基于取向碳纳米管纤维的新型太阳能电池

【摘要】：因为独特的一维纳米结构和优异的光学、电学及机械性能,碳纳米管自1991年发现以来一直吸引了化学、物理、材料、生物医学等多个领域的密切关注,已经受到广泛研究。2011年Nature进一步以封面论文发表新年社论强调：碳纳米管将是本世纪的一个主导材料,主要应用之一在光电能源领域。同时指出：过去基于单根碳纳米管光电器件的发展模式几乎是不可能的,因为很难精确控制和完全重复碳纳米管的结构与性能。一个可能而有效的解决途径是把碳纳米管组装成宏观尺度的材料如纤维。因为碳纳米管取向排列,宏观纤维一方面拥有单根碳纳米管所具有的优异性能,如较高的电导率和机械强度；另一方面,对于宏观纤维,单根碳纳米管结构和性能的微小差异不会明显影响其性能,可以重复稳定制备。虽然碳纳米管纤维在高性能结构材料和超级电容器应用方面已经有一定研究,但在光电器件领域尚未见报道。本学位论文系统研究了碳纳米管纤维作为电极在染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池中的重要应用前景,发展出一系列具有新型结构的高效率有机太阳能电池,并从分子水平揭示电荷在取向碳纳米管纤维电极中快速分离和传输的机制与规律。下面分别介绍。 取向碳纳米管纤维及其复合纤维的制备与性能。通过化学气相沉积法合成高质量、可纺的碳纳米管阵列,然后通过干法纺丝把碳纳米管组装成纤维,并在此基础上进一步制备氮掺杂碳纳米管复合纤维及银/碳纳米管复合纤维。重点研究了碳纳米管纤维及其复合纤维的电学、机械和电化学催化性能。发现纤维电导率最高达到400S cm-1、拉伸强度超过600MPa,同时具有良好的电化学催化活性和较高的比表面积,完全能够满足电极材料的要求。 碳纳米管纤维作为工作电极的平面状染料敏化太阳能电池。基于碳纳米管纤维较高的电导率和比表面积,本论文首先以碳纳米管纤维作为工作电极构建平面状染料敏化太阳能电池,其中传统铂电极作为对电极,碘化锂/碘/二甲基-3-N-丙基咪唑碘/特丁基吡啶的无水乙腈溶液作为电解质。该电池开路电压、短路电流和填充因子分别达到0.47V、10.3mA cm-2和0.45,光电转换效率为2.6%。另外,该电池的量子效率超过90%。进一步研究发现：碳纳米管纤维的直径对电池性能有明显影响,光电转换效率随纤维直径增大而减小,这主要因为纤维直径增大其与基底相对接触而积并未明显增大。 全碳纳米管纤维电极的线状染料敏化太阳能电池。平面状太阳能电池并没有充分发挥碳纳米管纤维在结构和性能的优势,一个更加重要而有效的方向是发展线状有机太阳能电池。因为柔性和可编织的独特性能,线状有机太阳能电池近年来引起人们的极大关注。典型的线状太阳能电池是以金属丝或表面涂覆氧化铟锡导电层的聚合物纤维作为电极,但金属丝容易被氧化或被电解质腐蚀,而涂有氧化铟锡的聚合物纤维在弯曲时容易脆裂或脱落,严重影响电池的效率和稳定性。作为电极材料,碳纳米管纤维可以有效克服上述困难,本学位论文以碳纳米管纤维同时作为工作电极和对电极,碘化锂/碘/二甲基-3-N-丙基咪唑碘/特丁基吡啶的无水乙腈溶液作为电解质,构建出新型线状染料敏化太阳能电池,其中一根涂覆二氧化钛纳米颗粒的碳纳米管纤维作为工作电极,另一根纯碳纳米管纤维作为对电极。此类线状太阳能电池的最高能量转换效率接近3%,同时具有较高的强度和良好的柔性,并可以通过串联或并联对其输出电压或电流进行调控。 基于二氧化钛纳米管及碳纳米管纤维的线状染料敏化太阳能电池。为了进一步提高线状染料敏化太阳能电池的光电转化效率,本论文以表面垂直生长有二氧化钛纳米管的钛丝作为工作电极,纯取向碳纳米管纤维为对电极,碘化锂/碘/二甲基-3-N-丙基咪唑碘/特丁基吡啶的无水乙腈溶液作为电解质,构建线状太阳能电池。半导体二氧化钛的结构和形貌是决定光生电荷能否有效分离和传输的重要因素。与常用的二氧化钛纳米颗粒形成的网络结构相比,垂直取向的二氧化钛纳米管传输路径明显降低,有效降低光生电荷重新复合或损耗的几率。因此,该线状染料敏化太阳能电池显示更高的光电转换效率,最高达到4%。 基于碳纳米管纤维的线状聚合物太阳能电池。虽然线状染料敏化太阳能电池具有较高的光电转化效率,但在实际应用中也存在一定挑战,如液态电解质容易挥发甚至泄露,导致电池寿命降低。与此相比,聚合物太阳能电池无需电解质,制备过程更简单、性能更稳定。因此,本学位论文基于表面生长二氧化钛纳米管阵列的钛丝和碳纳米管纤维制备了一类新型的线状聚合物太阳能电池,此类线状聚合物太阳能电池的光电转换效率一般在0.15%。深入研究后发现,二氧化钛纳米管阵列高度对电池光伏性能具有重要影响,如果把二氧化钛纳米管阵列高度控制在100-200纳米,可以进一步大幅度提高电池的光电转化效率。 总结来说,本学位论文系统研究了碳纳米管纤维及其复合纤维的制备、结构及性能,重点以碳纳米管纤维作为电极制备出一系列新型染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池,并深入探讨和系统总结相关实验参数对电池性能的影响规律。本学位论文的研究结果表明：碳纳米管纤维可以作为一类新型电极材料来构建高效率的有机太阳能电池,特别是线状太阳能电池,从而为碳纳米管纤维的应用和有机太阳能电池的发展提供理论依据与实践经验。 【关键词】：碳纳米管 纤维 染料敏化太阳能电池 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 第一章 引言11-50
• 1.1 碳纳米材料概述11-12
• 1.2 碳纳米管的结构与性质12-17
• 1.2.1 碳纳米管的结构及分类12-14
• 1.2.2 碳纳米管的性质14-17
• 1.3 碳纳米管的合成方法17-19
• 1.3.1 电弧放电法合成碳纳米管17-18
• 1.3.2 激光烧蚀法合成碳纳米管18
• 1.3.3 化学气相沉积法合成碳纳米管18-19
• 1.4 碳纳米管的应用19-22
• 1.4.1 碳纳米管在有机光电器件中的应用19-21
• 1.4.2 碳纳米管/聚合物复合材料21
• 1.4.3 碳纳米管在其他方而的应用21-22
• 1.4.4 碳纳米管应用存在的问题22
• 1.5 碳纳米管宏观组装体22-23
• 1.6 碳纳米管纤维23-32
• 1.6.1 碳纳米管纤维的制备方法23-27
• 1.6.2 碳纳米管纤维的机械和电学性能27-30
• 1.6.3 碳纳米管纤维的应用30-32
• 1.7 有机太阳能电池研究现状32-35
• 1.8 本论文的研究意义与内容35-37
• 1.8.1 本课题的研究意义35-36
• 1.8.2 本课题的研究内容36-37
• 1.9 参考文献37-50
• 第二章 取向碳纳米管纤维及其复合纤维的制备与性能50-77
• 2.1 引言50-51
• 2.2 实验部分51-57
• 2.2.1 实验试剂51-52
• 2.2.2 实验仪器52
• 2.2.3 实验步骤52-57
• 2.3 结果与讨论57-74
• 2.3.1 碳纳米管纤维及其复合纤维的结构57-66
• 2.3.2 碳纳米管纤维及其复合纤维的机械与电学性能66-68
• 2.3.3 碳纳米管纤维及氮掺杂碳纳米管复合纤维的电化学性能68-71
• 2.3.4 基于碳纳米管纤维及其复合纤维的电化学传感器71-73
• 2.3.5 银/碳纳米管复合纤维表面增强拉曼散射基底73-74
• 2.4 总结74
• 2.5 参考文献74-77
• 第三章 碳纳米管纤维作为工作电极的平面状染料敏化太阳能电池77-89
• 3.1 引言77-79
• 3.2 实验部分79-81
• 3.2.1 实验试剂79
• 3.2.2 实验仪器79
• 3.2.3 实验步骤79-81
• 3.3 结果与讨论81-86
• 3.3.1 染料/碳纳米管复合纤维的表观形貌81
• 3.3.2 染料/碳纳米管复合纤维的拉曼光谱分析81-82
• 3.3.3 碳纳米管纤维的后处理温度对电池性能的影响82-83
• 3.3.4 碳纳米管纤维的长度及直径对电池性能的影响83-84
• 3.3.5 基于强酸处理的碳纳米管纤维的染料敏化太阳能电池性能84-85
• 3.3.6 基于碳纳米管纤维的染料敏化太阳电池的量子效率85
• 3.3.7 基于碳纳米管纤维的柔性染料敏化太阳电池的性能85-86
• 3.4 总结86
• 3.5 参考文献86-89
• 第四章 全碳纳米管纤维电极的线状染料敏化太阳能电池89-105
• 4.1 引言89-91
• 4.2 实验部分91-93
• 4.2.1 实验试剂91
• 4.2.2 实验仪器91
• 4.2.3 实验步骤91-93
• 4.3 结果与讨论93-102
• 4.3.1 二氧化钛/碳纳米管复合纤维的结构及形貌93-95
• 4.3.2 全碳纳米管纤维电极线状电池的结构95-96
• 4.3.3 碳纳米管纤维对电解质的氧化还原催化活性96-97
• 4.3.4 全碳纳米管纤维电极的线状染料太阳能电池的光伏性能97-102
• 4.4 总结102
• 4.5 参考文献102-105
• 第五章 基于二氧化钛纳米管及碳纳米管纤维的线状染料敏化太阳能电池105-120
• 5.1 引言105-106
• 5.2 实验部分106-108
• 5.2.1 实验试剂106
• 5.2.2 实验仪器106-107
• 5.2.3 实验步骤107-108
• 5.3 结果与讨论108-117
• 5.3.1 二氧化钛纳米管阵列的形貌及影响因素108-112
• 5.3.2 线状电池的结构表征112-113
• 5.3.3 二氧化钛纳米管阵列的合成条件对电池性能的影响113-114
• 5.3.4 二氧化钛纳米管阵列高度对电池性能的影响114-117
• 5.4 总结117-118
• 5.5 参考文献118-120
• 第六章 基于碳纳米管纤维的线状聚合物太阳能电池120-131
• 6.1 引言120-121
• 6.2 实验部分121-122
• 6.2.1 实验试剂121-122
• 6.2.2 实验仪器122
• 6.2.3 实验步骤122
• 6.3 结果与讨论122-128
• 6.3.1 按照方法一制备的线状聚合物太阳能电池的结构与性能122-125
• 6.3.2 按照方法二制备的线状聚合物太阳能电池的结构与性能125-128
• 6.3.3 基于碳纳米管纤维的线状聚合物太阳能电池的稳定性128
• 6.4 总结128-129
• 6.5 参考文献129-131
• 第七章 总结与展望131-134
• 7.1 全文总结131-132
• 7.2 本论文的创新点132-133
• 7.3 存在问题与展望133-134
• 攻读博士学位期间的学术成果134-136
• 个人简历136
• 博士期间获得的主要荣誉136-137
• 致谢137-138

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