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《北京理工大学》 2017年
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染料敏化太阳电池对电极材料的理论研究

刘群  
【摘要】:近些年来,为了满足人们日益增长的能源需求,缓解环境污染问题,越来越多的科研工作者致力于太阳电池的研究。与传统的硅基太阳电池相比,染料敏化太阳电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)成本较低,制备简单,并且对环境友好,为太阳电池的发展提供了一个新的契机。对电极是DSSCs的重要组成部分,通常使用铂为对电极材料。铂虽然有良好的催化性能、稳定性和导电性,但是其较高的价格和较低的储藏量限制了DSSCs的广泛应用。因此,寻找高效低成本的对电极材料来替代铂,对DSSCs的发展具有重要的意义。本文基于密度泛函理论方法,首先研究了经典的铂对电极材料表面上碘分子的吸附机理,随后设计出几种非铂对电极材料,主要内容如下:(1)基于密度泛函理论方法研究了碘分子在Pt(111)表面的吸附过程,得到了碘分子在Pt(111)表面不同吸附位点的吸附能和稳定的吸附构型。结果表明,在碘分子的吸附过程中,解离吸附和非解离吸附同时存在,但是从能量上看,解离吸附更易进行。研究结果有助于进一步了解Pt催化I_3~-/I~-还原反应的机理。(2)应用密度泛函理论研究了使用不同金属原子掺杂的石墨烯模型材料对I_3~-/I~-还原反应的催化性能。计算发现,Pt原子在石墨烯表面进行双空位掺杂(Pt@DV)时键能为-11.0 eV,大于Pt原子单空位掺杂(Pt@SV)的键能。在双空位掺杂模型中,当Pt原子与石墨烯的质量比为25 wt%时,碘原子在对电极材料表面的吸附能和碘离子的解离能分别为-1.54和0.60 eV,即该模型对I_3~-/I~-有较高的催化活性。随后用不同的过渡金属原子(Sc-Zn)分别替代Pt原子。结果表明,Co原子在石墨烯双空位缺陷表面掺杂时,对I_3~-/I~-的还原反应表现出了优越的催化性能,有望成为替代Pt的对电极材料。(3)采用密度泛函理论研究了I_3~-/I~-在Cu_2ZnSnS_4(CZTS)及其衍生物表面的还原反应。通过比较碘原子在Cu_2ZnSnS_4、Cu_2ZnSnS_xSe_(4-x)(CZTSSe)和Cu_2ZnSnSe_4(CZTSe)表面吸附性质的差异,发现当Se原子替换S原子后,晶体的电荷传输性能显著提高。随后分别比较了K、V、Ir和Pt掺杂Cu_2ZnSnS_4的性质,发现用K和V对CZTS进行掺杂的形成能较低,更易掺杂。通过比较碘原子在对电极表面的吸附能和碘离子的解离能发现V替换Cu2(V_(Cu2))是潜在的高效对电极材料。(4)基于密度泛函理论,首先比较了Pt双原子掺杂石墨烯模型对I_3~-/I~-还原反应的催化性能。研究发现当Pt双原子掺杂在石墨烯表面的异侧(Pt-O)时,Pt原子与周围C原子的相互作用更强,形成的构型更稳定,并且催化活性高于Pt双原子掺杂在石墨烯同侧(Pt-S)的模型。为了寻找高效廉价的对电极材料,随后用不同的过渡金属原子(Sc-Zn)分别替代Pt原子,结果显示Mn双原子掺杂在石墨烯同侧时,为DSSCs最佳的对电极候选材料。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM914.4;O646

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