多功能导电凝胶电解质的合成及其准固态染料敏化太阳能电池的性能研究

【摘要】：目前,在染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)中最常应用的电解质是液态电解质,但由于其具有易挥发、难封装等缺点,降低了电池的长期稳定性,限制了DSSC的商业化进程。为了提高DSSC的长期稳定性及光电转换效率,本文以聚丙烯酸-十六烷基三甲基溴化铵[poly(acrylic acid)-cetyltrimethylammonium bromide, PAA-CTAB]以及聚丙烯酸-聚乙二醇[polyacrylate/poly(ethylene glycoi), PAA-PEG]为基体,负载I-/I3-氧化还原电对,制备性能优异的准固态导电凝胶电解质,并详细介绍了其制备过程、反应机理、性能表征等内容。为了解决液态电解质的易泄露、易挥发等问题,从而提高DSSC的长期稳定性以及整个电池器件的光伏性能,本文将导电聚合物聚苯胺(polyaniline, PANi)或聚吡咯(polypyrrole, PPy)引入PAA-CTAB基体中制备导电凝胶电解质PAA-CTAB/PANi、PAA-CTAB/PPy、PAA-CTAB.研究结果表明PANi、PPy在PAA-CTAB的基体中形成了相互连接的导电通道,有利于缩短I3-离子的传输距离,增加I3-离子与电子发生还原反应的面积,从而提高I3-离子与电子还原反应速率。实验测得室温条件下导电凝胶电解质PAA-CTAB/PAN1、PAA-CTAB/PPy、 PAA-CTAB的离子电导率分别为：8.55、7.93、6.38 mS cm-,由PAA-CTAB、 PAA-CTAB/PANi、PAA-CTAB/PPy组装的DSSC的光电转换效率分别为6.07%、7.11%、6.39%,这说明PANi、PPy能明显提高电池的光伏性能。本文将导电聚合物引入准固态电解质基体中,为电解质的研究提供了新途径,将其应用到准固态DSSC中以期能制备出高性能的DSSC。纳米碳材料具有优异的导电性、分子粒径小有利于扩散进入PAA-CTAB的微孔结构中、材料来源广等优势。本文采用自由基聚合制备PAA-CTAB基体,将冷冻干燥后的基体分别浸泡在石墨烯(graphene, G)、氧化石墨烯(graphene oxide,GO)、石墨粉(nanographite, NG)的饱和液态电解质溶液中,同时将冷冻干燥后的基体浸泡在不含纳米碳材料的液体电解质中作为参比,液体电解质在渗透压作用与毛细管作用下扩散进入PAA-CTAB基体中,吸附平衡后得到导电凝胶电解质。室温条件下与PAA-CTAB的相比PAA-CTAB/G、PAA-CTAB/GO、PAA-CTAB/NG的离子电导率都有明显的提高,分别为：10.56、9.91、7.33 mS cm-1,这表明G、 GO、NG有效的提高了电解质的电学性能;同时与PAA-CTAB组装的DSSC的6.07%的光电转换效率相比,由PAA-CTAB/G、PAA-CTAB/GO、PAA-CTAB/NG制备的DSSC的光电转换效率分别为7.06%、6.35%、6.17%。这表明G、GO、 NG能显著提高电解质电化学性能。由上述两步实验可以看出,纳米石墨烯具有大幅改善电解质电化学性能的潜力,因此为了制备性能优异的准固态电解质,本文将石墨烯掺杂到PAA-PEG基体中形成PAA-PEG/G导电凝胶电解质。为了优化实验方案,控制石墨烯的含量分别为：0%～5%(m石墨烧/m单体),其他实验条件一致,结果表明石墨烯含量为3%的导电凝胶电解质的性能优异,并测得电池的光电转换效率为7.41%。通过将石墨烯含量分别为0%～5%的多孔PAA-PEG/G浸泡在含有石墨烯的液态电解质中,来提高导电凝胶电解质中石墨烯的含量,提升电解质的电化学性能,实验测得石墨烯含量为3%的电解质得到了8.30%的光电转换效率。本文采用自由基聚合制备了PAA-CTAB、PAA-PEG基准固态电解质,探讨了导电物质以及纳米碳材料对电解质的电学、电化学性能的影响。并将电解质应用到电池中,测定电池的的光电转换效率,为电解质的研究开拓了新方向,推动了DSSC的研究进程。 【关键词】：准固态导电凝胶电解质 染料敏化太阳能电池 石墨烯 聚丙烯酸 聚苯胺
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 引言14-15
• 1.2 DSSC的结构及基本原理15-25
• 1.2.1 DSSC的结构15
• 1.2.2 DSSC的工作原理15-17
• 1.2.3 光阳极17-19
• 1.2.4 电解质19-24
• 1.2.5 对电极24-25
• 1.3 本课题的研究目的、主要内容及创新性25-28
• 1.3.1 本课题的研究目的25-26
• 1.3.2 主要研究内容26
• 1.3.3 本论文的创新性26-28
• 第二章 PAA-CTAB/PANi准固态电解质的制备及其准固态染料敏化太阳能电池的性能研究28-46
• 2.1 引言28
• 2.2 实验部分28-33
• 2.2.1 实验试剂和仪器28-29
• 2.2.2 PAA-CTAB的合成29-30
• 2.2.3 PANi的合成30
• 2.2.4 PPy的合成30
• 2.2.5 导电凝胶电解质的制备30-31
• 2.2.6 准固态DSSC的组装31
• 2.2.7 电解质的测试及表征方法31-33
• 2.3 结果分析与讨论33-45
• 2.3.1 PAA-CTAB的合成原理33-35
• 2.3.2 PAA-CTAB的多孔结构35-36
• 2.3.3 导电凝胶电解质的红外光谱36
• 2.3.4 电解质的离子电导率时间的关系36-38
• 2.3.5 电解质的Arrhenius关系图38-40
• 2.3.6 Pt对电极对I_3~-的催化活性40-42
• 2.3.7 导电凝胶电解质的EIS谱与Tafel极化曲线42-44
• 2.3.8 准固态DSSC的光伏性能44-45
• 2.4 总结45-46
• 第三章 PAA-CTAB/纳米碳准固态电解质的制备及其准固态染料敏化太阳能电池的性能研究46-62
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-51
• 3.2.1 实验药品与仪器47-48
• 3.2.2 多孔PAA-CTAB的合成48
• 3.2.3 导电凝胶电解质的制备48-49
• 3.2.4 准固态DSSC的组装49
• 3.2.5 表征及分析方法49-51
• 3.3 实验结果分析51-61
• 3.3.1 电解质的红外光谱51
• 3.3.2 准固态DSSC的电荷传输理论51-53
• 3.3.3 多孔PAA-CTAB对液态电解质的吸附动力学53-54
• 3.3.4 导电凝胶电解质的电学性能54-56
• 3.3.5 Pt对电极对I~-/I_3~-的电催化活性56-58
• 3.3.6 电解质的EIS谱与Tafel极化曲线58-60
• 3.3.7 准固态DSSC的光伏曲线60-61
• 3.4 总结61-62
• 第四章 PAA-PEG/G准固态电解质的制备及其准固态染料敏化太阳能电池的性能研究62-81
• 4.1 引言62
• 4.2 实验部分62-66
• 4.2.1 实验药品及仪器62-63
• 4.2.2 多孔PAA-PEG的合成63-64
• 4.2.3 导电凝胶电解质的制备64
• 4.2.4 准固态DSSC的制备64-65
• 4.2.5 分析与表征方法65-66
• 4.3 实验结果分析66-80
• 4.3.1 PAA-PEG的合成原理66-68
• 4.3.2 PAA-PEG的微孔结构68
• 4.3.3 多孔PAA-PEG对液态电解质的吸附动力学68-73
• 4.3.4 离子电导率73-74
• 4.3.5 Pt对电极对I~-/I_3~-的电催化活性74-76
• 4.3.6 电解质的EIS谱与Tafel极化曲线76-78
• 4.3.7 准固态DSSC的光伏曲线78-80
• 4.4 总结80-81
• 第五章 总结81-83
• 5.1 实验结果总结81-82
• 5.2 不足与展望82-83
• 参考文献83-91
• 致谢91-92
• 个人简历92
• 发表的学术论文及获奖情况92-93

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