染料敏化太阳能电池阴极材料的研究

【摘要】：在染料敏化太阳能电池（DSSCs）三明治结构中，阴极材料扮演着催化还原电解液和收集空穴的重要角色，因此阴极材料是电池性能的决定因素之一。纵观染料敏化太阳能电池（DSSCs）阴极材料的研究现状，可以发现多种过渡金属的硫化物表现出类比于Pt电极的阴极性能；结合P型半导体阴极的特点，可以推测出P型过渡金属硫化物有望作为优异的阴极材料。本论文设计并获得了优于Pt电极催化活性的FeS2NRs阵列阴极结构，同时合成了形貌多样的CuxS纳米结构，并探究了阴极材料的催化机理。主要取得了以下成果： 1．采用水热法得到了于不同基底生长的FeOOH纳米棒（NRs）结构，如导电玻璃（FTO）、多孔硅（PS）和碳纤维；同时在PS基底上得到了纳米花状结构（NFs）。结合“Fe3+离子水解”理论，通过控制Fe3+浓度实现了FeOOH纳米棒（NRs）结构可控的合成。 2．通过分别对FeOOH纳米棒（NRs）阵列和Fe纳米薄膜结构进行硫化处理得到了P型FeS2纳米棒（NRs）阵列和FeS2颗粒薄膜结构，并将其用于染料敏化太阳能电池（DSSCs）阴极结构。其中，影响DSSCs阴极材料性能的关键因素为催化位点数量、电极材料与电解液间的接触势垒和电荷的传输通道等。 3．通过调整“浸泡法”中Cu源的供应速率得到了多种形貌的CuxS片状纳米结构，如纳米片、纳米墙和纳米花等。同时也采用了离子交换的方法合成了其他多种非片状CuxS纳米结构，如反蛋白结构和纳米棒（NRs）阵列结构。再者，通过EIS测试和浸泡实验分析，本文首次提出并验证了CuxS的“生成-溶解”催化机理。这为之后的这方面的研究工作提供了借鉴和参考。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 阴极材料 对电极 FeOOH纳米棒 FeS2纳米棒 CuxS纳米结构
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-29
• 1.1 引言9
• 1.2 太阳能电池的研究现状9-17
• 1.2.1 硅基太阳能电池10-12
• 1.2.2 薄膜太阳能电池12-13
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池13-14
• 1.2.4 量子点敏化太阳能电池14-17
• 1.3 第三代太阳能电池的研究现状17-22
• 1.3.1 提高太阳光的利用效率17-21
• 1.3.2 改善电极结构的传输性能21-22
• 1.4 第三代太阳能电池阴极的研究现状22-27
• 1.4.1 DSSCs 阴极材料的研究现状23-27
• 1.4.2 QDSSCs 阴极材料的研究现状27
• 1.5 本课题的创新之处27-29
• 第二章 实验原料与实验装置29-41
• 2.1 实验原料29-30
• 2.2 实验装置30-32
• 2.2.1 恒温磁力搅拌仪30-31
• 2.2.2 超声波清洗仪31
• 2.2.3 分析天平31
• 2.2.4 磁控溅射镀膜仪31-32
• 2.2.5 真空干燥箱32
• 2.2.6 真空管式高温炉32
• 2.2.7 马弗炉32
• 2.3 表征手段32-35
• 2.3.1 表面形貌表征（SEM）32-33
• 2.3.2 微观结构表征（TEM）33
• 2.3.3 物相分析（XRD）33
• 2.3.4 紫外-可见-近红外分光光度计33
• 2.3.5 电化学阻抗谱分析33-34
• 2.3.6 太阳能电池效率测试34-35
• 2.4 实验方法35-41
• 2.4.1 FTO 导电玻璃的切割与清洗35
• 2.4.2 FeOOH 纳米结构的制备35
• 2.4.3 FeS_2NRs 阵列结构的制备35-36
• 2.4.4 FeS_2纳米薄膜结构的制备36-37
• 2.4.5 CdS 纳米线的制备37-38
• 2.4.6 三维多孔 CdS 纳米结构的合成38-39
• 2.4.7 Cu_xS 纳米结构的制备39-40
• 2.4.8 太阳能电池的封装40-41
• 第三章 FeOOH纳米结构的合成与应用研究41-51
• 3.1 本章引言41-42
• 3.2 FeOOH NRs 的制备与表征42-45
• 3.3 Fe_2O_3@PS 复合结构的制备与表征45-48
• 3.4 FeOOH 纳米结构生长机理分析48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 FeS_2NRs阵列作为高效DSSCs阴极结构的研究51-67
• 4.1 本章引言51-53
• 4.1.1 FeS_2纳米结构的合成现状51-52
• 4.1.2 FeS_2材料在太阳能电池应用中的研究现状52-53
• 4.2 FeS_2纳米结构的制备与表征53-57
• 4.2.1 FeS_2颗粒薄膜的制备与表征53-55
• 4.2.2 FeS_2NRs 阵列的制备与表征55-57
• 4.3 FeS_2纳米结构半导体性能的表征57-60
• 4.3.1 FeS_2NRs 阵列吸收性能的表征57-58
• 4.3.2 FeS_2纳米结构发光性能的表征58-59
• 4.3.3 FeS_2NRs 阵列半导体类型的表征59-60
• 4.4 FeS_2纳米结构作为阴极的 DSCCs 性能的表征60-61
• 4.5 FeS_2纳米结构催化性能的表征61-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 CuxS纳米结构的合成与阴极性能研究67-75
• 5.1 本章引言67-68
• 5.2 Cu_xS 纳米结构的制备与表征68-72
• 5.2.1 Cu_xS 纳米片的制备与表征68-69
• 5.2.2 Cu_xS 反蛋白结构的制备与表征69-70
• 5.2.3 Cu_xS 纳米棒阵列的制备与表征70-72
• 5.3 Cu_xS 纳米结构催化性能的探究72-73
• 5.4 Cu_xS 纳米阴极结构展望73-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第六章 全文总结75-76
• 参考文献76-93
• 发表论文和参加科研情况说明93-94
• 致谢94-95

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