基于新型电极的染料敏化太阳能电池的研究

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由于传统能源(如:石油、煤炭、天然气等)的日趋枯竭和环境污染等问题的日渐严重,对新型能源的开发利用成为人们研究的热点之一。太阳能是一种清洁的,资源非常丰富的、使用安全的能源,拥有良好的应用前景。和传统光伏设备相比,染料敏化太阳能电池(DSSC)因为其成本低廉、制备简单和性能优良等长处而备受瞩目。DSSC主要由光阳极、染料、电解质和对电极组成,其中高性能的对电极和光阳极对提高电池的性能至关重要,因此,本文主要展开以下工作:(1)采用电泳沉积法和离子交换法,并通过硼氢化钠和硫酸溶液的处理在导电玻璃上直接生长海绵状的硫化钴/还原氧化石墨烯(Co S/r GO)薄膜。和纯的Co S对电极相比,该Co S/r GO对电极表现出更好的导电性和催化活性,可使得DSSC的光电转换效率达到9.39%。(2)采用水热法制备了高效透明的纳米杂化Co S/r GO对电极,并研究了在制备过程中氧化石墨烯(GO)浓度对对电极性能的影响。当GO浓度为0.10mgm L-1时,制备得到的Co S/r GO对电极具有良好的导电性和对电解液I3-/I-优良的催化活性。用入射光强密度为100 m Wcm-2的模拟太阳光分别从电池的正面和背面照射,该电极可使DSSC的光电效率分别达到9.82%和8.38%,与由Pt对电极组装的电池相比,其光电转换效率(太阳光正面入射)提高了19.17%。(3)研究了氨水在电沉积制备Co S和Ni S对电极过程中的作用,通过对电沉积液中氨水量和扫描周期的研究发现,在50 m L的沉积液中,氨水的量分别为2 m L和1 m L时,扫描周期为4时,得到的Co S和Ni S对电极导电性和催化活性最佳。由该Co S和Ni S对电极组装的DSSC的光电转化效率分别为9.23%和9.65%,比在中性或酸性条件下电沉积得到的Co S和Ni S对电极和Pt对电极组装的DSSC的光电转化效率都有所提高。(4)通过对两步水热法制备Co9S8纳米管的掺杂改性,制备了Co Ni2S4/Ni S花状微球和Co Mo O4/Co9S8杂化纳米管,并通过旋涂法分别制备了Co Ni2S4/Ni S和Co Mo O4/Co9S8对电极。和纯的Co Ni2S4和Ni S相比,Co Ni2S4/Ni S微球具有更大的比表面积,同时使得对电极具有更好的导电性和电催化活性,DSSC的效率可达到8.81%,因此Co Ni2S4/Ni S是一种价格低廉和性能优良的对电极材料。Co Ni2S4/Ni S杂化纳米管比Co9S8纳米管表面更加粗糙,通过循环伏安法、阻抗和塔菲尔测试显示Co Mo O4/Co9S8杂化对电极表现出更加优良的导电性和催化活性,可使得DSSC的光电转换效率达到8.60%,比由Co9S8和Pt对电极组装的DSSC的效率(7.69%和8.13%)有很大的提高。(5)采用水热法在TiO2光阳极表面制备了一层Ni O,该Ni O层不仅使得TiO2/Ni O光阳极的染料吸附量和光捕获量增加,而且紫外光谱显示TiO2/Ni O在400800 nm的吸收有所增加。通过电化学分析得出:和TiO2光阳极相比,TiO2/Ni O2光阳极表现出更短的电子传输时间、更长的电子寿命和更高的电子收集效率。因此,Ni O层的引入可有效的减少电子传输阻抗,从而减少电子复合反应。基于该TiO2/Ni O光阳极的DSSC的光电转化效率可达到8.93%,比由纯的TiO2光阳极组装的DSSC的效率(8.17%)提高9.30%。
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