改性炭气凝胶对电极和聚合物光伏器件的制备与性能研究

【摘要】：本论文首先对染料敏化太阳能电池(DSSCs)及聚合物太阳能电池(PSCs)的研究进展作出简单介绍。最近，价格低廉的炭气凝胶对电极用于DSSCs中，显示出取代铂对电极的潜力。本论文通过KOH活化及氮掺杂两种途径制备出多种不同孔结构的炭气凝胶，并研究了炭气凝胶孔结构对其催化性能的影响。同时，本论文使用钛酸四异丙酯(TTIP)作为阴极界面修饰层，首次制备出器件结构为ITO(氧化铟锡)/TTIP/P3HT：PCBM(聚(3-己基噻吩)：[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)/MoO3/Al的反式PSCs，并初步探讨了TTIP层对反式PSCs的光电性能的影响。其主要内容如下： 1、采用不同含量的十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂制备了两种炭气凝胶：CA3和CA4。在最优实验条件下，CA4对电极的催化还原性能接近同等实验条件下的铂对电极。以不同量的KOH活化处理CA4制得活化炭气凝胶(ACAs)。N2吸附-解吸附测试结果表明，KOH活化会大幅度提高微孔含量和比表面积。我们发现ACAs对电极的性能都远低于未活化的CA4对电极。EIS测试结果表明，ACAs电极的串联电阻和电荷转移电阻大于CA4电极，这说明ACAs电极的催化还原活性低于CA4电极。研究结果表明，微孔结构及微孔所致比表面积不能有效提高对电极催化还原I- 3离子的活性。这可能是由于活化后，炭气凝胶表面生成了更多的羟基等功能团，导致炭气凝胶对I- 3离子的有效吸附减少，且活化导致ACAs的导电率下降。 2、通过在有机气凝胶前驱体中引入不同含量的三聚氰胺制备出具有不同孔结构的氮掺杂炭气凝胶(NCAs)。各种测试结果表明：随着掺氮量的增加，NCAs的平均孔径减小，但中孔含量会随之增加，这将降低NCAs对电极的电荷传输电阻，并增加其电催化活性。由于氮的掺入增加了NCAs的极性，因此使用聚偏氟乙烯粘结剂制备的NCAs对电极，其电催化活性优于基于聚四氟乙烯的NCAs对电极。在对NCAs对电极的衬底及厚度进行优化后，基于NCA8的DSSC的光电转换效率(PCE)达到8.83%，是同等实验条件下基于铂对电极的DSSC的102.6%。 3、将可溶液处理的TTIP作为阴极界面修饰层制作基于P3HT/PCBM的反式PSCs，在对TTIP层的厚度、退火氛围及退火温度各种优化后，最终制得的反式PSC的PCE达到3.54%，相比于基于同种活性层的传统结构PSC的PCE(2.34%)提高了近52%。研究结果表明，当TTIP膜在空气中或高温下退火时，其化学结构发生一定程度的变化，导致TTIP膜的透光率下降，且TTIP膜LUMO能级上升，使得PSCs器件的光伏性能发生明显降低。 【关键词】：炭气凝胶 KOH活化 掺氮 TTIP 阴极界面修饰层
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O648.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 DSSCs 的研究进展10-16
• 1.2.1 DSSCs 的器件结构10
• 1.2.2 DSSCs 的工作原理10-11
• 1.2.3 DSSCs 的主要光电性能参数11-12
• 1.2.4 影响 DSSCs 的 PCE 的几种主要因素12-16
• 1.3 PSCs 的研究进展16-22
• 1.3.1 PSCs 的器件结构与工作原理16-18
• 1.3.2 PSCs 常见的光敏材料及设计思想18-20
• 1.3.3 PSCs 的界面修饰层20-21
• 1.3.4 调控光敏层形貌的常用方法21-22
• 1.4 本论文的设计思想与研究内容22-23
• 第2章 KOH 活化及氮掺杂炭气凝胶柔性对电极的制备及性能研究23-41
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-26
• 2.2.1 仪器与试剂24
• 2.2.2 DSSCs 的制备24-26
• 2.3 结果与讨论26-40
• 2.3.1 KOH 活化的炭气凝胶柔性对电极的制备及性能研究26-31
• 2.3.2 氮掺杂炭气凝胶柔性对电极的制备及性能研究31-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第3章 TTIP 作为阴极修饰层的反式 PSCs 器件的制备和优化41-51
• 3.1 引言41-42
• 3.2 实验部分42-43
• 3.2.1 仪器和试剂42
• 3.2.2 反式 PSCs 及传统结构 PSCs 器件的制作42-43
• 3.3 结果与讨论43-50
• 3.3.1 不同厚度的 TTIP 层对反式 PSCs 器件性能的影响43-45
• 3.3.2 不同退火条件对反式 PSCs 器件性能的影响45-47
• 3.3.3 不同退火温度对反式 PSCs 器件性能的影响47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 总结与展望51-52
• 参考文献52-58
• 致谢58-59
• 附录 A 试剂及药品59-60
• 附录 B 仪器及测试条件60-61
• 攻读硕士学位期间发表论文情况61

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