氧化石墨烯掺杂聚苯胺的制备及其作为全固态DSSCs中电解质的应用

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随着化石能源的枯竭以及各种环境污染和温室效应,使人类对能源尤其是清洁新能源的开发利用有了迫切需求。太阳能电池的开发,为人们解决目前能源危机提供了一条重要途径。与传统的硅太阳能电池相比,染料敏化太阳能电池具有较高的光电转换效率以及成本较低,自被O’Regan和Gratzel发现以来就引起了大家的关注。但是传统的液态电解质存在着系列的技术原因比如密封性差、电解液容易挥发、空气中的水和氧气容易渗入到电解质中而限制了电池的发展,人们研究的目光也从液态电解质转向了全固态染料敏化太阳能电池中来。导电聚苯胺(PANI)因其本身特殊的性质、环境稳定性等在催化、电池、电子技术等多方面得到应用。氧化石墨烯也因其特殊的二维结构和优秀的物理化学性质在化学、生物、物理、材料等多方面得到应用,尤其在制备复合材料上面。基于此,本文的主要工作如下:1.通过本课题组改进的化学氧化还原法制备了氧化石墨烯和石墨烯。XRD分析和TEM图像表明了GO的层间距离大约是0.8nm。通过GO薄膜的制备和研究,我们可以得出GO是含有大量有机含氧官能团的片层结构,由于这种结构的特殊性使GO的分散性得到了很大的提升,同时通过石墨烯的TGA分析和拉曼分析,我们可以得出还原之后的石墨烯材料未能完全还原。2.通过酸性和碱性条件下分别合成了PANI/GO复合物。XRD表明,酸性条件下实现的是PANI对GO的包覆,而碱性条件下实现了PANI对GO的插层。通过FT-IR测试,证实了经过还原和二次掺杂之后,实现了复合物中GO的部分还原。通过SEM和TEM分析,得出了经过还原和二次掺杂之后,复合物中PANI的分子链得到了展开,使得复合物的团聚现象得到了减少。TGA分析表明随着GO含量的增加,PANI/GO复合物的热稳定性逐渐增加。电化学测试表明了当GO含量为10wt%左右时,复合物具有较好的电化学性能。通过光电转换性质测试,我们发现,酸性条件下制备的复合物当GO的含量为10wt%且用HCl二次掺杂时,具有的Voc=0.41V, η(%)=0.16, Jsc=1.04mA cm-2的最佳值,而碱性制备的复合物用HC1二次掺杂之后光电转换效率随GO含量变化不大,较为稳定。3.通过PANI和PVA进行复合之后再与GO形成复合物。XRD图谱表明随着GO含量的增加,复合物中会出现GO的明显的特征峰,而复合物被还原之后,晶型结构变好。红外图谱表明了复合物的结构中只是出现了PANI/PVA的共混而没有化学键的存在。扫描电镜和透射电镜表明了PVA的存在,对复合物中聚合物的尺寸有一定的改变。TGA表明GO的存在使得PANI/PVA复合物的热稳定性降低,但是经过还原和二次酸掺杂,复合物的热稳定性得到了很大的提高。电化学测试表明了3wt%到5wt%之间的复合物的电化学性质最佳,同时经二次掺杂之后,复合物的峰电流大小变成了之前的10倍左右。同时,光电转换效率测试表明,复合物GO含量为5wt%-15wt%之间电池具有较高的光电转换效率。当GO含量为10wt%时,Voc=0.39V, JSc=1.03mAcm-2, HI二次掺杂之后的复合物在电池中的填充因子较好。4.通过PANI与PoAs单体在酸性条件下制备P(An-co-oAs)复合物,将复合物脱质子化之后与GO复合形成P(An-co-oAs)/GO复合物,并经过还原与二次酸化之后制得最终的产物。XRD结果表明P(An-co-oAs)复合物在GO层间只能以平行的方式排列于GO层间,红外图谱表明复合物的链实现了从卷曲的状态向伸直状态转换,同时P(An-co-oAs)复合物中的-NH官能团与GO的层间形成了氢键的作用,通过电镜分析可以得出插入到GO层间的P(An-co-oAs)的量很少,TGA分析表明聚苯胺和邻甲氧基苯胺之间形成的氢键作用使复合物之间结构上变得更加的稳定,同时GO含量的增加会对复合物的热稳定性有一定的影响。通过光电转换性质测试,我们发现,当GO的含量为5wt%时,Foc=0.38V, Jsc=0.74mAcm-2,光电转换效率能达到0.11%。
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