过渡金属硫化物/石墨烯复合薄膜的制备及其光电性能研究

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传统对电极材料铂由于储量稀少、价格昂贵且容易被电解质腐蚀等缺点,制约着染料敏化太阳能电池(DSSC)的产业化发展。近年来寻找合适的对电极材料来取代铂成为DSSC的重点之一。过渡金属硫化物由于具有较好的催化性能、在自然界中储量丰富而成为理想的对电极材料。此外,为了深挖材料的催化性能,本文提出将过渡金属硫化物和二维材料石墨烯进行有效复合,利用石墨烯优良的导电特性和比表面积较大的特点,以期获得性能更优的对电极材料。为此本论文进行了以下的研究:采用电化学方法制备了 MoS2/rGO复合薄膜作为对电极,这种方法直接将复合材料生长在FTO上形成对电极,无需先制备材料再进行旋涂、滴涂等制成对电极,简化了步骤。研究表明,生长出的MoS2是颗粒状的,石墨烯的引入促进了 MoS2的生长,使得硫化钼颗粒聚集凸起,这种形貌有效的提高了电解质的扩散能力。CV曲线测试得到,复合对电极有着较小的EpP以及较大的还原电流密度,这表明复合对电极的催化性能较高;此外阻抗谱测试表明,复合对电极有着相对较低的Rct,这意味着电荷在电极和电解质之间可以更快的传输。通过调节石墨烯的沉积时间来得到性能最优的复合对电极,当石墨的沉积时间为80秒时,基于MoS2/rGO的DSSC的转化效率达到了 8.01%,这和铂基DSSC的转换效率相当。此外,基于这种复合对电极的DSSC在多次重复测试后,J-V曲线依旧能够保持基本重合,表明制得的对电极具有较好的稳定性,而其机械性能方面的表现更为优异,采用粘性较好的胶带反复按压,并没有材料被粘下来,这些都证明了电化学方法的有效性以及复合材料的有效性。采用一步水热法制备出了 FeS2/rGO复合材料,并将其首次运用在对电极上。复合材料趋于呈现颗粒状的形貌,而石墨烯在颗粒表面连接着颗粒,从而提高了材料的电荷传输性能。通过CV测试得到复合对电极的Epp以及还原电流密度方面表现出比铂更好的性能,表明其具有很好的催化活性。J-V测试得到,基于FeS2/rGO复合对电极的DSSC的转换效率达到8.53%,相比FeS2-DSSC有了较大的提高,甚至高于采用铂作为对电极的DSSC的转换效率。而在开路电压、短路电流以及填充因子方面也分别达到了 0.74V、17.6 mA和65.01%,这些优良的性能参数表明石墨烯的引入有效的提高了材料的催化性能。
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