钒多酸-离子液体复合体系的光热电转换性能研究

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多金属氧酸盐(polyoxometalate,POM)是一类具有最高氧化态或混合价态的过渡金属无机分子簇合物,是通过氧原子桥连d0或d1金属离子而形成。近年来已在染料敏化太阳能电池(DSSC)、光催化以及光热治疗等领域表现出较好的应用前景。凭借可调的能带结构,显著的可见光吸收性能以及较强的接收电子能力,POM在DSSC的光阳极材料中作为传递电子的媒介或共敏剂受到广泛关注。参考了 DSSC中使用染料分子与POM组合作为共敏剂可以提高光电转换效率的方法,在本论文中,我们将共敏的概念引入全液态电化学电池体系中,并利用相对简单的电池结构即可实现有效的光电转换。此外,由于混合价态POM会在长波长区域出现新的价间电荷转移(IVCT)吸收带因而表现出优异的光热性能。与此同时,混合价态的POM具有一定的可逆氧化还原活性以及结构稳定性,适用于氧化还原反应相关的能量转换过程,比如热电转换。因此混合价态POM可以将热电效应与光热效应结合起来并最终实现光热电转换的过程。基于以上分析,本论文的工作主要包括以下几个方面:1.对于目前开发的第三代太阳能电池来说,制造技术对于它们的性能起着至关重要的作用。另外,需要对太阳能电池体系中的电荷分离,复合和转移以及封装技术等进行精准且复杂的控制,才能实现高的能量转换效率以及确保器件的耐用性。固/液结合的DSSC和钙钛矿太阳能电池(PSC)由于液体电解质的泄漏和腐蚀性而使得器件的使用受到限制。鉴于此,我们构建了一种非常简单的电池结构,通过将一种无机-有机杂化离子半导体[Ni(Phen)3][V14034Cl]Cl(Phen=1,10-phenanthroline)溶于离子液体制备成电解质溶液溶液,在此电解质溶液中浸入不同的电极材料并对其表征。通过优化电极材料,在碳布‖[Ni(Phen)3][V14034Cl]Cl的离子液体溶液‖泡沫铝这样的电池结构中,温度为80℃,模拟太阳光AM1.5(100 mW cm-2)光照的条件下获得了 1.199 V和3.268 mA cm-2的开路电压及短路电流,其中填充因数为42.48%,光电转换效率为1.665%。此外我们借助于超快光谱的表征,对有机金属配合物阳离子与POM阴离子共同敏化实现光电转换的电子转移过程进行了分析。2.大部分太阳能等能量都是以低品位热能的形式消散,而有效利用这部分能量对解决能源危机和全球变暖具有重要意义。在此,我们利用NiV14在离子液体中的光热和热电效应的结合最终实现了光热电转换的过程。NiV14溶液在波长为808nm和1064nm的光照下,光热转换效率分别为16.04%和23.43%。利用NiV14溶液中不同离子产生的热扩散和热电化学协同效应,通过物理加热或近红外光热效应两种方式都可以在温差为70 K时获得450 mV的热电压。实验结果表明,NiV14溶液体系具有较高的Seebeck系数(6.38 mVK-1),优化后的电池最大输出功率可达1.2Wm-2。因此POM-离子液体体系为低品位热能和太阳能向电能的转化提供了新的研究方向。
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