过渡金属硫化物基薄膜的制备及染料敏化太阳能电池对电极应用
发布时间：2020-10-11 03:58
对电极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分,对催化电解质的还原再生起着至关重要的作用。寻找替代贵金属Pt的对电极材料,是促进染料敏化太阳能电池进一步发展的有效途径。相比于寻求新的对电极材料,如何对现有活性不高的对电极材料进行改善是获得低廉高效对电极的重要手段。过渡金属硫化物在可替代Pt的对电极材料中,以电催化性能优异、储量丰富、成本低廉以及元素种类多等优势备受关注。本文从电催化剂表面吸附能调控、电催化剂表面活性位点替换以及面向工业化生产的角度出发,探索了过渡金属硫化物对电极电催化活性的改良策略,以及大面积、柔性、高活性CoS对电极的制备方法。具体研究工作如下:提出了利用超薄Co_3S_4活性层大幅提高Co_3O_4惰性电极电催化活性的研究策略。理论计算表明,将惰性的Co_3O_4表层转化为Co_3S_4可显著提升其对I原子的吸附能(由0.347eV提升到了0.835 eV),提高其对I~-/I_3~-氧化还原反应的催化活性;实验发现,利用快速溶液硫化方法,仅30 s的硫化处理就能将Co_3O_4表面单层转化为活性Co_3S_4,将I_3~-还原反应的电催化活性大幅提升。染料敏化太阳能电池测试表明,硫化获得的Co_3S_4/Co_3O_4复合电极呈现与传统热解Pt电极相似的对电极性能,获得了8.6%的太阳能光电转换效率。研究了催化位点种类对黄铜锡矿多元过渡金属硫化物(Cu_2XSnS_4)材料电催化活性的影响。以研究较为充分的Cu_2ZnSnS_4对电极材料为对象,将其中的Zn元素替换为具有高电催化活性的过渡金属Co和Ni元素,利用溶胶凝胶方法制备了多孔Cu_2XSnS_4薄膜。研究表明,Cu_2CoSnS_4和Cu_2NiSnS_4薄膜展现了相比Cu_2ZnSn S_4更高的I~-/I_3~-电催化活性和稳定性。组装的染料敏化太阳能电池取得了与传统热解Pt为对电极的染料电池相当的光电转换效率(8.3%)。理论计算结果表明这种性能提升和催化剂表面吸附能与解吸附能的平衡相关。探索了高性能CoS对电极的低温和大面积制备方法。采用超声喷雾热解法一步制备CoS粉体材料,进一步与PVDF和PEDOT:PSS等聚合物粘结剂复合,实现了高活性CoS对电极的低温和大面积(10×10 cm)制备。研究表明,这种新型CoS基对电极材料具备与传统热解Pt相当的界面电荷转移电阻,组装的染料敏化太阳能电池达到了8.8%的光电转换效率。多点取样测试表明,大面积对电极呈现了很好的位置-电催化活性一致性。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
可持续发展是当今人类面临的重要挑战之一[1,2]。在所有可再生能源技术中，丰富洁，安全，低廉的太阳能电池光伏技术可以利用光电效应将太阳能直接转换成电能最有前景的光伏装置。染料敏化太阳能电池被认为是很多光伏电池中最有前途的太阳能电池之一[3]。991 年由瑞典科学家 Gr tzel 首次报道以来，染料敏化太阳能电池光电转换效率已经初的 7%逐步提升[4]。据报道，染料敏化太阳能电池的效率已经达到 14%以上，在衬底 FTO 上制作设备的认证值为 11.9%，在柔性衬底上设备(聚对苯二甲酸乙二醇PET)/ITO)的认证值为 7.6%。与其他新型电池相比，染料敏化太阳能电池制备简单，环境友好，成本低廉，它前发展最快、产业化最先进的光伏器件，推进了光伏电池技术的快速发展。将敏化颜色多样性和对电极的透明、柔性、光响应度结合起来，实现染料敏化电池在现代、汽车、服饰、背包、帐篷等方面的应用是其特有的优势，相比于硅电池和钙钛矿，具有很大的应用价值。
2公司制作的染料敏化电池灯罩以及用可在再生材料制作成磁砖存储电池窗产间展示图 年，索尼公司制作了染料敏化电池构成的灯罩 Hana-Akiri。该灯罩可以外的大多数种类的光源，进而转换成电能。进一步，用可再生材料内染料敏化太阳能电池器件产生的电能储存在磁砖中，实现了对电能(图 1.2)。另外，索尼公司还开发出一种染料敏化太阳能电池供电灯，集成光伏器件中检验了电池的有效性。染料敏化太阳能电池的逐步研究与发展，将其应用于我们生活中的各。有研究表明，利用太阳能光伏器件，未来可以实现手机自动充电，至是下雨天也可以存储电能。未来，染料敏化电池将可以全面应用于、房屋、帐篷、发电站等很多领域，实现图 1.3 所示的全太阳能电池
图 1.3 染料敏化太阳能电池全覆盖的建筑物 染料敏化太阳能电池原理及组成.1 染料敏化太阳能电池工作原理1.2.1.1 太阳能电池伏安特性曲线太阳能电池的伏安特性曲线表征了电池在一定光照和环境温度 300 K 下，电流函数关系[5,6]。一般规定标准测试条件为：标准的 AM 1.5G 太阳照射。在最佳工作点，太阳能电池达到最大功率 Pm，对应最佳工作电压 Vm和最佳工Jm。填充因子(FF)定义为= = =( )如图 1.4 中所示，小长方形的面积，表示最大功率 Pm=JmVm，大长方形的面积，填充因子 FF 反应了两个长方形面积的接近程度。转换效率η与短路电流 J
【参考文献】
本文编号：2836028
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
可持续发展是当今人类面临的重要挑战之一[1,2]。在所有可再生能源技术中，丰富洁，安全，低廉的太阳能电池光伏技术可以利用光电效应将太阳能直接转换成电能最有前景的光伏装置。染料敏化太阳能电池被认为是很多光伏电池中最有前途的太阳能电池之一[3]。991 年由瑞典科学家 Gr tzel 首次报道以来，染料敏化太阳能电池光电转换效率已经初的 7%逐步提升[4]。据报道，染料敏化太阳能电池的效率已经达到 14%以上，在衬底 FTO 上制作设备的认证值为 11.9%，在柔性衬底上设备(聚对苯二甲酸乙二醇PET)/ITO)的认证值为 7.6%。与其他新型电池相比，染料敏化太阳能电池制备简单，环境友好，成本低廉，它前发展最快、产业化最先进的光伏器件，推进了光伏电池技术的快速发展。将敏化颜色多样性和对电极的透明、柔性、光响应度结合起来，实现染料敏化电池在现代、汽车、服饰、背包、帐篷等方面的应用是其特有的优势，相比于硅电池和钙钛矿，具有很大的应用价值。
2公司制作的染料敏化电池灯罩以及用可在再生材料制作成磁砖存储电池窗产间展示图 年，索尼公司制作了染料敏化电池构成的灯罩 Hana-Akiri。该灯罩可以外的大多数种类的光源，进而转换成电能。进一步，用可再生材料内染料敏化太阳能电池器件产生的电能储存在磁砖中，实现了对电能(图 1.2)。另外，索尼公司还开发出一种染料敏化太阳能电池供电灯，集成光伏器件中检验了电池的有效性。染料敏化太阳能电池的逐步研究与发展，将其应用于我们生活中的各。有研究表明，利用太阳能光伏器件，未来可以实现手机自动充电，至是下雨天也可以存储电能。未来，染料敏化电池将可以全面应用于、房屋、帐篷、发电站等很多领域，实现图 1.3 所示的全太阳能电池
图 1.3 染料敏化太阳能电池全覆盖的建筑物 染料敏化太阳能电池原理及组成.1 染料敏化太阳能电池工作原理1.2.1.1 太阳能电池伏安特性曲线太阳能电池的伏安特性曲线表征了电池在一定光照和环境温度 300 K 下，电流函数关系[5,6]。一般规定标准测试条件为：标准的 AM 1.5G 太阳照射。在最佳工作点，太阳能电池达到最大功率 Pm，对应最佳工作电压 Vm和最佳工Jm。填充因子(FF)定义为= = =( )如图 1.4 中所示，小长方形的面积，表示最大功率 Pm=JmVm，大长方形的面积，填充因子 FF 反应了两个长方形面积的接近程度。转换效率η与短路电流 J
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 郑大江;叶美丹;温晓茹;张囡;林昌健;;染料敏化太阳能电池中的电化学研究方法（英文）[J];Science Bulletin;2015年09期
2 龙曾成;伍秋美;杨海林;阮建明;;溶剂热法合成CoS纳米晶及其表征[J];粉末冶金材料科学与工程;2011年06期
本文编号：2836028
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