一维导电纳米材料的合成及在染料敏化太阳电池中的应用研究

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1991年,O’Regan和Gratzel教授首次报道了染料敏化太阳电池(DSSC),自此之后,染料敏化太阳电池因其具有低成本、灵活高效、环境友好等特点使得各种研究兴趣都集中在这一领域。染料敏化太阳电池的光电转化的基本过程如下:在太阳光的照射下,光激发染料产生的电子注入到二氧化钛的导带,同时在Ti02薄膜中扩散、传输到FTO基底上,在此过程中同时伴随着电子复合。最后,在基底/TiO2界面电子被有效地收集并传输到外电路。对于一个高性能的染料敏化太阳电池来说,好的光吸收和快速的电子传输是不可或缺的。光吸收与光阳极的染料吸附量息息相关,传统的纳米晶颗粒光阳极具有大的比表面积可以保证大的染料吸附量和好的光吸收。然而,电子在通过相互接触的网状结构薄膜时是以一种无规则方式进行的,这种方式会提高电子与氧化态的染料或者电解液中I3负离子的复合几率。结果使得最终收集到的光生电子的数目减少,转化效率也受到抑制。因此,如何改善电子通过纳米晶膜时的传输成为了DSSC取得更高光电转化效率的最大瓶颈。为了解决电子的传输问题,研究者也付出了大量的努力,例如采用纳米阵列膜做光阳极比传统的颗粒膜有诸多优势。阵列膜拥有卓越的电子传输路径,可以使电子沿着纳米线或纳米管的轴向传播。然而,阵列膜没有足够的比表面积保证光吸收和足够多的光生电子,转换效率仍然没有得到改善。自从颗粒/纳米线复合光阳极的使用报道之后,具有优越导电性的碳材料被引入到光阳极,电子的传输问题和转换效率得到了改善。值得一提的是,相对于碳材料,金属Ag具有更优越的导电性和导热性。如果能将金属Ag等材料应用于DSSC中,光生电子在光阳极中的传输可能会有明显的改善,转换效率也有明显的提高。受上述思路的启发,本文从提高电子的传输速率和光生电子的收集效率出发,采用水热法合成了Ag/C纳米电缆结构,并引入到光阳极中,进一步提高电子的传输能力,与此同时并研究了此一维结构提高电池性能的原因。本文的研究内容和主要的研究成果如下:(1)以硝酸银、硫化钠、乙二醇、PVP等为原料制备一维银纳米线。通过改变反应溶剂、反应物的添加量等条件得到一维纳米线最佳的制备条件。同时,对产物进行表征。(2)以硝酸银、碳酸钾、蒸馏水等为原料制备一维纳米电缆。研究反应温度、反应时间、反应溶剂对产物形貌的影响,最后得到最佳的制备条件。样品检测结果显示:电缆长度为15-20μm,碳壳为无定形结构,银核的直径约为200nm。(3)制备染料敏化电池光阳极膜及电池的性能测试与分析。按照Ag纳米线与P25的质量比、纳米电缆与P25的质量比均为1%配置浆料,然后制备光阳极膜并封装成电池,在不同时间测试其I-V特性,对比电池的稳定性。另外按照纳米电缆与P25的质量比配备不同比例的浆料,封装电池测试I-V性能后,得出最高转换效率下纳米电缆与P25的质量比。最后进行染料吸附量、电化学阻抗测试,稳定性测试等分析总结得到:纳米电缆的引入确实有效地加快了电子在光阳极膜中的输运和光生电子的收集效率。
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