非贵金属对电极材料的制备及其电催化性能的研究

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染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为第三代太阳能电池因其具有制备简单、低成本、环保和高光电转化效率等优点得到了全世界研究者的关注。尽管染料敏化太阳能电池具有诸多优点,但其应用还有很多问题亟待解决,如优化染料、电解质材料、对电极和光阳极等来提高电池的光电转化效率并且降低成本。对电极(CE)是DSSCs的一个重要部件,其作用是帮助电池从外部电路循环中收集电子并且帮助氧化还原对再生。截至目前,DSSCs中最常见的CE材料是一层薄薄的铂(Pt)。Pt因为其超高的活性和卓越的稳定性,已经被公认的用作对电极研究的参比材料。但Pt售价高昂且自然界中保有量低,势必会对染料敏化太阳能电池的大规模生产和应用形成较大的阻力。为了降低对电极的制造成本,大家在非铂对电极材料的开发上投入了大量的精力,如以碳为基底的材质、金属化合物聚合物等。但想要得到价格低廉且制造工艺简单的染料敏化太阳能电池对电极材料还需要更多的努力来提高催化活性、降低成本以及提高对电极的稳定性来应对实际应用中可能出现的问题。染料敏化太阳能电池大规模应用的一个前提是能够制造出成本低廉且稳定性高的对电极。本文第三章介绍了一种简单高效且成本低廉的在TiO2表面覆盖一层碳薄膜的方法,该方法可以提供大量高效率且廉价的DSSCs对电极。实验借助丝网印刷的方法将包含有机物成分的二氧化钛浆料均匀的印刷在FTO导电玻璃基底上。将该TiO2涂层在450-550℃氩气氛围下进行退火处理得到碳包裹TiO2核壳结构的纳米颗粒。该材料用作染料敏化太阳能电池的对电极材料,实验结果证明该材料的光电转化效率得到了很大的提高,450℃下退火的样品的光电转换效率η为5.42%,接近参比Pt对电极5.84%的光电转化效率。由于TiO2/C材料是一种稳定性高且价格低廉的材料,其在高效大规模应用的染料敏化太阳能电池中有极大的优势。本文第四章介绍了石墨烯(GR)TiO2的复合材料在DSSCs对电极中的应用。将不同比例的石墨烯与浆料混合后,通过丝网印刷在FTO上并进行干燥处理形成石墨烯与TiO2的复合材料。将该对电极组装成DSSCs进行测试,实验结果证明,在石墨烯10 wt%的掺杂比例下的转化效率η为5.74%与铂对电极相当,说明石墨烯对电极本身的电催化潜力充足,较小的混合比例依旧可以支撑电池的高效催化。该复合材料制备工艺简单、催化性能较好且成本较低,适合染料敏化太阳能电池的规模应用。本文第五章介绍了对电极上Mo S2负载量变化对电池性能的影响。通过对FTO衬底的预处理,使其表面具备超亲水性,这一特性可使液膜在其表面均匀铺开。接着在处理过的FTO上滴定不同浓度的钼酸铵溶液来控制其表面的Mo原子浓度,硫化后形成不同负载量的Mo S2对电极并组装成染料敏化太阳能电池。实验结果显示,在一定范围内减小对电极上Mo S2的负载量,电池的效率并没有随着Mo S2负载量的减小而成正比例的下降,一定程度降低Mo S2负载量,电池效率仅有非常小的下降,这说明这些Mo S2薄膜具有较大的电催化潜能,较小的负载量就足以提供较高的电池的效率。这为今后充分发掘对电极的潜能,提高染料敏化太阳能电池效率,节约电池制造成本提供了新的探索方向和可行的实验方法。
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