染料敏化太阳能电池炭基对电极的制备与性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,简称DSSC)是根据光生伏特原理,将太阳能直接转化成电能的一种半导体光电器件。与传统的硅太阳能电池相比较,其主要的优点是成本低廉、制作工艺简单和性能稳定。传统的DSSC对电极(counter electrode, CE)采用的是贵金属Pt作为催化剂,导电玻璃作为基底。近年来,为了降低DSSC的制作成本,炭材料在DSSC对电极的应用越来越受到关注。大多数文献中报导将合成并炭化后的催化剂涂覆在导电玻璃基底表面制备炭对电极。这种工艺制备的对电极催化层导电性和催化活性都比较差,同时导致催化层附着性问题。本论文针对炭对电极制备中存在的问题,设计一种新型的结构一体化的炭基对电极,并进行了系统地研究。 本论文采用自制的煤基炭CE同时代替FTO导电玻璃和Pt催化层组装DSSC进行了性能表征和测试。煤基炭CE具有无定形碳的结构,表现出良好的导电性和对I3-还原反应良好的催化活性,其中气煤基炭CE组装的DSSC经过封装测试其光电转化效率达到了相同实验条件下传统Pt电极的89%,表现出良好的光电性能；经过浸渍处理的气煤基炭CE,在不改变其效率的前提下,结构得到了改良,形成了底层致密表面多孔的结构；同时还对气煤基炭CE进行了表面修饰,结果显示表面修饰后的光电性能得到大幅度提高,其光电转化效率达到了7.16%与传统Pt电极的效率(7.21%)相当,超过了石墨电极电池效率30%。 本论文自制的纯炭CE表面的有序介孔炭(ordered mesoporous carbon, OMC)催化层具有高度有序、紧密排列的碳骨架结构,DSSC电解质中的I3-和I-在有机电解液中尺寸大约为0.5和0.22nm,明显小于介孔的孔径(6-8nm),这有利于I3-快速进入介孔孔内发生还原反应,同时生成的I-也能快速的从孔内扩散到电解液中,揭示了具有OMC催化层的纯炭CE具有更高光电性能的原因。同时考察了OMC催化层不同炭化温度对纯炭CE光电性能的影响,不同炭化温度主要影响OMC催化层的碳骨架结构和催化层的比表面积,OMC催化层800℃炭化时具有最大的比表面积832.46m2/g,具有最好的光电性能。其电池效率达到了8.73%,稍高于传统Pt电极的电池效率(8.64%)。考察了不同介孔结构对纯炭CE性能的影响,与WMC催化层比较,OMC催化层表面高度有序的介孔结构能为有利于I3-扩散进入介孔内发生还原反应,同时有利于生成的I-从孔中向外扩散,OMC催化层纯炭CE具有更好的电池效率。与此同时在基底中分别掺杂了石墨和炭黑颗粒,考察了不同基底对纯炭CE光电性能的影响,当对电极催化活性欠佳时,提高对电极导电性可以在一定程度上提高电池效率；当对电极表面催化层对于I3-还原反应能提供良好催化活性时,对电极导电性改善不能进一步提高电池的效率 纯炭CE和煤基炭CE表面含有一定数量和比例的含氧官能团,即-C-OH、O=C-O-和-COOH。当两种对电极表面含氧官能团数量发生变化时,会引起对电极的光电性能发生不同程度的变化,电子在对电极/电解质界面的传递过程中阻力发生变化,电池效率也会随之发生变化。 【关键词】：对电极 煤基炭 有序介孔炭 含氧官能团 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-28
• 1.1 太阳能电池研究的历史进展11-13
• 1.1.1 太阳能电池的产生11-12
• 1.1.2 硅太阳能电池12
• 1.1.3 多元化合物薄膜太阳能电池12-13
• 1.1.4 聚合物多级修饰电极型太阳能电池13
• 1.1.5 有机太阳能电池13
• 1.1.6 纳米晶染料敏化太阳能电池13
• 1.2 染料敏化太阳能电池13-25
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的发展历史13-14
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)的结构14-15
• 1.2.3 DSSC的工作机理15-16
• 1.2.4 DSSC的工作参数16-19
• 1.2.5 DSSC各组成部分对其性能的影响19-21
• 1.2.6 DSSC对电极的制备方法21-23
• 1.2.7 DSSC对电极的研究进展23-25
• 1.3 煤基炭材料在电化学方面的应用25-26
• 1.4 选题的依据和研究内容26-28
• 2 实验原料与方法28-35
• 2.1 煤基炭CE的制备28
• 2.2 纯炭CE的制备28-30
• 2.3 煤基炭CE和纯炭CE的表面氧化处理30
• 2.4 DSSC的制备30-31
• 2.4.1 实验原料30
• 2.4.2 光阳极的制备30-31
• 2.4.3 传统Pt对电极的制备31
• 2.4.4 DSSC的组装31
• 2.5 表征与测试方法31-35
• 2.5.1 结构性能表征31-32
• 2.5.2 光电性能表征32-33
• 2.5.3 表面性质分析33-35
• 3 煤基炭CE的制备以及性能表征35-44
• 3.1 预氧化对煤基炭CE性能的影响35-37
• 3.2 不同煤粉制备的煤基炭对电极37-38
• 3.3 不同煤基炭CE的光电性能比较38-40
• 3.4 浸渍对煤基炭CE结构性能的影响40-41
• 3.5 表面修饰对煤基炭CE性能的影响41-44
• 4 纯炭CE的结构设计以及性能表征44-63
• 4.1 纯炭CE的结构设计与制备44-48
• 4.2 纯炭CE的光电性能表征48-50
• 4.2.1 I-V曲线48-49
• 4.2.2 EIS 分析49-50
• 4.3 OMC催化层不同炭化温度对纯炭CE性能的影响50-55
• 4.4 催化层不同介孔结构对纯炭CE性能的影响55-59
• 4.5 不同基底对纯炭CE性能的影响59-63
• 5 表面含氧官能团对炭基CE光电性能的影响63-80
• 5.1 XPS分析63-72
• 5.1.1 样品表面XPS全扫面谱图分析63-65
• 5.1.2 样品表面XPS分峰的C谱和O谱分析65-72
• 5.2 光电转化性能和Boehm滴定分析72-80
• 6 结论80-82
• 参考文献82-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

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