染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极研究

发布时间：2017-10-24 15:00

  本文关键词：染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极研究

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【摘要】：使用了最先进技术的染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)因其光电转化效率高、制作工艺简单、所需成本较低及环境友好等特点引起了研究人员的极大关注。DSSCs由吸附有染料的TiO2光阳极、含有I3-/I-的电解液和对电极构成。其中,对电极是DSSCs中极为关键的组成部分,起到了收集光阳极中导出的电子并催化还原I3-为I-的作用。传统的对电极材料为铂(Pt),因其具有良好的催化能力。然而,Pt的价格昂贵且储量有限,在液体电解质中也极易被腐蚀,这严重制约了DSSCs的大规模应用。因此,探索低成本、高催化活性的Pt替代材料迫在眉睫。炭材料种类丰富且来源广泛,并具有优异的导电性和较高的稳定性,已被广泛的应用于能量储存与转换领域,如炭黑、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等。石墨烯是一种单原子厚度的二维炭材料,其独特的理化特性使其在DSSCs对电极材料中深受欢迎。本文以石墨烯基材料为研究对象,分别合成了磷掺杂的石墨烯(PG)和氮、磷共掺杂的石墨烯(NPG),研究了其作为DSSCs对电极使用时对I3-的催化还原性能。主要的研究内容和结果如下：以氧化石墨(GO)为碳源,H3PO4为磷源,通过高温退火的方法合成了PG。PG很好地维持了石墨烯(G)的二维层状结构,并且杂原子P的引入产生了了更多的缺陷,改变了G的电子特性和化学特性。与单纯的G和商业化的Pt对电极相比,PG对电极对13-的催化还原性能更优。考察了不能的原料配比和不同的退火温度对PG对电极性能的影响,研究发现当GO与H3PO4的质量比为1：1,退火温度为800℃时,DSSCs光电转换效率可实现最高的7.86%。也研究了其在超级电容器中的性能,探索了其作为多功能催化剂的潜质。以GO为碳源,三聚氰胺和三苯基膦分别作为氮源和磷源,通过先球磨后高温煅烧的方法合成了NPG。球磨操作确保了N原子和P原子掺杂到了G的晶格中,使G拥有了丰富的孔洞结构和更多的缺陷位。将其应用于DSSCs中时,发现其对13-的催化还原性能明显高于Pt对电极,并优于单元的氮掺杂石墨烯(NG)和磷掺杂石墨烯(PG),这是由于N原子和P原子的协同作用所导致的。考察了不同的煅烧温度对NPG对电极性能的影响,发现当退火温度为900℃时,DSSCs的光电转换效率可达到最高的8.57%。同时,NPG对电极也有很好的电化学稳定性。
【关键词】：石墨烯 对电极 催化还原 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-29
• 1.1 太阳能电池研究的历史与现状9-12
• 1.1.1 硅基太阳能电池10
• 1.1.2 多元化合物薄膜太阳能电池10
• 1.1.3 新型太阳能电池10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池12-16
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构12-14
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的重要性能参数15-16
• 1.3 染料敏化太阳能电池的对电极材料16-28
• 1.3.1 Pt对电极材料16-18
• 1.3.2 无机化合物对电极材料18-19
• 1.3.3 导电聚合物对电极材料19-21
• 1.3.4 炭材料对电极21-26
• 1.3.5 复合材料对电极26-28
• 1.4 本论文的选题依据与研究内容及意义28-29
• 2 实验部分29-38
• 2.1 实验原料、设备及表征仪器29-31
• 2.1.1 实验原料29-30
• 2.1.2 实验设备30
• 2.1.3 表征仪器30-31
• 2.2 材料制备31-34
• 2.2.1 氧化石墨(GO)的制备31-32
• 2.2.2 磷掺杂石墨烯的制备32-33
• 2.2.3 氮、磷共掺杂石墨烯的制备33-34
• 2.3 染料敏化太阳能电池的组装34-35
• 2.3.1 TiO_2光阳极的处理34
• 2.3.2 FTO导电玻璃的处理34
• 2.3.3 粘结剂的制备34
• 2.3.4 对电极的制备34
• 2.3.5 电池的组装34-35
• 2.4 染料敏化太阳能电池的电化学性能表征35-38
• 2.4.1 循环伏安测试35-36
• 2.4.2 交流阻抗测试36
• 2.4.3 塔菲尔极化测试36
• 2.4.4 光伏性能测试36-38
• 3 磷掺杂石墨烯的制备及其在DSSCs对电极中的性能研究38-51
• 3.1 引言38-39
• 3.2 电极的制备与电池的组装39
• 3.3 结果与讨论39-50
• 3.3.1 磷掺杂石墨烯的材料表征39-42
• 3.3.2 磷掺杂石墨烯在DSSCs中的电化学性能表征42-48
• 3.3.3 磷掺杂石墨烯在超级电容器中的电化学性能表征48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 氮、磷共掺杂石墨烯的制备及其在DSSCs对电极中的性能研究51-64
• 4.1 引言51
• 4.2 电极的制备与电池的组装51-52
• 4.3 结果与讨论52-63
• 4.3.0 氮、磷共掺杂石墨烯的材料表征52-56
• 4.3.1 氮、磷共掺杂石墨烯在DSSCs中的电化学性能表征56-61
• 4.3.2 协同作用对NPG性能的影响61-62
• 4.3.3 不同煅烧温度对NPG光伏性能的影响62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-73

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