金属硫化物及其碳修饰在染料敏化太阳能电池对电极中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池以其廉价的成本,简单的制备工艺和较高的光电转换效率,受到了学术界和工业界广泛的关注。对电极作为染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分,其成本和性能直接影响着电池的制备成本和光伏性能。常用的对电极材料为贵金属铂。铂电极催化活性高,导电能力强,化学稳定性好,但铂储量有限且价格昂贵,不利于染料敏化太阳能电池的大规模生产。因此,探索非铂、高效的对电极材料对染料敏化太阳能电池的产业化发展具有重要意义。本文的主要工作是制备几种高效的非铂对电极材料,并研究其在染料敏化太阳能电池体系中的电催化性能。具体研究内容如下：(1)提出一种无模板剂可控合成不同相镍硫化合物的方法,并系统考察这些镍硫化合物作为对电极催化剂在染料敏化太阳能电池体系中的电化学性能。通过改变反应物中镍元素与硫元素的摩尔比,实现了NiS和NiS2空心球的控制合成。由BET比表面积测试可定量得到NiS和NiS2空心球的比表面积。结果显示,NiS2的比表面积比NiS的比表面积大近一倍。电化学分析表明,与NiS电极相比,NiS2电极的电催化活性更高,传荷电阻更低,电解液中13-离子在其表面的扩散阻抗更小。最终,采用NiS2对电极的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为7.13%,明显高于基于NiS对电极的电池效率(6.490%)。(2)采用溶剂热法制备空心球状的NiS/NiS2复合对电极材料。电化学分析表明,NiS/NiS2电极在含有I3-/I-氧化还原对的电解液中表现出优异的电催化性能,可以快速的将I3-还原为I-。基于NiS/NiS2对电极的染料敏化太阳能电池获得了7.66%的光电转化效率,超过基于贵金属铂电极的电池效率(7.01%)。(3)针对NiS纳米颗粒易团聚,发展了一种经石墨烯(RGO)修饰的NiS/RGO复合材料。RGO的引入一方面使NiS纳米颗粒分散生长在其表面,有效避免颗粒团聚。另一方面,RGO发达的导电网络能为电子的传输提供快捷通道,有效减小纳米颗粒晶界带来的不良影响。此外,二维结构的RGO拥有较大的比表面积,利于增加催化活性位置。NiS/RGO复合材料电极因充分利用NiS的高催化活性与RGO高效的导电网络而表现出优异的电化学性能。最终,NiS/RGO复合材料对电极的染料敏化太阳能电池光电转化效率为7.67%,高于NiS(6.25%)和RGO(2.92%)单独使用时的电池效率。(4)针对Bi2S3纳米颗粒易团聚,导电性不强等问题,构建以Bi2S3纳米颗粒和无定形碳为组元的Bi2S3-C立体结构,并研究其作为对电极材料在染料敏化太阳能电池体系中的电催化性能。由于Bi2S3纳米颗粒堆砌,存在大量晶界致使电子在其表面传输受限。无定形碳的引入,可修饰Bi2S3纳米颗粒结构上的不足,碳作为“电桥”连接Bi2S3纳米颗粒形成立体微球,为电子的传输提供了便利的通道。此外,相比于Bi2S3纳米颗粒,Bi2S3-C立体微球具有相互连通的孔结构,这更利于电解液中离子的扩散。EIS实验证实,离子在Bi2S3-C微球表面的扩散阻抗小于在Bi2S3纳米颗粒表面的扩散阻抗。优化碳含量后,基于Bi2S3-C对电极的染料敏化太阳能电池的光电转换效率为6.72%,与铂电极的电池效率相当(6.75%),比纯Bi2S3电极的电池效率提升了近20%。所以,Bi2S3-C电极是染料敏化太阳能电池铂对电极的理想替代者。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 金属硫化物 碳修饰 性能优化
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 染料敏化太阳能电池概述11-13
• 1.1.1 引言11-12
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池的发展历史12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构13-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 1.4 染料敏化太阳能电池的研究进展15-27
• 1.4.1 光阳极的研究进展15-18
• 1.4.2 染料敏化剂的研究进展18-21
• 1.4.3 电解质的研究进展21-22
• 1.4.4 对电极的研究进展22-27
• 1.5 论文的选题意义及研究内容27-28
• 参考文献28-35
• 第二章 实验部分及性能表征35-48
• 2.1 实验药品及仪器35-37
• 2.1.1 实验药品35-36
• 2.1.2 实验仪器36-37
• 2.2 材料表征37-40
• 2.2.1 X射线衍射分析(XRD)37
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)37-38
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)38
• 2.2.4 比表面积和孔径分布测试38-39
• 2.2.5 拉曼光谱分析(Raman)39-40
• 2.3 染料敏化太阳能电池光伏性能测试40-41
• 2.4 染料敏化太阳能电池电化学性能测试41-46
• 2.4.1 循环伏安(CV)42-43
• 2.4.2 电化学阻抗谱(EIS)43-44
• 2.4.3 Tafel极化曲线44-46
• 参考文献46-48
• 第三章 NiS和NiS_2对电极的制备及其光电性能研究48-66
• 3.1 引言48
• 3.2 实验过程48-50
• 3.2.1 NiS及NiS_2空心球的制备48-49
• 3.2.2 电极的制备及电池的组装49-50
• 3.2.3 材料的表征和测试50
• 3.3 NiS及NiS_2的表征50-55
• 3.4 电化学性能测试55-58
• 3.5 光伏性能测试58-59
• 3.6 电池稳定性研究59-61
• 3.7 本章小结61
• 参考文献61-66
• 第四章 NiS/NiS_2对电极的制备及其光电性能研究66-77
• 4.1 引言66-67
• 4.2 实验过程67-68
• 4.2.1 NiS/NiS_2复合材料的制备67
• 4.2.2 电极的制备及电池的组装67
• 4.2.3 材料的表征和测试67-68
• 4.3 NiS/NiS_2复合材料的表征68-70
• 4.4 光伏性能测试70
• 4.5 电化学性能测试70-73
• 4.6 本章小结73-74
• 参考文献74-77
• 第五章 RGO修饰NiS纳米颗粒及其光电性能研究77-92
• 5.1 引言77-78
• 5.2 实验过程78-79
• 5.2.1 氧化石墨(GO)的制备78
• 5.2.2 石墨烯修饰NiS纳米颗粒(NiS/RGO)的制备78
• 5.2.3 电极的制备及电池的组装78-79
• 5.2.4 材料的表征和测试79
• 5.3 NiS/RGO复合材料的表征79-81
• 5.4 电化学性能研究81-84
• 5.5 光伏性能研究84-85
• 5.6 不同氧化石墨添加量的电池性能85-88
• 5.7 本章小结88-89
• 参考文献89-92
• 第六章 碳修饰Bi_2S_3纳米颗粒及其光电性能研究92-110
• 6.1 引言92-93
• 6.2 实验过程93-94
• 6.2.1 Bi_2S_3-C复合材料的制备93
• 6.2.2 电极的制备及电池的组装93-94
• 6.2.3 材料的表征和测试94
• 6.3 Bi_2S_3-C复合材料的表征94-98
• 6.4 光伏性能研究98-100
• 6.5 电化学性能研究100-102
• 6.6 协同机制102-103
• 6.7 不同碳添加量的电池性能103-106
• 6.8 本章小结106
• 参考文献106-110
• 第七章 总结与展望110-112
• 致谢112-113
• 博士期间公开发表的论文113-114

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