染料敏化太阳能电池中低成本对电极的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSC)因其较成本低廉、环境友好、制作工艺简单和光电转换效率高,已经成为目前的研究热点。作为DSC的重要组成部分,对电极通常是由金属Pt沉积在FTO导电玻璃上制成的。然而,Pt是稀有贵金属,FTO导电玻璃价格昂贵,并且传统Pt对电极制作工艺复杂,这些均使DSC对电极成本居高不下。为了降低DSC的制作成本,促进DSC的产业化进程,扩大DSC的应用领域,制作高效低成本对电极将具有重要意义。针对上述分析,本文围绕高效低成本对电极展开,旨在开发简单的Pt对电极制作工艺,新的低成本对电极催化材料和基底材料。 首先,为了降低Pt的用量,开发了适合于大面积生产的浸渍法制备刚性的Pt/FTO和柔性的Pt/ITO-PEN对电极。该方法工艺简单、低温操作、适合大面积生产,J-V、CV SEM和紫外可见吸收光谱的测试结果显示,制备的Pt对电极具有高效、高透明度以及Pt负载量小等优点。 其次,合成了三种非Pt催化材料,包括碳化钛(TiC),氧化钨(WO2)和氮化钒(VN),作为对电极应用于DSC中,得到了与Pt类似的催化性能。并且引入了三种非FTO的基底材料,包括刚性的普通玻璃,柔性的钛(Ti)箔和聚酰亚胺膜,应用于DSC中,制备了非Pt非FTO对电极,取得了很好的效果。其中以Ti箔为基底的DSC最优性能超过了基于FTO基底的DSC。为了进一步提高上述三种非Pt材料的催化性能,对它们进行了负载Pt和Ti02的处理,制备了二元、三元复合材料,催化性能得到大幅度提升。 最后,从DSC实用化角度出发,将浸渍法制备的Pt对电极以及非Pt催化材料应用到大面积DSC中,设计构型并成功制备了5×5cm2的大面积串联DSC,得到了6.84%的高光电转换效率和2.7V以上的高电压,实现了DSC的实用化。耐久性测试结果显示,在分别经历了1000h的室外条件和连续光照后,制备的大面积DSC仍然可以保持很高的光电性能,具有良好的长期稳定性。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 催化剂 低成本 过渡金属化合物
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 DSC的结构、组成及工作原理11-15
• 1.2.1 DSC的结构11
• 1.2.2 DSC的工作原理11-12
• 1.2.3 DSC的组成12-15
• 1.3 DSC对电极的研究现状15-19
• 1.3.1 金属材料15-16
• 1.3.2 碳材料16-17
• 1.3.3 高分子导电聚合物17-18
• 1.3.4 无机化合物18-19
• 1.3.5 复合材料19
• 1.4 选题意义及研究内容19-21
• 2 实验内容21-29
• 2.1 主要仪器和化学试剂21-23
• 2.1.1 主要仪器设备21-22
• 2.1.2 化学试剂22-23
• 2.2 DSC的制备23-24
• 2.2.1 基板的处理23-24
• 2.2.2 光阳极的制备24
• 2.2.3 对电极的制备24
• 2.2.4 DSC的组装24
• 2.3 DSC的分析测试方法24-29
• 2.3.1 光电性能测试24-26
• 2.3.2 循环伏安测试26
• 2.3.3 电化学阻抗测试26-27
• 2.3.4 塔菲尔极化曲线测试27
• 2.3.5 扫描电子显微镜27
• 2.3.6 X-射线衍射27
• 2.3.7 X-射线光电了能谱27-28
• 2.3.8 紫外可见吸收光谱28-29
• 3 浸渍法制备Pt对电极29-40
• 3.1 引言29
• 3.2 浸渍法制备刚性Pt/FTO对电极29-31
• 3.2.1 实验内容29-30
• 3.2.2 结果与讨论30-31
• 3.3 浸渍法制备柔性Pt/ITO-PEN对电极31-39
• 3.3.1 实验内容31-32
• 3.3.2 Dip-Pt/ITO-PEN对电极的SEM表征32-33
• 3.3.3 Dip-Pt/ITO-PEN对电极在DSC中的应用及其催化性能的表征33-38
• 3.3.4 Dip-Pt/ITO-PEN对电极的透光性能表征38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 非Pt催化材料在DSC中的应用40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 实验内容40
• 4.3 非Pt催化材料的性能表征及在DSC中的应用40-44
• 4.3.1 三种过渡金属化合物的材料表征40-42
• 4.3.2 三种过渡金属化合物的光电性能表征42-44
• 4.4 TiC膜厚度对催化性能的影响44-50
• 4.4.1 不同厚度TiC对电极横断面SEM表征44-45
• 4.4.2 不同厚度TiC对电极的光电性能表征45-46
• 4.4.3 TiC对电极的厚度对催化性能的影响46-49
• 4.4.4 TiC对电极的稳定性研究49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 非FTO基底材料在DSC中的应用51-61
• 5.1 引言51
• 5.2 基于FTO与普通玻璃基底材料的Pt对电极比较51-55
• 5.2.1 实验内容51
• 5.2.2 结果讨论51-55
• 5.3 非Pt非FTO对电极在DSC中的应用55-60
• 5.3.1 实验内容55
• 5.3.2 非Pt非FTO对电极的光电性能表征55-57
• 5.3.3 TiC在不同非FTO基底上的催化性能表征57-60
• 5.4 本章小结60-61
• 6 负载型催化材料在DSC中的应用61-72
• 6.1 引言61
• 6.2 实验内容61
• 6.3 二元复合材料在DSC中的应用61-64
• 6.3.1 三种复合材料的光电性能表征61-62
• 6.3.2 Pt负载量对催化性能的影响62-64
• 6.4 三元复合材料在DSC中的应用64-71
• 6.4.1 复合材料的表征64-68
• 6.4.2 复合材料的催化性能68-71
• 6.5 本章小结71-72
• 7 浸渍法Pt对电极及非Pt对电极在大面积串联DSC中的应用72-80
• 7.1 引言72-73
• 7.2 实验内容73
• 7.2.1 光阳极的制备73
• 7.2.2 对电极的制备73
• 7.2.3 电池的组装73
• 7.3 结果讨论73-78
• 7.3.1 不同光强下的光电性能表征73-74
• 7.3.2 大面积串联DSC的电化学阻抗测试74-76
• 7.3.3 大面积串联DSC的长期稳定性测试76-78
• 7.4 本章小结78-80
• 结论80-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况87-89
• 致谢89-90

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