敏化太陽能電池電極材料的制備與性能研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池(DSSCs)和量子點敏化太陽能電池(QDSCs)以其低的成本、環(huán)境友好性、簡單的封裝過程、較高的光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)勢，引起了學術界及工業(yè)界極大的研究興趣。這兩種敏化電池主要分為四個組成部分:半導體氧化物光陽極、染料分子/量子點(QDs)、電解質(zhì)和對電極(CEs)。光陽極作為敏化電池的重要部分之一，是決定電池光電轉(zhuǎn)換效率的關鍵因素。采用多樣化的制各技術以及修飾等方法以提高半導體光陽極對太陽光的有效利用率。CEs在敏化電池

2、工作過程中起到了催化還原氧化態(tài)電解質(zhì)的重要作用，其導電能力、電催化活性、化學穩(wěn)定性等方面的性能很大程度上決定了電池的光伏性能。由于優(yōu)異的催化性能，鉑(Pt)通常用作敏化電池的CEs，但Pt作為貴金屬，地球上儲量非常少。本論文的研究為制備大比表面積的光陽極以及高效的非Pt CEs材料，深入研究其在敏化太陽能電池體系中的光伏和電催化性能，探討相關的理論機制與模型。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過水熱法生長ZnO分級結(jié)構和連續(xù)離子層吸

3、附方法生長CdSe-CdS量子點并組裝光陽極。CdSe-CdS量子點共敏化的ZnO分級結(jié)構展示了更寬的可見光吸收范圍，對電池性能進行了深入研究。作為光陽極材料，CdSe-CdS雙量子點敏化的ZnO分級結(jié)構表現(xiàn)出增加的電流密度，光電轉(zhuǎn)化效率明顯提高，可達到1.39％。在太陽光的照射下，光子被量子點俘獲產(chǎn)生電子-空穴對，然后在ZnO和量子點的界面上電子和空穴迅速分離，電子轉(zhuǎn)移到ZnO的導帶上，空穴被多硫電解液中的氧化還原對消除掉，提高了量子

4、點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。結(jié)果顯示通過CdSe-CdS量子點共敏化的帶隙工程來拓寬可見光吸光范圍、促進載流子的產(chǎn)生和有效的載流子分離是可行與非常有前景的，這種方法的巨大的潛在價值也具有拓展性。
　　(2)采用高反應性活性的DPP-Se陰離子作前驅(qū)體成功合成了CuGaSe2和Cu(In，Ga)Se2 QDs，無需常規(guī)DDT配體。合成的量子點單分散性良好，吸光范圍覆蓋大部分可見光區(qū)域。實驗結(jié)果表明，與CuGaSe2 QDs(2.

5、32％)相比，Cu(In，Ga)Se2 QDs修飾的TiO2介孔光陽極具有更高的可達3.72％的光電轉(zhuǎn)化效率。通過燒結(jié)ZIF-67以及將燒結(jié)后的Co3O4進一步硫化的方法得到了多孔CoS對電極。所得的CoS CEs顯示出明顯增強的催化活性和改善的導電性。CoS對電極(3.72％)表現(xiàn)出對多硫電解液更高的催化活性，從而導致比Pt對電極(1.85％)具有更好的QDSCs光電轉(zhuǎn)化效率。
　　(3)合理設計了基于g-C3N4修飾的TiO2

6、異質(zhì)結(jié)納米片光陽極和Co9S8納米管陣列對電極的染料敏化電池。將g-C3N4和TiO2結(jié)合在一起形成異質(zhì)結(jié)可以拓寬TiO2的光響應到可見光范圍，并且能有效地降低光生電子和空穴的復合率，進而提高電池的光電性能?；赥iO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)納米片光陽極電池更小的傳輸電阻證明了其更好的電荷傳輸能力。和Pt對電極相比，Co9S8納米管陣列對電極對I-/I3-的催化能力得到明顯增強。這可以通過循環(huán)伏安曲線和塔夫曲線來證明，Co9S8對電極在塔

7、夫曲線中顯示了更高的陽極和陰極峰值電流密度?；贑o9S8納米管陣列對電極和TiO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)納米片光陽極的染料敏化太陽能電池表現(xiàn)出更長的載流子壽命，這證明了電子與電解液之間低的再復合率。電池的最高的光電轉(zhuǎn)化效率是8.07％，相對于純的TiO2光陽極明顯提高。
　　(4)自支撐的鎳鈷硫(NCS)針狀納米管陣列可以直接在FTO玻璃上通過在0.01 MNa2S水溶液里硫化鎳鈷氧(NCO)的前驅(qū)物得到，以其作為DSSCs的對電

8、極組裝電池。實驗結(jié)果表明NCS針狀納米管陣列展現(xiàn)了對I-/I3-電解液良好的催化性能，這是高性能的DSSCs電池所需要的。NCS針狀納米管陣列的結(jié)構可以通過調(diào)整硫化時間來得到最優(yōu)化的電池的光電轉(zhuǎn)化性能，實驗結(jié)果表明最優(yōu)的硫化時間為12h，得到的最顯著的光電轉(zhuǎn)化效率為8.95％，高于Pt對電極組裝的電池的7.05％。顯著增加的光電轉(zhuǎn)化效率的原因歸因于NCS顆粒中鎳離子和鈷離子的協(xié)同效應，使氧化還原反應的活性增強。該研究基于廉價NCS針狀納

9、米管陣列的CEs作為昂貴鉑的預期替代品，為高效率DSSCs的商業(yè)化提供了新的機會。
　　(5)通過在500℃下煅燒立方體TiOF2實心前軀體制備了三維銳鈦礦TiO2空箱子(B-TiO2)。每個B-TiO2空箱子由六個具有高反應性的(001)晶面的單晶TiO2面構成。通過在B-TiO2-Pt中空箱子上沉積CdS納米顆粒(NPs)，成功地合成了三元B-TiO2-Pt-CdS中空箱子。在所得的復合材料中，Pt和CdS NPs均勻分布在B

10、-TiO2空心箱的壁上。對B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構的光伏性質(zhì)和光催化活性分別通過組裝成染料敏化太陽能電池和在亞甲基藍溶液的光催化降解進行了研究。結(jié)果表明，與單組分B-TiO2和兩種組分B-TiO2-Pt納米結(jié)構相比，B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構顯示了增強的光伏性質(zhì)和光催化活性。性能改善的原因可歸因子新型的B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構，這種結(jié)構對于光生電子-空穴對的分離是有益的，并且對太陽能電池來做作為光