染料敏化太阳能电池用聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的制备与性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池是近些年发展起来的一种新型太阳能电池,他以其他太阳能电池无可比拟的优势而备受人们关注。本文在室温条件下,引入一种具有网状结构的导电聚苯胺为催化材料,以导电石墨为填充材料,炭黑颗粒附着在导电聚苯胺的枝状长链上提高对电极的催化活性,并对三者进行简单的机械共混后丝网印刷在FTO导电面上,成功制备了聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极。主要解决对电极催化活性和导电特性不能有效兼顾,制作工艺复杂的问题。扫描电镜(SEM)结果表示,通过三者简单的机械共混后,导电聚苯胺的网状结构依然存在,石墨的加入有效填充了聚苯胺之间的空隙,使聚苯胺的各枝链充分连接起来形成良好的通路,降低了电子被复合的机会,有效抑制了暗电流的产生,适量炭黑的加入粘附在了聚苯胺的枝状长链上,以其自身的催化特性为I3-/I-氧化还原电对提供更多、更有效的催化活性枝点,增强了聚苯胺／石墨／炭黑复合对电极的催化能力。 将此复合对电极应用到染料敏化太阳能电池中,并对不同对电极组装成的电池进行了光电性能测试,测试结果表明,当聚苯胺、石墨、炭黑的质量比为9：1：0.2时制备的复合对电极组装成的电池具有最高的光电转化效率,达到了8.8%,是同等条件下传统铂电极的127%。开路电压和短路电流密度分别达到了0.74V和23.23mA/cm2。因此,聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极是替代传统铂对电极的一个很好选择。 在上述的基础上,以聚苯胺、石墨、炭黑的质量比为9：1：0.2的复合对电极组装成的DSSCs为试样,探索了制备聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的最优工艺参数和手段。结果表明,热处理温度过高会破坏复合对电极薄膜的内部结构,进而影响对电极的导电性和催化活性。合适范围内的热处理时间对复合对电极的光电性能影响较小。乙基纤维素与聚乙烯吡咯烷酮相比,其比较难溶解,而且溶解后性能不太稳定,容易使浆料发生团聚,从而使聚苯胺被包裹,影响对电极材料本身的催化活性和导电性,并且破坏了对电极材料的原有多孔结构。丝网印刷法制备的复合对电极薄膜整体比较均匀,而且厚度单一、性能优异,可以被人们大规模生产应用。综合这些因素,本实验最终确定的对电极最优制备工艺参数及方法是热处理温度70℃、热处理时间30min、聚乙烯吡咯烷酮为粘结剂、丝网印刷法成膜。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 聚苯胺 石墨 网状多孔结构
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 DSSCs的基本结构及工作原理12-15
• 1.2.1 DSSCs基本结构12-14
• 1.2.2 DSSCs的工作原理14-15
• 1.3 DSSCs的性能表征参数15-17
• 1.3.1 开路电压V_(oc)15
• 1.3.2 短路电流密度J_(sc)15-16
• 1.3.3 填充因子FF16
• 1.3.4 电池的光电转换效率η16
• 1.3.5 J-V曲线16-17
• 1.4 DSSCs的研究进展17-21
• 1.4.1 DSSCs光阳极的研究进展18-19
• 1.4.2 DSSCs电解质的研究进展19
• 1.4.3 DSSCs染料的研究进展19
• 1.4.4 DSSCs对电极的研究进展19-21
• 1.5 制作对电极的常用方法21-22
• 1.6 DSSCs对电极在实际应用中存在的问题22
• 1.7 本文研究的目的和主要内容22-24
• 第二章 实验部分24-30
• 2.1 实验试剂和仪器24-25
• 2.1.1 实验试剂24
• 2.1.2 实验仪器24-25
• 2.2 基底预处理25
• 2.3 TiO_2光阳极的制备25-26
• 2.4 对电极的制备26
• 2.5 电解液的制备26
• 2.6 DSSCs的组装26-27
• 2.7 DSSCs的电化学性能研究27-30
• 2.7.1 光电性能测试27
• 2.7.2 循环伏安曲线测试(CV)27-28
• 2.7.3 交流阻抗测试(EIS)28
• 2.7.4 紫外-可见光谱28
• 2.7.5 形貌表征28-30
• 第三章 丝网印刷法制备聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极30-50
• 3.1 引言30-31
• 3.2 丝网印刷法制备聚苯胺/石墨复合对电极及其性能研究31-38
• 3.2.1 实验材料31
• 3.2.2 聚苯胺/石墨复合对电极的制备31
• 3.2.3 DSSCs的组装31
• 3.2.4 聚苯胺/石墨复合对电极的SEM表征31-32
• 3.2.5 聚苯胺/石墨复合对电极的光电性能研究32-34
• 3.2.6 入射单色光光电转化效率34-35
• 3.2.7 聚苯胺/石墨复合对电极的透光性研究35-36
• 3.2.8 聚苯胺/石墨复合对电极的电催化性能研究36-37
• 3.2.9 不同复合对电极组装成DSSCs的交流阻抗37-38
• 3.2.10 小结38
• 3.3 丝网印刷法制备聚苯胺/炭黑复合对电极及其性能研究38-42
• 3.3.1 实验材料38
• 3.3.2 实验内容38
• 3.3.3 聚苯胺/炭黑复合对电极的SEM表征38-39
• 3.3.4 聚苯胺/炭黑复合对电极的光电性能研究39-42
• 3.3.5 小结42
• 3.4 丝网印刷法制备聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极及其在染料敏化太阳能电池中的应用42-50
• 3.4.1 实验材料42-43
• 3.4.2 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的制备43
• 3.4.3 DSSCs的组装43
• 3.4.4 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的SEM表征43-44
• 3.4.5 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的光电性能研究44-45
• 3.4.6 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的透光性研究45-46
• 3.4.7 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的电催化性能研究46-47
• 3.4.8 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极组装成DSSCs的交流阻抗47-49
• 3.4.9 小结49-50
• 第四章 聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极的性能优化50-55
• 4.1 热处理温度和时间对聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极光电性能的影响50-52
• 4.2 粘结剂的选择对聚苯胺/石墨/炭黑复合对电极光电性能的影响52-53
• 4.3 对电极制备方法的选择53-54
• 4.4 小结54-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 参考文献57-64
• 致谢64-65
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文65

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