敏化太陽能電池電極的制備與性能研究.pdf

1、敏化太陽能電池作為第三代太陽能電池的重要研究對象，以“綠色、環(huán)保、高效”等諸多優(yōu)勢吸引了眾多研究者的關(guān)注。經(jīng)過多年來大量的深入研究，敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也正在逐步提高。但是，目前敏化太陽能電池體系的光電轉(zhuǎn)換效率仍然偏低、成本較高，不能滿足商業(yè)化應(yīng)用。從敏化太陽能電池的組成和工作原理角度，光陽極和對電極的組成、結(jié)構(gòu)及電化學(xué)催化活性對電池光電轉(zhuǎn)換效率起到了關(guān)鍵影響作用。本文論文針對敏化太陽能電池電極關(guān)鍵材料的制備及其性能進(jìn)行研究，探

2、討了電極的組成、結(jié)構(gòu)及其性能對敏化太陽能電池體系光電性能的影響，以達(dá)到改善光電性能、降低器件制作成本的目的。本論文的研究內(nèi)容如下:
　　(1)水熱法制備活化石墨烯納米片，作為染料敏化太陽能電池光陽極修飾材料。以廉價(jià)、易得的石墨烯納米片作為原材料，首次采用簡單、易控制的水熱活化法制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的活化石墨烯納米片(activated graphene nanoplatelets，a-GNP)。用該材料替代價(jià)格昂貴的寡層/單層石

3、墨烯，制備活化石墨烯納米片摻雜的二氧化鈦光陽極，不僅為電子提供了傳導(dǎo)媒介，而且為電解質(zhì)離子傳輸提供了更多通道，從而有效抑制了電荷復(fù)合。當(dāng)活化石墨烯納米片摻雜量為0.02wt％時(shí)，DSSC光電流密度和轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到12.12mAcm-2和6.42％。
　　(2)電化學(xué)沉積法制備Pt-Ru/NiP/FTO層狀結(jié)構(gòu)電極，作為染料敏化太陽能電池對電極。首次采用Pt-Ru合金作為DSSC對電極催化層材料，借助Ru元素減緩CO-類似物在Pt

4、表面的吸附，有效解決了Pt催化劑在有機(jī)溶劑體系中易中毒、穩(wěn)定性下降的問題;同時(shí)，采用簡單的化學(xué)鍍法將Ni-P合金薄膜沉積于FTO導(dǎo)電玻璃基底作為亞層結(jié)構(gòu)，改善了對電極的光反射性能和導(dǎo)電性，同時(shí)也通過改變基底表面形貌使得催化劑顆粒得到高效利用。相比Pt/FTO對電極，采用Pt-Ru/NiP/FTO對電極的DSSC體系，光電流密度和轉(zhuǎn)換效率分別提高了28.8％和12.5％。
　　(3)構(gòu)建CdS/CdSe/ZnS共敏化復(fù)合光陽極結(jié)構(gòu)，

5、應(yīng)用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池。在TiO2/活化石墨烯納米片復(fù)合光陽極基礎(chǔ)上，采用連續(xù)離子層沉積法和化學(xué)浴沉積先后沉積CdS、CdSe量子點(diǎn)敏化劑和ZnS鈍化層。評價(jià)了量子點(diǎn)的SILAR循環(huán)次數(shù)和浸漬時(shí)間對光陽極光電性能的影響。CdS/CdSe共敏化體系經(jīng)過能級重排形成更加有利于電子注入的能級結(jié)構(gòu);而ZnS鈍化層通過鈍化量子點(diǎn)表面缺陷，進(jìn)一步抑制了電子與電解質(zhì)的復(fù)合反應(yīng)，使QDSSC效率提高了一倍多。
　　(4)采用電沉積法制備了Cu

6、S/FTO和CoS/FTO薄膜電極，作為量子點(diǎn)敏化太陽能電池對電極。探討了電沉積的電壓、時(shí)間對電極表面形貌和催化活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu/FTO對電極的催化活性優(yōu)于Au和Pt對電極，采用最佳CuS/FTO對電極與P25-a/CdS(4)/CdSe(6)/ZnS(2)光陽極組成QDSSC，其光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到3.5％。此外，CuS和CoS對電極的制作成本低、環(huán)境友好，這使其在未來敏化太陽能電池領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
　　總