染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極和對(duì)電極新材料的探究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized Solar Cell，DSSC)具有安全無(wú)毒、成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為太陽(yáng)能大規(guī)模利用的潛在候選者。光陽(yáng)極和對(duì)電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的兩個(gè)重要組成部分，他們的組成和結(jié)構(gòu)直接影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
　　納米TiO2介孔薄膜是目前DSSCs使用最廣泛的光陽(yáng)極材料，在DSSCs中作為染料的載體，具有接收光生電子和傳輸電子的作用，是影響電池光電轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵組成部

2、分。由于納米TiO2薄膜仍存在一些不足，例如較高密度的表面態(tài)，以及較低的電子遷移率，這無(wú)疑加速了電荷的重組，限制了的電荷傳輸。為了推進(jìn)染料敏化太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用，探索更高效的的光陽(yáng)極，本文在傳統(tǒng)的商業(yè)TiO2(P25)光陽(yáng)極基礎(chǔ)上，引入具有較高的電子遷移率的SnO2，制備了SnO2/TiO2復(fù)合材料光陽(yáng)極，加快了光陽(yáng)極上的電子傳輸速率，抑制了光電子的界面復(fù)合，提高了電荷收集效率。同時(shí)，對(duì)電極作為染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的另一重

3、要組成部分，具有收集外電路的電子、吸附電解質(zhì)并不斷催化I3-得到電子后還原為I-的重要作用。而傳統(tǒng)的對(duì)電極材料為金屬鉑，其成本約占電池的70％左右，因此尋找低成本的對(duì)電極來(lái)替代鉑成為降低電池成本的關(guān)鍵。本文采用碳與導(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料代替鉑作為對(duì)電極，大大降低了電池的成本。
　　通過(guò)測(cè)試電池的光電流密度-電壓輸出特性曲線(xiàn)，探尋影響染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素，分析影響機(jī)理。主要內(nèi)容如下:
　　(1)分別采用10n

4、m的TiO2、20 nm的SnO2制備成電池，與商業(yè)TiO2(P25)比較，分析影響電池效率的性能參數(shù)。結(jié)果表明，幾種納米半導(dǎo)體薄膜的比表面積、染料吸附量、開(kāi)路電壓、短路電流密度等光電性能參數(shù)差異較大，影響了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然SnO2具有較高的電子遷移率而備受關(guān)注，但是純SnO2不是好的光陽(yáng)極材料。
　　(2)采用TiO2和SnO2混合體系制備TiO2/SnO2復(fù)合光陽(yáng)極，制備了TiO2/SnO2復(fù)合材料染料敏化太陽(yáng)能電池。

5、引入熱-氣泡法合成高結(jié)晶性的3.4 nm的SnO2，首先將SnO2與TiO2按照不同的質(zhì)量百分比進(jìn)行混合后制備成混合漿料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷法得到混合薄膜，然后通過(guò)將薄膜浸泡在TiCl4水溶液中而在其表面覆蓋一層TiO2，得到TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜。通過(guò)比較基于不同質(zhì)量百分比的SnO2的復(fù)合光陽(yáng)極，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SnO2和TiO2的質(zhì)量百分比為7.5時(shí)，復(fù)合電極的比表面積、電導(dǎo)率和電荷收集效率等達(dá)到最大值。討論了TiO2/SnO2復(fù)合材料中光

6、生電子的傳輸及其能帶結(jié)構(gòu)，研究復(fù)合材料的光電性質(zhì)以及光生電子傳輸機(jī)理。由四探針?lè)妼?dǎo)率測(cè)試和EIS測(cè)試，證實(shí)了TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜的導(dǎo)電性能優(yōu)異。因此TiO2/SnO2復(fù)合材料電池的短路電流密度大幅度提高，其電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大達(dá)到了6.6％，比相對(duì)純TiO2的DSSCs提高了52％。這種高效的SnO2/TiO2已被證實(shí)是染料敏化太陽(yáng)能電池的一種很有前途的光陽(yáng)極半導(dǎo)體復(fù)合材料。
　　(3)將PDDA功能化的多壁碳納米管

7、得到的復(fù)合材料PDDA/CNTs用作對(duì)電極，來(lái)取代傳統(tǒng)的高成本的Pt對(duì)電極，可大大降低電池的成本。討論了影響PDDA/CNTs對(duì)電極組裝的DSSCs的光電性能的主要因素以及電池的穩(wěn)定性。最優(yōu)化的電池的光電轉(zhuǎn)換效率（η）和單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)分別達(dá)到5.65％和61.6％。相對(duì)于純CNTs對(duì)電極組裝的電池，其光學(xué)性能明顯提高，主要?dú)w功于CNTs具有較強(qiáng)的電導(dǎo)率以及PDDA/CNTs復(fù)合材料能在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。

8、PDDA/CNTs復(fù)合材料是DSSCs對(duì)電極中Pt的一個(gè)出色的潛在替代品。這種低溫合成碳納米管-導(dǎo)電聚合物的方法，為今后的對(duì)電極新材料的研究工作提供了一個(gè)有價(jià)值的參考。
　　(4)尋求簡(jiǎn)單而有效的制備對(duì)電極漿料的方法以及對(duì)電極的鍍膜方法。CNTs和PDDA/CNTs復(fù)合材料對(duì)電極的漿料的制備均采用用去離子水作為溶劑，未添加任何粘合劑或者表面活性劑;引入簡(jiǎn)單的滴加法和低溫干燥的方法得到薄膜;通過(guò)比較旋涂法和滴加法兩種制備對(duì)電極薄膜的