敏化太陽(yáng)能電池電極材料的制備與性能研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSCs)以其低的成本、環(huán)境友好性、簡(jiǎn)單的封裝過(guò)程、較高的光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)勢(shì)，引起了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界極大的研究興趣。這兩種敏化電池主要分為四個(gè)組成部分:半導(dǎo)體氧化物光陽(yáng)極、染料分子/量子點(diǎn)(QDs)、電解質(zhì)和對(duì)電極(CEs)。光陽(yáng)極作為敏化電池的重要部分之一，是決定電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。采用多樣化的制各技術(shù)以及修飾等方法以提高半導(dǎo)體光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)光的有效利用率。CEs在敏化電池

2、工作過(guò)程中起到了催化還原氧化態(tài)電解質(zhì)的重要作用，其導(dǎo)電能力、電催化活性、化學(xué)穩(wěn)定性等方面的性能很大程度上決定了電池的光伏性能。由于優(yōu)異的催化性能，鉑(Pt)通常用作敏化電池的CEs，但Pt作為貴金屬，地球上儲(chǔ)量非常少。本論文的研究為制備大比表面積的光陽(yáng)極以及高效的非Pt CEs材料，深入研究其在敏化太陽(yáng)能電池體系中的光伏和電催化性能，探討相關(guān)的理論機(jī)制與模型。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)水熱法生長(zhǎng)ZnO分級(jí)結(jié)構(gòu)和連續(xù)離子層吸

3、附方法生長(zhǎng)CdSe-CdS量子點(diǎn)并組裝光陽(yáng)極。CdSe-CdS量子點(diǎn)共敏化的ZnO分級(jí)結(jié)構(gòu)展示了更寬的可見光吸收范圍，對(duì)電池性能進(jìn)行了深入研究。作為光陽(yáng)極材料，CdSe-CdS雙量子點(diǎn)敏化的ZnO分級(jí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出增加的電流密度，光電轉(zhuǎn)化效率明顯提高，可達(dá)到1.39％。在太陽(yáng)光的照射下，光子被量子點(diǎn)俘獲產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后在ZnO和量子點(diǎn)的界面上電子和空穴迅速分離，電子轉(zhuǎn)移到ZnO的導(dǎo)帶上，空穴被多硫電解液中的氧化還原對(duì)消除掉，提高了量子

4、點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。結(jié)果顯示通過(guò)CdSe-CdS量子點(diǎn)共敏化的帶隙工程來(lái)拓寬可見光吸光范圍、促進(jìn)載流子的產(chǎn)生和有效的載流子分離是可行與非常有前景的，這種方法的巨大的潛在價(jià)值也具有拓展性。
　　(2)采用高反應(yīng)性活性的DPP-Se陰離子作前驅(qū)體成功合成了CuGaSe2和Cu(In，Ga)Se2 QDs，無(wú)需常規(guī)DDT配體。合成的量子點(diǎn)單分散性良好，吸光范圍覆蓋大部分可見光區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與CuGaSe2 QDs(2.

5、32％)相比，Cu(In，Ga)Se2 QDs修飾的TiO2介孔光陽(yáng)極具有更高的可達(dá)3.72％的光電轉(zhuǎn)化效率。通過(guò)燒結(jié)ZIF-67以及將燒結(jié)后的Co3O4進(jìn)一步硫化的方法得到了多孔CoS對(duì)電極。所得的CoS CEs顯示出明顯增強(qiáng)的催化活性和改善的導(dǎo)電性。CoS對(duì)電極(3.72％)表現(xiàn)出對(duì)多硫電解液更高的催化活性，從而導(dǎo)致比Pt對(duì)電極(1.85％)具有更好的QDSCs光電轉(zhuǎn)化效率。
　　(3)合理設(shè)計(jì)了基于g-C3N4修飾的TiO2

6、異質(zhì)結(jié)納米片光陽(yáng)極和Co9S8納米管陣列對(duì)電極的染料敏化電池。將g-C3N4和TiO2結(jié)合在一起形成異質(zhì)結(jié)可以拓寬TiO2的光響應(yīng)到可見光范圍，并且能有效地降低光生電子和空穴的復(fù)合率，進(jìn)而提高電池的光電性能?；赥iO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)納米片光陽(yáng)極電池更小的傳輸電阻證明了其更好的電荷傳輸能力。和Pt對(duì)電極相比，Co9S8納米管陣列對(duì)電極對(duì)I-/I3-的催化能力得到明顯增強(qiáng)。這可以通過(guò)循環(huán)伏安曲線和塔夫曲線來(lái)證明，Co9S8對(duì)電極在塔

7、夫曲線中顯示了更高的陽(yáng)極和陰極峰值電流密度?；贑o9S8納米管陣列對(duì)電極和TiO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)納米片光陽(yáng)極的染料敏化太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更長(zhǎng)的載流子壽命，這證明了電子與電解液之間低的再?gòu)?fù)合率。電池的最高的光電轉(zhuǎn)化效率是8.07％，相對(duì)于純的TiO2光陽(yáng)極明顯提高。
　　(4)自支撐的鎳鈷硫(NCS)針狀納米管陣列可以直接在FTO玻璃上通過(guò)在0.01 MNa2S水溶液里硫化鎳鈷氧(NCO)的前驅(qū)物得到，以其作為DSSCs的對(duì)電

8、極組裝電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NCS針狀納米管陣列展現(xiàn)了對(duì)I-/I3-電解液良好的催化性能，這是高性能的DSSCs電池所需要的。NCS針狀納米管陣列的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整硫化時(shí)間來(lái)得到最優(yōu)化的電池的光電轉(zhuǎn)化性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最優(yōu)的硫化時(shí)間為12h，得到的最顯著的光電轉(zhuǎn)化效率為8.95％，高于Pt對(duì)電極組裝的電池的7.05％。顯著增加的光電轉(zhuǎn)化效率的原因歸因于NCS顆粒中鎳離子和鈷離子的協(xié)同效應(yīng)，使氧化還原反應(yīng)的活性增強(qiáng)。該研究基于廉價(jià)NCS針狀納

9、米管陣列的CEs作為昂貴鉑的預(yù)期替代品，為高效率DSSCs的商業(yè)化提供了新的機(jī)會(huì)。
　　(5)通過(guò)在500℃下煅燒立方體TiOF2實(shí)心前軀體制備了三維銳鈦礦TiO2空箱子(B-TiO2)。每個(gè)B-TiO2空箱子由六個(gè)具有高反應(yīng)性的(001)晶面的單晶TiO2面構(gòu)成。通過(guò)在B-TiO2-Pt中空箱子上沉積CdS納米顆粒(NPs)，成功地合成了三元B-TiO2-Pt-CdS中空箱子。在所得的復(fù)合材料中，Pt和CdS NPs均勻分布在B

10、-TiO2空心箱的壁上。對(duì)B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構(gòu)的光伏性質(zhì)和光催化活性分別通過(guò)組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池和在亞甲基藍(lán)溶液的光催化降解進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與單組分B-TiO2和兩種組分B-TiO2-Pt納米結(jié)構(gòu)相比，B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構(gòu)顯示了增強(qiáng)的光伏性質(zhì)和光催化活性。性能改善的原因可歸因子新型的B-TiO2-Pt-CdS三元納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于光生電子-空穴對(duì)的分離是有益的，并且對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)做作為光