石墨烯基材料在染料敏化太阳能电池中的应用

来源：论文学术网

时间：2024-08-18 21:45:52

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石墨烯基材料在染料敏化太阳能电池中的应用【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs)作为一种新型的太阳能利用方式,因其制备工艺简

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs)作为一种新型的太阳能利用方式,因其制备工艺简单、效率高以及稳定性好等特点,逐渐成为国内外学者关注的焦点。对电极是DSSCs的重要组成部分,主要起着收集外电路电子以及催化还原13-的作用。通常采用贵金属Pt作为对电极催化材料,它不仅具有良好的导电性而且还具有较高的还原I3-的催化性能。但是Pt的价格昂贵且储量稀少,并且在长期使用中易被电解液腐蚀,限制了它的大规模使用。因此,开发成本低、原材料丰富以及稳定高效的Pt替代材料就显得尤为重要。近年来,多种类型的碳材料被广泛用做DSSCs的对电极材料,例如：活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨烯以及富勒烯等碳材料。其中,石墨烯材料由于具有独特的结构以及优越的性能,成为了一种颇具潜力的Pt替代材料。本论文以石墨烯基材料为主要研究对象,分别合成了硼掺杂石墨烯材料(BG)以及硼、氮共掺杂石墨烯材料(B,N-G),并深入探讨了两种石墨烯基材料作为对电极催化材料在染料敏化太阳能电池中的催化性能。另外,探讨了硼含量、热处理温度以及前期处理方式对材料催化性能的影响。主要研究内容和结果如下：以氧化石墨(GO)为碳源、B203为硼源,通过热退火处理合成了BG,并将其作为对电极催化材料应用于DSSCs。BG保持了石墨烯(G)的二维层状结构特征,并且其表面上布满了褶皱。相较于单纯的G而言,该材料具有更高的导电性以及对13-的催化活性。这是由于硼原子在G晶格中的掺杂改变了G的表面电子分布；另外,硼原子的引入增多了G的催化活性位点。通过调变B203的添加量进而调控硼原子的掺杂量,研究发现当B203与GO的用量比为1：2时,DSSCs的光电转换效率最高为6.73%。以离子液体(1-胺丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)为硼、氮源,通过胺基与氧化石墨表面官能团之间的反应,将离子液体接枝到氧化石墨片层表面,再通过热退火处理得到B,N-G。该材料很好的保持了G的二维层状结构。硼、氮原子的引入不仅改变了G的表面电子分布以及增多反应活性位点,而且硼、氮原子还具有一定的协同作用。当做为DSSCs对电极材料使用时,B,N-G表现出远优于n的催化性能。热处理温度为1200℃时,其光电转换效率最高为8.08%。 【关键词】：氧化石墨 三氧化二硼 离子液体 对电极 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.11;TM914.4
【目录】：

摘要4-5
Abstract5-10
1 绪论10-23
1.1 太阳能电池的种类及研究进展10-12
1.1.1 硅类太阳能电池10-11
1.1.2 薄膜太阳能电池11
1.1.3 染料敏化太阳能电池11-12
1.2 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理12-14
1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构12-13
1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理13-14
1.2.3 染料敏化太阳能电池的主要性能参数14
1.3 染料敏化太阳能电池的对电极材料14-22
1.3.1 Pt对电极材料14-15
1.3.2 导电高分子对电极材料15-17
1.3.3 过渡金属化合物对电极材料17-18
1.3.4 碳对电极材料18-22
1.4 本论文的研究思路22-23
2 实验部分23-30
2.1 实验原料及设备23-25
2.1.1 实验原料23-24
2.1.2 实验设备24
2.1.3 表征仪器24-25
2.2 材料制备25-26
2.2.1 氧化石墨的制备25
2.2.2 硼掺杂石墨烯的制备25-26
2.2.3 硼、氮共掺杂石墨烯的制备26
2.3 电池组装及电化学性能测试26-30
2.3.1 电池组装26-28
2.3.2 循环伏安测试28
2.3.3 交流阻抗测试28
2.3.4 塔菲尔曲线28-29
2.3.5 J-V曲线29-30
3 硼掺杂石墨烯的制备及在DSSCs对电极中的应用30-41
3.1 引言30
3.2 硼掺杂石墨烯的结构表征30-34
3.2.1 硼掺杂石墨烯的形貌分析30-31
3.2.2 硼掺杂石墨烯的组成分析31-33
3.2.3 硼掺杂石墨烯的结构分析33-34
3.3 硼掺杂石墨烯的电化学性能分析34-37
3.3.1 循环伏安分析34
3.3.2 交流阻抗分析34-35
3.3.3 塔菲尔曲线分析35-36
3.3.4 J-V测试36-37
3.4 B_2O_3添加量对BG对电极催化性能的影响37-40
3.4.1 不同B_2O_3添加量BG的循环伏安曲线37-38
3.4.2 不同B_2O_3添加量BG在DSSCs中的J-V测试38-40
3.5 本章小结40-41
4 硼、氮共掺杂石墨烯的制备及在DSSCs对电极中的应用41-56
4.1 引言41
4.2 硼、氮共掺杂石墨烯的结构表征41-45
4.2.1 硼、氮共掺杂石墨烯的形貌分析41-42
4.2.2 硼、氮共掺杂石墨烯的组成分析42-43
4.2.3 硼、氮共掺杂石墨烯的制备过程分析43-45
4.3 硼、氮共掺杂石墨烯的电化学性能分析45-49
4.3.1 循环伏安分析45-46
4.3.2 交流阻抗分析46-47
4.3.3 塔菲尔曲线分析47-48
4.3.4 J-V测试48-49
4.4 制备条件对B,N-G对电极催化性能的影响49-54
4.4.1 不同前期处理方式B,N-G的电化学性能分析49-52
4.4.2 不同热处理温度B,N-G的电化学性能分析52-54
4.5 本章小结54-56
结论56-57
参考文献57-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况62-63
致谢63-64

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