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敏化太阳能电池是一种高效廉价的薄膜太阳能电池。吸附了敏化剂的多孔半导体光阳极、电解质和对电极是这种电池的三个密不可分的组成部分。其中对电极的作用主要是收集外电路的电子,并催化还原电解质中的氧化态物质。目前染料敏化太阳能电池(DSCs)中最常用的对电极是Pt/FTO电极,它对I-/I3-等氧化还原电对具有很高的催化活性和较低的过电位。然而Pt毕竟是贵金属材料,昂贵的价格会限制其在电池大规模生产中的应用;FTO玻璃基底也存在一定的局限性,如成本较高、面电阻较大以及运输中易碎等。此外,Pt对于新型敏化太阳能电池中使用的非I-/I3-体系电解质催化活性较低,开发与这些电解质相匹配的高效非Pt对电极也是对电极领域研究的重要方向。本论文主要针对上述问题开展新型非Pt对电极的研究,并取得了如下研究成果:
一.采用原位聚合法制备了聚苯胺/碳(PANI/FG)复合对电极。此对电极选用柔性石墨纸代替FTO玻璃作为基底,一方面降低了电池的串联电阻,另一方面,石墨与聚苯胺分子之间存在π-π堆积作用,可有效提高催化活性层与基底的结合性。原位化学氧化聚合法制备的聚苯胺表面具有发达的多孔结构,有助于提高其催化活性。电化学交流阻抗谱和循环伏安表征均显示这种复合电极对I3-的还原具有较高的催化活性。研究了聚苯胺分子结构形式和薄膜厚度对对电极性能的影响,发现翠绿亚胺式聚苯胺的催化活性优于全氧化态的聚苯胺。当对电极中聚苯胺膜厚为330nm时,组装的电池获得了最高为7.36%的光电转化效率。这种PANI/FG复合对电极制备过程简单,柔性质轻,成本低廉并且性能较高,为今后大规模制备DSCs提供了一个极具潜力的对电极选择。
二.首次采用双电位阶跃电沉积法(PR)制备了高效的NiS对电极。研究了不同电化学沉积条件对NiS电极性能的影响,发现采用PR法制得的NiS在化学成分及电化学催化活性等方面均与相同条件下使用传统恒电位法(PS)得到的NiS存在着较大差异。PR法可以得到透明且组分单一的NiS,而PS法得到的NiS中不可避免的存在共沉积的金属Ni。金属Ni的存在对NiS在I-/I3-体系中的催化活性具有强烈的抑制作用。使用PR法得到的NiS作为对电极,电池的光电转化效率达到了6.82%,远高于使用PS法制备的NiS作为对电极的电池(3.22%)。
三.通过两步法制备了具有纳米片状结构的CoS对电极。首先采用电沉积法合成了具有纳米片结构的Co(OH)2,以此Co(OH)2为结构模板,利用Co(OH),2和CoS的溶度积差异,通过离子交换合成了具有相同微结构的CoS电极。电化学表征显示,这种片状微结构CoS电极具有非常低的电荷转移电阻,可达到4.3～9.1Ω·cm2,此数值为目前己知CoS电极电荷转移电阻的最低值,说明此片状微结构CoS电极对Sx2-的还原反应具有很好的催化能力。采用片状CoS为对电极组装了量子点敏化太阳能电池,器件的光电转换效率达到了3.38%。