高效低成本氧化钨及碳电极材料的开发及在新型薄膜太阳能电池中的应用研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSCs)和有机-无机钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)由于具有制作工艺简单,理论能量转化效率高,成本较低等优点,是非常有发展潜力的两种新型薄膜太阳能电池。经过世界各国科学家的不断努力,目前DSCs和PSCs的能量转化效率(PCE)分别达到了13%和19%。 DSCs中的对电极和PSCs中的背电极是整个光伏器件结构中重要的组成部分,除了形成整个电池回路的作用之外,它们分别起着催化还原电解质中氧化态组分和收集空穴的作用。DSCs对电极催化材料通常为Pt,PSCs背电极通常为Au或者Ag。然而,这些材料的使用存在诸多问题。首先,Pt、Au、Ag是贵金属,价格昂贵且储量有限,势必影响到未来的大规模生产。其次,Pt对电极易被DSCs电解质中的I-/I3腐蚀,而Ag背电极在PSCs中容易被有机-无机钙钛矿腐蚀,因此影响了DSCs和PSCs的稳定性。为了提高稳定性以及降低DSCs、PSCs成本,需要开发出高效、低成本、耐腐蚀的非贵金属对电极和背电极材料。同时需要深入研究电池材料在器件中的作用和催化机制以及影响因素,以便为新材料的开发提供一定理论的指导意义。 本论文首先开发了新型高效低成本的氧化钨对电极,从化学组成、形貌、表面结构三个重要的角度深入研究了其对催化和DSCs性能的影响机制。为了进一步降低电池的成本、提高稳定性,成功制备了基于廉价碳材料的Pt-free和ITO-free的柔性对电极并研究了其在拟固态电解质中的催化和DSCs性能。同时将上述廉价碳材料经过简易的溶剂交换法,制备了适合有机-无机钙钛矿太阳能电池体系的低温导电碳浆,从而成功构建了基于碳背电极的HTM-free和metal-free的介观异质结钙钛矿太阳能电池和平板异质结钙钛矿太阳能电池,并详细研究了两种器件的光电性能、界面电子-空穴分离与收集、长期稳定性等问题。本论文的主要研究成果如下： (一)氧化钨纳米材料的开发及在DSCs中的应用研究 (1)开发了新型W02.72对电极催化材料,与已报道的非铂对电极不同,W02.72对电极在四种氧化还原电对中均表现出较好的催化和较高的DSCs性能,并发现了对电极与不同氧化还原电对之间存在着匹配关系。 (2)采用简单的、无模板溶剂热法可控合成了一维纳米线WO2.72。与三维多级结构相比,纳米线对电极具有两大突出特点：一是纳米线沿[010]晶向高度择优生长,有利于电子的快速传导和活性位点暴露；二是纳米线交织形成的网状结构有利于氧化还原电对的接触和扩散。因此,一维纳米线结构不但对I-/I3-电对表现出类铂的催化和DSCs性能并且对体积较大、扩散较慢的钴配合物和二茂铁电对也表现出较好的催化和DSCs性能。 (3)进一步深入研究了WO272纳米线的催化活性位点,发现表面氧空位是I-/I3-电对还原反应有效的催化活性位点。WO2.72NWS对电极中表面氧空位被填充后,由其组装的DSCs的PCE明显下降。 (二)碳背电极的开发及在HTM-free和metal-free异质结钙钛矿太阳能电池(HJ-PSCs)中的应用研究 (1)开发了低温即可制备的高性能碳背电极,并详细考察了碳背电极膜厚对其导电性和由其制备的PSCs光电性能的影响,研究了界面电子-空穴分离与收集,并研究了该种器件结构能够大幅改善器件耐久性的要因。研究发现该种碳背电极表面具有疏水性,可以有效抵御外部水分子对有机-无机钙钛矿三维晶体结构的破坏。该种电池在空气和高湿度环境中均表现出较好的稳定性,在空气中该种电池2000小时后未观察到光电性能有明显的劣化。上述研究结果为钙钛矿电池的基础研究、耐久性改善和应用奠定了一定的基础。 (2)进一步成功构建了全低温溶液法制备的ZnO/CH3NH3PbI3/C平板异质结钙钛矿太阳能电池(planar heterojunction perovskite solar cells, PHJ-PSCs),并对其结构及光电性能进行了研究。不仅刚性器件的能量转化效率与已报道的基于Au背电极HTM-free的介观异质结钙钛矿太阳能电池性能相当,而且开发的柔性器件的抗弯曲性能优越。这种全低温溶液法不但制作方法简单,而且成本低廉,为柔性电池的研究探索了一条新途径。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 有机-无机钙钛矿太阳能电池 对电极 氧化钨 碳电极
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• TABLE OF CONTENTS13-16
• 图目录16-21
• 表目录21-22
• 主要符号表22-23
• 1 绪论23-63
• 1.1 太阳能与太阳能电池23-26
• 1.1.1 太阳能基本介绍23-25
• 1.1.2 太阳能电池分类25-26
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSCs)26-48
• 1.2.1 基本结构26-27
• 1.2.2 工作原理27-29
• 1.2.3 性能参数29-30
• 1.2.4 表征及测试方法30-33
• 1.2.5 各组件研究现状33-48
• 1.3 有机-无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)48-57
• 1.3.1 基本结构48-49
• 1.3.2 工作原理49-50
• 1.3.3 各组件研究现状50-57
• 1.4 氧化钨与碳材料在DSCs和PSCs中的研究进展57-61
• 1.4.1 氧化钨的主要性质及其在DSCs中的研究进展57-59
• 1.4.2 碳材料在DSCs和PSCs中的研究进展59-61
• 1.5 本论文选题依据、研究内容及意义61-63
• 2 WO_(2.72 )纳米棒(NRBs)的合成及其在DSCs中的应用研究63-76
• 2.1 引言63-64
• 2.2 实验部分64-66
• 2.2.1 材料、试剂64
• 2.2.2 WO_(2.72)NRBs的合成64-65
• 2.2.3 WO_3纳米晶的合成65
• 2.2.4 电极制备与电池组装65-66
• 2.3 结果与讨论66-75
• 2.3.1 微观形貌及晶相结构66-69
• 2.3.2 WO_(2.72)NRBs在DSCs中的应用69-75
• 2.4 本章小结75-76
• 3 WO_(2.72 )形貌调控及其对DSCs及催化性能影响研究76-88
• 3.1 引言76
• 3.2 实验部分76-77
• 3.2.1 材料、试剂76
• 3.2.2 形貌调控76-77
• 3.2.3 电极制备与电池组装77
• 3.3 结果与讨论77-87
• 3.3.1 微观形貌、晶相结构及形成机理模型77-81
• 3.3.2 不同形貌WO_(2.72)在DSCs中的应用研究81-84
• 3.3.3 WO_(2,72)NWs结构破坏对DSCs及催化性能的影响研究84-86
• 3.3.4 WO_(2.72)NWs初期稳定性86-87
• 3.4 本章小结87-88
• 4 WO_(2.72 )NWs对电极在钴和铁配合物电对DSCs中的应用研究88-95
• 4.1 引言88
• 4.2 实验部分88-89
• 4.2.1 材料、试剂88-89
• 4.2.2 电极制备与电池组装89
• 4.3 结果与讨论89-94
• 4.3.1 循环伏安特性曲线研究89-91
• 4.3.2 Tafel极化曲线研究91-92
• 4.3.3 电池光电性能研究92-93
• 4.3.4 电化学阻抗研究93-94
• 4.4 本章小结94-95
• 5 Wo_(2.72 )表面氧空位调控及其对催化和DSCs性能影响研究95-106
• 5.1 引言95-96
• 5.2 实验部分96-97
• 5.2.1 材料、试剂96-97
• 5.2.2 电极制备与电池组装97
• 5.3 结果与讨论97-105
• 5.3.1 表面氧空位调控97-102
• 5.3.2 表面氧空位对I~-/I3~-催化及DSCs性能的影响102-105
• 5.4 本章小结105-106
• 6 基于Pt-free和ITO-free对电极的全柔性拟固态DSCs构建及性能研究106-113
• 6.1 引言106-107
• 6.2 实验部分107-108
• 6.2.1 材料与试剂107
• 6.2.2 电极制备与电池组装107-108
• 6.3 结果与讨论108-112
• 6.3.1 微观形貌108-109
• 6.3.2 循环伏安特性考察109-110
• 6.3.3 电池光电性能研究110-111
• 6.3.4 Tafel极化曲线与EIS研究111-112
• 6.4 本章小结112-113
• 7 基于碳背电极的HTM-free和metal-free异质结钙钛矿太阳能电池(HJ-PSCs)的构建及性能研究113-144
• 7.1 引言113-114
• 7.2 基于碳背电极的低成本高稳定性的TiO_2/CH_3NH_3PbI_3/C介观异质结钙钛矿太阳能电池114-129
• 7.2.1 实验部分114-117
• 7.2.2 结果与讨论117-129
• 7.3 低温ZnO/CH_3NH_3Pbl_3/C平板异质结钙钛矿太阳能电池(PHJ-PSCs)的构建及性能研究129-143
• 7.3.1 实验部分129-131
• 7.3.2 结果与讨论131-143
• 7.4 本章小结143-144
• 8 结论与展望144-147
• 8.1 结论144-145
• 8.2 创新点145
• 8.3 展望145-147
• 参考文献147-164
• 附录A 试剂缩写164
• 附录B 实验仪器清单164-166
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果166-168
• 致谢168-169
• 作者简介169

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