用于染料敏化太阳能电池的非Pt催化材料研究

【摘要】：作为一代新型太阳能电池,染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSC)具有能量转换效率高、工艺简单、绿色环保及成本低廉等优点。通常,DSC由光阳极(吸附有染料的半导体多孔膜)、含有氧化还原电对的电解液和对电极三部分组成,其中对电极通常为贵金属铂(Pt)电极。然而,Pt价格昂贵、储量有限且易与电解液中的氧化还原电对(13-/I-)反应,影响了DSC的成本的降低及长期稳定性,严重限制了DSC的大规模产业化生产。因此,开发低成本、储量丰富以及稳定的对电极催化材料迫在眉睫。本文设计并合成了钼、钨和铌的碳化物、氮化物及氧化物,可替代Pt催化材料应用于构建高效低成本DSC。 首先,利用有机无机杂化法合成了具有较大比表面积的介孔Mo2C纳米纤维,并将其作为对电极催化材料用于DSC,介孔Mo2C纳米纤维表现出与Pt相近的催化性能。相同条件下比较了不同形貌的Mo2C在DSC中的催化性能,证明了介孔Mo2C纳米纤维由于其较大的比较面积,表现出较高催化活性。另外,利用相同的实验方法合成了WO2纳米棒,并首次将其作为对电极组装DSC,取得了与Pt组装的DSC相近的能量转换效率。 其次,利用尿素-金属氯化物的化学方法合成了NbC(N)、NbN及Nb205,并将其作为对电极应用于DSC体系中。J-V, EIS和CV实验结果表明Nb205的催化活性最好。此外,通过调节温度合成了三种晶型的Nb2O5及一种晶型NbO2。在DSC体系中,系统比较了晶型结构与催化活性之间的关系。实验结果表明,单斜晶型的Nb205催化活性较好,四方晶型的NbO2催化活性超越了Pt。同时,合成的负载型催化材料(介孔碳负载的Nb205和碳负载的NbO2)均表现出高于Pt的催化性能,表明负载是提高材料的催化性能的有效方法。研究了不同气氛烧结氛围对氧化物对电极催化活性的影响,结果表明惰性气体烧结的薄膜的催化活性较高。 最后,成功地设计并制备了全柔性大面积DSC,通过引入光散射层或施加机械压力优化了全柔大面积DSC的性能,并将开发的理想的非Pt对电极(Nb02及NbO2/C)应用于此大面积柔性DSC中,实现了非Pt对电极大面积实用化应用。另外,制备了艺术大面积DSC,使DSC实现了实用化与艺术化的统一 【关键词】：合成 非铂 对电极 染料敏化太阳能电池 催化材料
【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4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-29
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 太阳能电池的分类11-12
• 1.3 DSC的结构及工作原理12-15
• 1.3.1 DSC的结构12-13
• 1.3.2 DSC的基本工作原理13-15
• 1.4 DSC分析测试方法15-17
• 1.4.1 电流密度-电压曲线15-16
• 1.4.2 光电转化效率IPCE16-17
• 1.5 DSC的组成材料17-27
• 1.5.1 导电基底材料17-18
• 1.5.2 半导体多孔膜18
• 1.5.3 染料敏化剂18-20
• 1.5.4 电解液20-21
• 1.5.5 对电极21-27
• 1.5.5.1 金属Pt对电极21-22
• 1.5.5.2 碳材料对电极22-24
• 1.5.5.3 高分子导电聚合物对电极24-26
• 1.5.5.4 无机化合物对电极26-27
• 1.6 目前DSC对电极存在的问题27-28
• 1.7 本课题选题依据和意义28-29
• 2 实验内容29-36
• 2.1 实验材料、试剂、设备29-31
• 2.1.1 实验材料29
• 2.1.2 实验试剂29-30
• 2.1.3 实验设备30-31
• 2.2 DSC的制备31-32
• 2.3 DSC分析测试方法32-36
• 3 钼、钨系化合物的合成及在DSC中的应用36-47
• 3.1 引言36
• 3.2 实验内容36-37
• 3.3 结果与讨论37-46
• 3.3.1 钼、钨系化合物的材料表征37-40
• 3.3.2 钼、钨系化合物在DSC中的应用40-42
• 3.3.3 钼、钨系化合物催化性能表征42-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 铌系化合物的合成及在DSC中的应用47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 实验内容47-48
• 4.2.1 铌系碳化物、氮化物、氧化物的合成47
• 4.2.2 Nb_2O_5/MC的合成47-48
• 4.2.3 介孔NbO_2/C的合成48
• 4.3 实验结果与讨论48-61
• 4.3.1 铌系化合物前驱体材料EDS表征48-49
• 4.3.2 铌系碳化物、氮化物及氧化物的材料表征49-53
• 4.3.3 铌系碳化物、氮化物及氧化物在DSC中的应用53-56
• 4.3.3.1 循环伏安测试53-54
• 4.3.3.2 电流密度-电压测试54-55
• 4.3.3.3 电化学阻抗测试55-56
• 4.3.4 氧化铌的晶型结构对催化性能影响56-61
• 4.3.4.1 循环伏安测试57
• 4.3.4.2 电流密度-电压测试57-59
• 4.3.4.3 电化学阻抗测试59-60
• 4.3.4.4 塔菲尔测试60-61
• 4.4 负载型氧化铌在DSC中的应用61-62
• 4.5 烧结气氛对氧化物对电极催化活性的影响62-64
• 4.5.1 实验内容62-63
• 4.5.2 气体烧结氛围对氧化物电极催化性能影响63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 5 非Pt对电极在柔性DSC的应用研究65-73
• 5.1 引言65
• 5.2 实验内容65-66
• 5.2.1 大面积柔性DSC的制备65-66
• 5.2.1.1 低温光阳极的制备65
• 5.2.1.2 低温对电极的制备65-66
• 5.2.1.3 全柔性DSC的制作66
• 5.3 实验结果与讨论66-71
• 5.3.1 大面积柔性DSC的光阳极性能优化66-69
• 5.3.2 低温NbO_2及NbO_2/C对电极在大面积柔性DSC的应用69-71
• 5.4 大面积柔性DSC的实用化应用研究71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 6 结论73-74
• 参考文献74-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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