La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3和La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3用作染料敏化太阳能电池对电极的性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells, DSSC)是一种能够将太阳能转化成电能的光伏器件,由于其具有成本低廉、制造工艺简单、环境友好及较高的能源转化效率等优势而受到了广泛的关注。而作为染料敏化太阳能电池主要的构成部件之一,对电极的主要用途是将来自外电路的电子传导至氧化还原体系以及催化氧化还原对的还原再生。因此,这就要求理想的对电极材料具有良好的导电性能及催化活性。贵金属Pt作为传统的理想对电极材料,具备优异的催化活性和导电性,但是其具有资源稀缺、价格昂贵等缺点,这就不利于Pt大规模的应用于DSSC的产业化。因此,为了有效降低DSSC的成本和稳定性,有必要开发高效廉价稳定的Pt替代材料。至今,已有多种廉价材料被开发出替代Pt这种贵金属,如：复合材料、导电聚合物、过渡金属化合物以及碳材料等等。但是,以上所述的Pt替代材料仍然有着不足之处,例如硫化物具有毒性,导电聚合物制作工艺复杂等等。因此在本文中,我们致力于开发一种具有廉价、高效、无毒、稳定和制作工艺简单的对电极材料。AB03钙钛矿型氧化物的组成元素取材范围广,并且具有许多优秀物理性能的氧化物,例如铁电性、磁性、导电性和催化性能等等,近年来人们对其做了大量的研究工作。作为钙钛矿型氧化物家族的重要成员,La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)、 La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)由于具有优秀的催化性能、导电性能,且制备工艺简单、无毒以及在高温和酸性潮湿条件下的具有稳定性等优点而备受关注,并被应用于固体燃料电池等领域。因此,本文尝试用溶胶凝胶法制备出纯相的LSMO和LSCO,作为Pt对电极可替代材料应用于染料敏化太阳能电池中,提供了在钙钛矿氧化物中寻找Pt电极替代材料的新思路,主要研究内容如下：(1)利用溶胶凝胶法制备出纯相的La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)。通过X射线衍射(XRD)分析样品的纯度、扫描电子显微镜(SEM)观察物质的表面形貌,可以得出LSMO样品是大小为50-150nm的颗粒且具有不规则形状。然后将LSMO粉末制备成对电极应用于DSSC中。通过太阳光模拟器测试DSSC的J-V曲线和电化学工作站(EIS)测试LSMO对电极的电化学性能。实验结果测得LSMO电极和Pt电极的光电转换效率分别为6.62%和7.15%,LSMO电极的光电转换效率达到Pt的92.6%。电化学测试结果分析得出,LSMO具有良好的稳定性、导电性能和催化性能。实验证明,LSMO是较为理想的Pt替代材料,制备出具有更好催化性能和导电性能的LSMO以应用到DSSC中是非常具有潜力的研究方向。(2)通过溶胶凝胶法成功的制备出纯相的La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO),这种制备工艺简单,可以大量的制备LSCO,利于LSCO应用于DSSC大规模的产业化。通过XRD和SEM分析可知,制备出来的LSCO粉末是纯相的大小为100-400nnm的不规则颗粒。光伏性能测试测得LSCO电极和Pt电极的光电转换效率分别为7.17%和7.06%。电化学实验结果表明,LSCO具有较优秀的催化性能及导电性能。实验表明,LSCO是较为理想的Pt电极替代材料,通过研发出具有更高催化性能和导电性能的LSCO对电极材料将是一个非常具有前景的研究方向。以上实验结果表明,钙钛矿型的LSMO和LSCO氧化物都具有较为理想的导电性能和催化性能,是较为理想的Pt替代材料。本文为染料敏化太阳能电池对电极的替代材料研究带来了新的思路。而通过改变其材料的形貌、颗粒大小或通过引入其他新的物质等方法来提高染料敏化太阳能电池的转换效率有待进一步探索。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 溶胶凝胶法 La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;O611.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 太阳能电池研究背景及历史现状10-12
• 1.2 太阳能电池的分类12-15
• 1.2.1 硅基太阳能电池13
• 1.2.2 有机太阳能电池13
• 1.2.3 多元化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池14-15
• 1.3 DSSC的组成结构15-19
• 1.3.1 光阳极及光阳极材料15-16
• 1.3.2 对电极及对电极材料16-18
• 1.3.3 电解质18-19
• 1.4 DSSC的工作原理19-20
• 1.5 本课题的研究内容与立题意义20-22
• 第二章 实验性能表征22-30
• 2.1 实验表征22-30
• 2.1.1 X射线衍射22
• 2.1.2 扫描电子显微镜22
• 2.1.3 紫外-可见分光光度计22-23
• 2.1.4 光伏性能表征23-25
• 2.1.5 电化学性能表征25-30
• 第三章 La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3作为Pt对电极替代材料在DSSC中的研究30-41
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验部分31-33
• 3.2.1 制备La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3颗粒31-32
• 3.2.2 电极的制备与电池的组装32-33
• 3.3 实验结果及分析33-40
• 3.3.1 物理性能表征33-34
• 3.3.2 光学性能表征34-35
• 3.3.3 光伏性能评价35-36
• 3.3.4 电化学性能评价36-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3作为新颖对电极材料应用于DSSC的研究41-50
• 4.1 引言41-42
• 4.2 实验部分42-43
• 4.2.1 样品制备42
• 4.2.2 电极制备与电池组装42-43
• 4.3 实验结果及分析43-49
• 4.3.1 物理性能表征43-45
• 4.3.2 循环伏安法45
• 4.3.3 光伏性能测试45-46
• 4.3.4 电化学阻抗谱46-47
• 4.3.5 塔菲尔极化曲线47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 结论与展望50-52
• 参考文献52-59
• 致谢59-60
• 硕士期间公开发表论文及著作情况60

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