染料敏化太阳能电池新型对电极材料研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)作为一种新型的化学太阳能电池,由于其低成本的优势,已经成为传统的硅基太阳能电池的替代选择之一,并成为近年来的研究重点。贵金属铂具有优良的电催化活性、良好的导电能力和化学稳定性,因此,在目前的染料敏化太阳能电池中,对电极材料一直采用贵金属铂。鉴于铂的资源储量有限,价格不断上涨,所以探索非铂、廉价且具有高催化活性的对电极对发展染料敏化太阳能电池具有重要意义。 本论文工作制备了几种廉价的对电极材料,研究了不同对电极材料在染料敏化太阳能电池体系中对电解质中的I3-／I-的电催化性能。主要研究工作包括如下内容： (1)染料敏化太阳能电池的氮化钛对电极材料。采用阳极氧化金属钛片制备的二氧化钛纳米管阵列,再通过氮化处理直接得到了高度有序的氮化钛纳米管阵列,并首次将其作为染料敏化太阳能电池的对电极进行研究。重点研究了氮化钛电极材料在染料敏化太阳能电池体系中对电解质溶液中的I3-／I-的电催化性能,并通过电化学和光电性能测试,分析了影响对电极的电催化活性的相关因素。研究显示,TiN纳米管阵列电极有较大的表面积、良好的导电性和电催化活性,用TiN纳米管阵列做对电极时,在对电极／电解质界面具有较小的电荷转移电阻和欧姆内阻,可使碘离子有良好的扩散通道,因此可获得与用FTO/Pt对电极时相当的光电转化效率。该研究结果为高电催化性能和低成本的对电极材料的研究探索了一个新的发展方向。 (2)染料敏化太阳能电池的表面氮化镍对电极材料。本工作研究了表面氮化的金属镍片以及镍颗粒多孔膜的电催化性能。研究显示,金属镍在氨气中煅烧后,在表面会形成一层很薄的镍氮化合物,而其体相仍然保持稳定的金属镍结构。其中,表层的镍氮化合物对电催化性能有利,体相的金属镍对导电性有利。由于具有这样的双重功能结构,表面氮化的镍片和镍颗粒膜呈现出良好的电催化活性和导电性。相应的,将其用作染料敏化太阳能电池的对电极时可获得与FTO/Pt对电极时相当的光电转化效率。因此,表面氮化镍对电极材料可作为非铂、廉价的新型电极材料,并有望在将来应用于染料敏化太阳能电池。 (3)染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极材料。通过在氩气中高温碳化天然竹子和橡木制备了高度有序的介孔碳阵列。由于天然木材有紧密相连的骨架、取向相同的微米管束、均匀的材质,因此所制备的介孔碳有高度有序的微米管阵列结构、较宽的介孔孔径、较大的比面积、良好的电催化活性和导电性。采用橡木介孔碳阵列作为染料敏化太阳能电池的对电极,可获得与FTO/Pt对电极相媲美的光电化学性能。此外,用天然木材材料作为前驱体为廉价介孔碳阵列的大规模生产提供了一个简单的方法。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 氮化钛纳米管阵列 氮化镍 介孔碳阵列
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-40
• 第一节 引言12
• 第二节 染料敏化太阳能电池的结构及其原理12-17
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构12-13
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的光电转换原理13-17
• 第三节 染料敏化太阳能电池的发展史及面临的问题17-32
• 1.3.1 TiO_2多孔膜的研究进展19-21
• 1.3.2 敏化染料的研究进展21-23
• 1.3.3 电解质的研究进展23-24
• 1.3.4 对电极的研究进展24-31
• 1.3.6 染料敏化太阳能电池对电极存在的主要问题31-32
• 第四节 本论文的研究目的和研究内容32-33
• 参考文献33-40
• 第二章 实验方法40-55
• 第一节 染料敏化太阳能电池的制备流程40-42
• 第二节 染料敏化太阳能电池的性能测试42-46
• 2.2.1 开路电压和短路电流42-43
• 2.2.2 光电转换效率43-45
• 2.2.3 I-V特性曲线45-46
• 第三节 影响染料敏化太阳能电池性能的主要因素46-49
• 2.3.1 染料敏化太阳能电池本身的因素47-49
• 2.3.2 染料敏化太阳能电池外部的影响因素49
• 第四节 电极材料的表征分析方法49-53
• 2.4.1 X射线结构分析(XRD)49-50
• 2.4.2 扫描电镜分析(SEM)50
• 2.4.3 透射电镜分析(TEM)50
• 2.4.4 X射线光电子能谱分析(XPS)50-51
• 2.4.5 I-V特性曲线测试51-52
• 2.4.6 交流阻抗测试(EIS)52
• 2.4.7 电极材料的BET表面测试52-53
• 参考文献53-55
• 第三章 TiN电极的制备以及光电性能研究55-73
• 第一节 引言55-56
• 第二节 不同对电极的制备以及性能表征56-57
• 3.2.1 对电极的制备56-57
• 3.2.2 电极材料的结构表征57
• 3.2.3 电极材料的I-V特性曲线测试57
• 3.2.4 电极材料的EIS测试57
• 第三节 实验结果分析与讨论57-70
• 3.3.1 电极材料的形貌57-61
• 3.3.2 电极材料的XRD61-62
• 3.3.3 电极材料的XPS62-64
• 3.3.4 电极材料的I-V特性曲线64-65
• 3.3.5 电极材料的EIS65-70
• 第三节 本章小结70
• 参考文献70-73
• 第四章 氮化镍的制备以及光电性能研究73-95
• 第一节 引言73
• 第二节 不同对电极的制备以及性能表征73-75
• 4.2.1 不同对电极的制备73-74
• 4.2.2 样品的表征74-75
• 4.2.3 电极材料的I-V特性曲线测试75
• 4.2.4 电极材料的EIS测试75
• 第三节 实验结果与讨论75-91
• 4.3.1 金属Ni电极材料在450℃氮化前后的XRD图75-76
• 4.3.2 氮元素在氮化镍表面的含量76-78
• 4.3.3 不同氮化镍电极材料的表面形貌78-79
• 4.3.4 不同电极材料的I-V特征曲线79-81
• 4.3.5 不同电极材料的EIS81-83
• 4.3.6 不同氮化条件下镍的XRD83-84
• 4.3.7 不同氮化条件下镍电极的I-V特性曲线84-86
• 4.3.8 金属镍氮化物的XPS86-91
• 第三节 本章小结91-92
• 参考文献92-95
• 第五章 纳米介孔碳微米管阵列的制备以及光电性能研究95-110
• 第一节 引言95-96
• 第二节 纳米介孔碳微米管阵列的制备与表征96-97
• 6.2.1 竹子、橡木碳微米管阵列电极的制备96
• 6.2.2 样品的表征96
• 6.2.3 电极材料的BET表面测试96
• 6.2.4 电极材料的I-V特性曲线测试96
• 6.2.5 电极材料的EIS测试96-97
• 第三节 实验结果分析与讨论97-107
• 6.3.1 高温碳化前后材料的XRD97
• 6.3.2 高温碳化后材料的SEM与TEM97-101
• 6.3.3 天然木材碳化后的孔径分布与BET表面特征101-103
• 6.3.4 不同对电极的I-V特性曲线103-105
• 6.3.5 不同对电极的EIS105-107
• 第四节 本章小结107-108
• 参考文献108-110
• 第六章 结论110-112
• 个人简历及攻读博士学位期间发表的研究成果112-113
• 致谢113

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