染料敏化太阳能电池对电极的制备及其性能研究

【摘要】：探索染料敏化太阳能电池（DSSC）对电极非铂新材料以及深入探究对电极电子输运机理已成为该领域关键课题之一。本论文围绕多元硒/硫化物及其复合材料的合成以及在DSSC对电极的应用展开研究。在材料合成方面，探索多元硒/硫化物及其复合材料的可控合成方法，努力突破困扰多元化合物合成的技术瓶颈，为实现该类材料的可控合成奠定基础；在电极制备方面，探索硒/硫化物等对电极的制备技术方法，优化制备工艺参数，为该类对电极的制备提供实验基础；在性能检测与表征方面，针对硒/硫化物等的材料特性与对电极的结构特点，建立了一种窄带系半导体化合物作对电极的性能表征体系，准确深入的表征该类对电极催化材料的综合电化学性能；在电子输运机理研究方面，探究硒/硫化物及其复合材料对电极的电子输运本质，为新型对电极的选材与结构设计提供了理论基础。 发展了一种简易制备多元硒/硫化物纳米材料的方法。采用溶剂热合成法，在绿色、温和的条件下合成硒/硫化物纳米晶，以乙二胺为溶剂和表面活性剂，实现了多元硒化物Cu2ZnSnSe4、Cu2SnSe3和多元硫化物Cu2ZnSnS4纳米材料的可控合成。克服了多元化合物合成的技术瓶颈，合成的纳米材料形貌规则、尺寸均匀、物相纯净且化学计量比准确。将合成的纳米颗粒配制成“墨水”，采用滴涂和旋涂等工艺在FTO导电衬底上沉积薄膜并用作DSSC对电极催化层。研究了薄膜厚度、退火温度等工艺参数对DSSC光电性能和对电极电化学性能的影响，探索出制备Cu2ZnSnSe4、Cu2SnSe3和Cu2ZnSnS4对电极的最佳工艺路线。针对这类窄带系半导体化合物的能级结构特点和对电极的结构特点，建立光照对称电池测量方法，即采用对电极-电解液-对电极的对称电池结构，在光照下进行电化学性能表征测试。该法避免了对电极受到光效应和电效应的交互影响，考察光效应和电效应分别对这类对电极的电化学性能影响，可以真实、准确的表征该类对电极的综合电化学性能。分析了Cu2ZnSnSe4、Cu2SnSe3和Cu2ZnSnS4等对电极的电子输运机理。与传统的Pt等对电极的电子输运过程分两个步骤不同，窄带系半导体化合物对电极的电子输运除了从外电路接收电子和供给电子给电解液中的I3-，还需把电子从半导体的价带激发到导带，而光电阳极的透射光可以激发电子从半导体价带跃迁到导带。该类对电极电化学性能主要受电子激发的制约，而激发到导带中的电子易与电解液中的I3-结合，实现对I3-的还原。 发展了一种叠层结构的DSSC复合对电极。以晶体结构、电子结构相匹配的Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4为组元，采用旋涂-干燥-旋涂方式，实现了对叠层复合对电极的可控制备。利用Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4吸光特性不同，制备的叠层对电极结构可以更大限度的起到光陷作用，提高对电极半导体材料内部的电子激发，电子激发效率的提高有利于电子从对电极转移到电解液。实验结果表明：以Cu2ZnSnS4/Cu2ZnSnSe4叠层结构为对电极的DSSC的转化效率得到了明显的提高。 发展了一种Cu2ZnSnS4/MWCNT纳米复合对电极材料。针对Cu2ZnSnS4等多元半导体硒/硫化物导电性能不强，构建了以Cu2ZnSnS4和MWCNT为组元的“电催化活性纳米晶/导电相”立体网络导电介孔膜结构，在半导体化合物中加入导电相MWCNT改善Cu2ZnSnS4等对电极的导电性能。立体网络导电介孔膜结构以MWCNT为骨架，为催化层内部的电子提供了转移到对电极/电解液的界面的快速通道，介孔膜结构拥有巨大的催化面积，有利于增加对电极的催化点位。Cu2ZnSnS4/MWCNT纳米复合对电极材料因同时具有较高的电催化活性和导电性而表现出优秀的综合电化学性能。以Cu2ZnSnS4/MWCNT为对电极的DSSC的转化效率与Pt相当，在制备成本和稳定性等方面又独具优势，是一种替代Pt的理想的对电极材料。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 硒化物 硫化物 电化学性能
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 论文审阅认定书3-4
• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-12
• 目录12-16
• 图清单16-22
• 表清单22-24
• 变量注释表24-26
• 1 绪论26-49
• 1.1 课题背景26-27
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介27-38
• 1.3 染料敏化太阳能电池对电极研究现状38-45
• 1.4 机遇和挑战45-47
• 1.5 本文的研究意义及内容47-49
• 2 实验方法与内容49-60
• 2.1 实验试剂与仪器49-50
• 2.2 材料合成与电池制备50-54
• 2.3 材料的物相表征54-55
• 2.4 材料的电化学性能测试55-59
• 2.5 本章小结59-60
• 3 Cu_2ZnSnSe_4的合成及其对电极性能研究60-79
• 3.1 引言60-61
• 3.2 Cu_2ZnSnSe_4样品制备61-62
• 3.3 Cu_2ZnSnSe_4的物相表征62-68
• 3.4 Cu_2ZnSnSe_4对电极的性能测试与分析68-75
• 3.5 Cu_2ZnSnSe_4对电极电子输运机理研究75-78
• 3.6 本章小结78-79
• 4 Cu_2SnSe_3的合成及其对电极性能研究79-93
• 4.1 引言79
• 4.2 Cu_2SnSe_3样品制备79-81
• 4.3 Cu_2SnSe_3的物相表征81-86
• 4.4 Cu_2SnSe_3对电极的性能测试与分析86-90
• 4.5 Cu_2SnSe_3对电极的电子输运机理研究90-91
• 4.6 本章小结91-93
• 5 Cu_2ZnSnS_4的合成及其对电极性能研究93-107
• 5.1 引言93-94
• 5.2 Cu_2ZnSnS_4样品制备94-95
• 5.3 Cu_2ZnSnS_4的物相表征95-100
• 5.4 Cu_2ZnSnS_4对电极的性能测试与分析100-104
• 5.5 Cu_2ZnSnS_4对电极电子输运机理研究104-105
• 5.6 本章小结105-107
• 6 Cu_2ZnSnS_4/Cu_2ZnSnSe_4复合对电极的制备及其性能研究107-120
• 6.1 引言107-108
• 6.2 Cu_2ZnSnS_4/Cu_2ZnSnSe_4样品制备108
• 6.3 Cu_2ZnSnS_4/Cu_2ZnSnSe_4的物相表征108-113
• 6.4 Cu_2ZnSnS_4/Cu_2ZnSnSe_4复合对电极的性能测试与分析113-116
• 6.5 Cu_2ZnSnS_4/Cu_2ZnSnSe_4复合对电极电子输运机理研究116-119
• 6.6 本章小结119-120
• 7 Cu_2ZnSnS_4/MWCNT 的制备及其对电极性能研究120-132
• 7.1 引言120-121
• 7.2 Cu_2ZnSnS_4/MWCNT 样品制备121-122
• 7.3 Cu_2ZnSnS_4/MWCNT 的物相表征122-125
• 7.4 Cu_2ZnSnS_4/MWCNT 对电极的性能测试与分析125-129
• 7.5 Cu_2ZnSnS_4/MWCNT 对电极的电子输运机理研究129-130
• 7.6 本章小结130-132
• 8 结论132-135
• 参考文献135-144
• 作者简历144-146
• 学位论文数据集146

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