染料敏化太阳能电池WS_2对电极制备及性能研究

【摘要】：随着社会经济的发展，能源问题仍是困扰人类可持续发展的难题。化石能源的逐渐枯竭以及温室效应加剧，人们对如何利用太阳能代替化石能源课题日益关注，而太阳能电池则成为新能源材料的热门课题之一。太阳能电池将太阳能直接转化成电能，是一种清洁能源。常规的太阳能电池存在着各种缺陷，1991年瑞士科学家Michael Gr tzel和Brian O’Regan发明染料敏化电池(Dye-sensitized solar cell，DSSC)，它以制作工艺简单、成本低、性能稳定和对环境无污染等优点，在过去的几十年里，一直是世界各国能源研究的热点课题之一。 染料敏化太阳能电池通常是由吸附了染料敏化剂的工作电极、电解质、Pt对电极组成。但是，Pt是一种贵金属，十分稀有而且价格十分昂贵，因此不利于染料敏化太阳能电池的产业化发展。在以前的研究工作中，通常用碳材料、CoS、WC以及一些导电聚合等来替代Pt材料。 我们发现WS2纳米片作为染料敏化电池对电极时，WS2在氧化还原反应中显示了很好的催化活性，但由于WS2的导电性很差，所以这种材料作为对电极的染料敏化电池填充因子很低。因此，本论文对WS2材料进行优化，以提高WS2对电极的光电转换效率。本论文以WS2和MoS2两种材料作为染料敏化电池对电极的材料，重点对WS2对电极进行探索。使用锂离子电池中制作电极片的工艺制作对电极，并对WS2和MoS2两种对电极材料进行探索。本论文主要包括以下几个部分： 第一部分，简要介绍了太阳能电池的发展概况，对染料敏化太阳能电池的原理进行了简单的介绍并论述了本论文的实验目的和意义。 第二部分，对实验中的主要测试手段以及仪器原理进行介绍。 第三部分，将纯WS2材料作为染料敏化电池的对电极材料，对制作中需要的各种材料的比例进行探索。当活性材料：乙炔黑：PVDF三种材料的质量比为7：1.5：1.5时制得的WS2对电极性能最好。在最优条件下的短路光电流（Jsc）是15.18mAcm-2，开路光电压（Voc）是0.64V，填充因子（FF）是0.67，光电转换效率是5.48%，由于WS2对电极的填充因子与Pt对电极相差很大，因此与Pt对电极（6.6%）相比效率相差1.1%。但这也足以说明WS2是一种良好的对电极材料，当然其性能有待进一步优化 第四部分，使用简单的方法制备碳包覆WS2对电极。在最佳条件下碳包覆的WS2对电极光电转换效率达到了5.5%，与同等测试条件下的Pt对电极光电效率5.56%相近。并在最优条件下制备了柔性WS2对电极，柔性衬底为ITO(氧化铟锡)/PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯），在1个太阳下光电转换效率达到了5.02%。这说明碳包覆WS2材料是一种很有潜质的替代Pt的对电极材料。 第五部分，对W的同一副族元素Mo进行了探索，将MoS2作为染料敏化电池对电极材料，并与WS2材料为对电极进行了对比。MoS2对电极光电转化效率为3.49%，在同等测试条件下，WS2对电极、Pt对电极光电转换效率分别为4.39%和5.56%。因为MoS2对电极的短路光电流和开路光电压与WS2对电极还有一定差距，因此光电转化效率没有WS2对电极高。不过本论文是对纯MoS2材料进行的实验探索，如果对MoS2材料进行改良，相信电池性能会有很大的提升。 第六部分，本论文的工作总结与展望。 【关键词】：WS2 染料敏化电池 碳包覆 对电极 WS2对电极 MoS2
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 太阳能电池综述10-11
• 1.2 染料敏化电池的研究进展11-12
• 1.3 染料敏化电池的基本结构和工作原理12-16
• 1.3.1 染料敏化电池的基本结构12-13
• 1.3.2 染料敏化电池的工作原理13-15
• 1.3.3 染料敏化电池的几个重要参数15-16
• 1.4 各种染料敏化电池的对电极16-18
• 1.4.1 Pt 对电极16-17
• 1.4.2 非 Pt 对电极17-18
• 1.5 本课题研究背景及意义18-20
• 参考文献20-24
• 第2章 测试方法及其工作原理24-28
• 2.1 X 射线衍射法24-25
• 2.2 扫描电子显微镜（SEM）25
• 2.3 拉曼光谱仪（Ramam）25-26
• 2.4 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）26
• 2.5 本章小结26-27
• 参考文献27-28
• 第3章 WS_2对电极制备工艺优化28-40
• 3.1 WS_2的研究进展28-30
• 3.1.1 WS_2的结构简介28-29
• 3.1.2 WS_2主要应用29-30
• 3.1.3 WS_2在染料敏化电池中应用30
• 3.2 WS_2对电极的制作30-32
• 3.2.1 实验材料30
• 3.2.2 实验流程30-31
• 3.2.3 样品测量31-32
• 3.3 结果与讨论32-35
• 3.3.1 XRD 和 Raman 光谱32
• 3.3.2 SEM 形貌测试与分析32-33
• 3.3.3 循环伏安图谱33-34
• 3.3.4 光电流密度-电压特性34-35
• 3.4 本章小结35-37
• 参考文献37-40
• 第4章 碳包覆 WS_2对电极性能研究40-66
• 4.1 引言40-41
• 4.2 实验部分41-44
• 4.2.1 实验材料41
• 4.2.2 实验流程41
• 4.2.3 测量设备41-42
• 4.2.4 实验原理图42-44
• 4.3 结果与讨论44-63
• 4.3.1 XRD 数据分析44-45
• 4.3.2 SEM 形貌测试与分析45-46
• 4.3.3 高分辨透射电子显微镜测试分析（HRTEM）46-47
• 4.3.4 Raman 光谱分析47-48
• 4.3.5 循环伏安测试48-51
• 4.3.6 Tafel 曲线51-54
• 4.3.7 交流阻抗图谱54-57
• 4.3.8 光电转换效率图57-61
• 4.3.9 四探针法测量电阻率61-62
• 4.3.10 柔性 WS2对电极62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 参考文献64-66
• 第5章 MoS_2对电极的性能研究66-80
• 5.1 MoS_2的研究进展66-68
• 5.1.1 MoS_2结构简介66-68
• 5.1.2 MoS_2的主要应用68
• 5.2 MoS_2对电极制作68-69
• 5.3 WS2纳米片、MoS_2纳米片对电极的比较69-74
• 5.3.1 SEM 图比较69-70
• 5.3.2 XRD 图谱比较70-71
• 5.3.3 循环伏安图比较71-72
• 5.3.4 交流阻抗图谱比较72-73
• 5.3.5 光电转换效率比较73-74
• 5.4 不同厚度 MoS_2纳米片对电极的比较74-76
• 5.5 本章小结76-77
• 参考文献77-80
• 第6章 本论文的工作总结与展望80-82
• 致谢82-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录84-85

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