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《电子科技大学》 2018年
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基于新型对电极和光阳极的染料敏化太阳能电池光伏性能研究

陈海军  
【摘要】:Michael Gr?tzel和Brian O’Regan于1991年首次提出染料敏化太阳能电池(DSSCs)。鉴于DSSCs具有制备工艺简单,成本低,环境友好,性价比高,可柔性集成等优势,引起全世界政府和科学家的高度重视,成为非常有前途的第三代光伏电池。回顾20余年的发展历程,DSSCs的每一次技术和性能上的突破都是建立在材料与结构的优化和创新基础上。通过科学家们的不懈努力,DSSCs的能量转换效率(PCE)已从最初的~7%提升到13%,具有广阔的商业前景。典型的DSSCs结构包括光阳极、敏化剂、电解质和对电极等。本文将在前人研究基础上开展高性能DSSCs对电极和光阳极的研究工作。对电极的主要任务是收集外电路的电子并催化电解质(如I3-/I-)的还原反应;介孔光阳极主要作为吸附染料的载体和光生电子传输到外电路的重要通道。本文一方面探索新型对电极材料,通过优化设计对电极材料的组成和结构,进一步提升电化学催化活性;另一方面优化设计光阳极结构,改善光生电荷传输并抑制电荷复合,进而提高电荷收集效率。通过循环伏安(C-V),电化学阻抗谱(EIS),塔菲尔极化,强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)等相关电化学分析测试,对催化活性和电荷传输的动力学过程进行深入的理论分析,并结合电流密度-电压(J-V)光伏测试曲线验证相关理论结果。主要研究工作分为如下四个部分:1.新型碳纳米管气凝胶(CNA)对电极的电化学催化活性及光伏性能研究(1)以多壁碳纳米管(MWCNTs)为原料,结合溶胶凝胶和冷冻干燥等技术制成高孔隙率和高表面积的超轻CNA。结合场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和氮气吸附-脱附等温线分别表征CNA的微观形貌和孔隙分布。(2)通过C-V,EIS和塔菲尔极化等电化学分析手段对比并评估CNA和Pt对电极的电化学催化活性,同时进行相关机理分析。(3)从成本和电流密度-电压(J-V)特征曲线两方面分析对比CNA对电极和Pt对电极的优劣。研究表明CNA从原材料和制造成本两个方面都明显低于Pt对电极。而且CNA电池的最高PCE达到8.04%,明显高于传统Pt电池(PCE=6.79%)。2.基于CNA支撑复合对电极的电化学催化活性及光伏性能研究(1)分别利用热分解工艺和水热合成工艺制备Pt和Co S2纳米颗粒修饰的CNA复合对电极,分别简记为CNA-Pt和CNA-Co S2。结合X射线衍射(XRD),FESEM,透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附-脱附等温线等测试手段深入研究微观形貌和结构。(2)以Pt,CNA作为参考对电极,利用C-V,EIS,塔菲尔极化等测试手段系统评估CNA-Pt和CNA-Co S2对电极的电化学催化活性,并进行机理分析。(3)增加Pt和Co S2纳米颗粒在复合对电极中的含量,一方面增加催化点位,提高了催化性能;另一方面减小了孔隙率,不利于电解液的扩散。因此,通过优化Pt和Co S2纳米颗粒的含量,获得最高的PCE。3.晶格畸变调控外延Sr Ru O3薄膜对电极催化活性的影响及其机制研究(1)以(100)取向的Mg Al2O4和Sr Ti O3单晶基片作为衬底,通过磁控溅射沉积外延钙钛矿结构的Sr Ru O3单晶薄膜,分别简记为SRO/MAO和SRO/STO。通过FE-SEM和原子力显微镜(AFM)表征薄膜的微观形貌。(2)通过薄膜X射线衍射系统分析SRO/MAO和SRO/STO内部的晶体结构,主要对薄膜内应力和晶格畸变进行分析比对。(3)结合C-V,EIS,塔菲尔极化等电化学分析手段对比SRO/MAO和SRO/STO对电极的电化学催化活性,并进行相关机理分析。(4)以全新视角着重探讨Sr Ru O3单晶薄膜内应力诱导的晶格畸变对对电极的催化活性及光伏性能的影响。这为高催化活性对电极的设计提供全新的解决方案。4.基于Ti O2/ITO/Ti O2(TIT)光阳极的光生电荷输运特性及光伏性能研究(1)依靠ITO的高迁移率和透光率,本文提出TIT光阳极结构的设计思路。结合FE-SEM,XRD和电子能谱仪(EDS)等表征光阳极的微观结构。(2)结合IMVS和IMPS以及EIS等电化学分析手段对TIT光阳极与传统Ti O2光阳极在电荷输运和复合方面的性能特点进行系统表征。(3)鉴于ITO本身较差的染料吸附量,有必要对ITO夹层厚度进行优化,通过平衡电荷传输与复合来获得最优的光伏性能。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM914.4

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