论文部分内容阅读
染料敏化太阳能电池（DSSC）作为第三代太阳能电池,由于其环境友好以及廉价易得等优点而受到研究人员的广泛关注,成为传统硅太阳能电池的替代选择之一。DSSC一般是由光阳极、染料敏化剂、电解质溶液和对电极所构成。其中对电极的作用是收集在外电路的电子并且催化电解液（I-/I3-）的还原,传统的对电极材料是贵金属铂,铂的催化性能好、导电率高以及化学稳定性好,然而价格却十分昂贵,在地球上的储存量有限,因此寻找能够替代铂且催化性能优异的对电极材料是一项很重要的工作。本论文用一种简便的方法合成碳化铁材料并成功掺入铜原子,制备不同铜原子掺杂量的铜掺杂碳化铁材料,将其用作DSSC的对电极,并对其进行结构表征和光电测试。以期望这种新型的铜掺杂碳化铁材料能够代替铂成为DSSC的对电极材料。本文的主要研究内容及研究结论为:（1）采用高温热解2-甲基咪唑的方法制备碳化铁材料,并将其用作对电极应用于DSSC中。该方法所用的原料便宜易得,制备过程无毒无污染。随后对碳化铁作对电极的DSSC进行研究。重点研究碳化铁对电极材料在DSSC体系中对电解液的I-/I3-的催化性能,通过LSV、CV、EIS等测试方法,来分析能够对对电极催化性能产生影响的因素。实验的结果表明,碳化铁对电极在作为DSSC的对电极时能够有比较好的导电性及催化性,其对电极/电解质界面电阻和欧姆电阻较小,让碘离子能有良好的扩散通道。碳化铁材料作DSSC对电极时所得到的光电转换效率为4.07%。从成本的角度来看,碳化铁能够替代铂对电极成为应用于DSSC中的对电极催化材料（2）采用高温热解2-甲基咪唑的方法制备铜掺杂碳化铁材料,构筑对电极,而后应用在DSSC中。通过实验选取正确的铜掺杂量,铜原子的摩尔含量从10%逐渐减少到0.25%,确定能够成功掺杂的铜原子的摩尔含量为0.25%、0.5%、0.75%、1%,随后对四种掺杂量的铜掺杂碳化铁对电极进行物理及化学表征。结果表明,铜原子的掺入,使得碳化铁的晶胞收缩,X射线衍射峰向右偏移;使得碳化铁晶体中存在一定数量的Cu2+,Cu2+的存在会增加材料整体的导电性,使对电极有更好的催化活性及可逆性。当Cu的加入量太少时,Cu2+生成的含量过少,对电极材料的性能没有得到太多的提高;但加入浓度太高时,会造成碳化铁的堵塞而阻碍了离子的传递,导致对电极材料的性能下降,只有当Cu含量适量时,所得对电极材料的性能最好,实验结果表明0.75%的铜原子掺杂量是最优的。最后,四种铜掺杂碳化铁对电极按掺杂量大小为0.25%、0.5%、0.75%、1%分别应用于DSSC中所得到的光电转换效率为:4.45%,5.07%,5.68%,5.46%。（3）四种铜掺杂碳化铁作DSSC对电极所得到的光电转换效率皆比纯碳化铁作DSSC对电极所得到的光电转换效率高,说明铜原子的掺入能够提升碳化铁材料的整体性能。与铂作对电极的DSSC光电转换效率相比,铜含量为0.75%的铜掺杂碳化铁对电极构筑的DSSC的光电转换效率是铂作对电极DSSC光电转换效率的91%。制备碳化铁的原材料比贵金属铂廉价,储存量也更大,同样从成本的角度来看,铜掺杂碳化铁也可以成为一种替代铂作DSSC对电极的催化材料。