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热解ZIF-67在DSCs及钙钛矿太阳能电池中的应用

冯明巧  
【摘要】:迄今为止,太阳能电池已经发展到了第三代。其中,染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池因具有较高的能量转换效率而备受科研人员的青睐。然而,染料敏化电池中常用的对电极Pt和钙钛矿电池中使用的背电极Ag均为贵金属,存在价格昂贵、资源有限的缺点,限制了染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的应用与发展。因此,发展廉价的非贵金属电极材料具有重要的意义。ZIF-67是一类以钻为中心原子,2-甲基咪唑为配体的金属有机骨架配合物,经高温热解后可以得到的钴/碳的复合物。该复合物不仅具有较高的导电性还具有良好的催化活性,可以作为染料敏化太阳能电池和钙钛矿电池的电极材料。因此,本论文针对染料敏化太阳能电池和钙钛矿电池中存在的问题,制备了热解ZIF-67,并将其用于染料敏化太阳能电池的对电极和钙钛矿电池的背电极。首先优化了电极喷涂厚度,进一步研究了ZIF-67的热解温度及热解ZIF-67中钴和氧化钴的存在对其电化学性能的影响。主要研究内容如下:(1)热解ZIF-67的制备及其在DSCs中的应用在本部分工作中,首先制备得到ZIF-67,然后将其分别在650℃、750℃、850℃下氮气氛围中处理,制备得到不同温度下的热解ZIF-67。为了测试其在染料敏化太阳能电池中的性能,首先对电极的制备过程进行了优化,研究了电极喷涂厚度对电化学性能的影响,发现当喷涂厚度为5.5μm时电化学测试性能结果最优。进一步,研究了不同热解温度及Co和CoO的存在对电化学性能的影响,发现850℃下热解、含有Co和CoO的热解ZIF-67的电化学性能最优。其电极的能量转换效率可以达到7.92%,非常接近于Pt对电极的能量转换效率(8.38%)。以上实验结果表明热解ZIF-67是一类很有潜力的DSCs对电极材料。(2)热解ZIF-67在钙钛矿太阳能电池中的应用针对钙钛矿电池中存在的问题,结合上部分的工作结果,进一步研究了热解ZIF-67在钙钛矿电池中的应用。将850℃下制备得到的热解ZIF-67替代金属Ag作为钙钛矿的背电极材料,制备了基于碳材料且不含空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池,测试了其在钙钛矿电池中的电化学性能,测试结果表明能量转换效率为0.62%,可进一步对热解ZIF-67进行改性处理,增加其导电性,有利于提高钙钛矿电池的效率。


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