性能。结果显示,在新型Co3+/Co2+电解液体系中,复合对电极材料Co3S4/ECs表现出优异的催化性能,远远优于Pt,说明制备基于碳纳米纤维的高效低成本复合对电极材料的方法是可行的。其次,基于碳纳米纤维载体,采用一锅法,在不添加其它封端剂的条件下合成了碳纳米纤维负载的Pt_3Ni合金复合材料(Pt_3Ni/CNs),并对Pt_3Ni/CNs复合材料进行过渡金属铬(Cr)掺杂,制备碳纳米纤维负载Cr掺杂的Pt_3Ni合金复合材料(Cr-Pt_3Ni/CNs),以期提高复合材料的催化性能。用上述方法将两种复合材料制备对电极,结合I3-/I-电解液研究其光电性能。实验结果表明,复合材料Pt_3Ni/CNs表现出很高的催化性能,获得了8.34%的能量转化效率,高于相同条件下制备的Pt对电极(7.04%)。Cr掺杂后,复合材料的催化性能进一步得到提高,能量转化效率达8.76%。以上所有数据表明制备复合对电极材料是开发高效低成本对电极材料的一种有效方法,同时也证明,对材料进行过渡金属掺杂有利于提高其催化性能。最后,采用水热合成法合成了二氧化锰,用其对碳纳米纤维进行表面包覆,制备MnO_2包覆的碳纳米纤维复合对电极材料(MnO_2/CNFs),并研究了不同MnO_2膜厚对复合材料催化性能的影响。研究发现,当碳纳米纤维表面的MnO_2膜厚约为100 nm时,其催化性能最高,以此复合材料制备对电极组装DSC,表现出优于Pt的光电性能。综上所述,本文设计并合成了基于碳纳米纤维载体的复合对电极材料,并将其应用到DSC对电极中研究其光电性能。复合材料表现出优于传统Pt对电极的催化性能,极大地拓宽了对电极材料的取材范围,降低了染料敏化太阳能电池的制备成本,增强了DSC的市场竞争力。
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本文编号：1838062