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《中国石油大学(北京)》 2017年
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染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极材料的应用研究

杨旺  
【摘要】:染料敏化太阳能电池(DSSCs)以成本低廉、制备工艺简单和光电转换效率较高等优点,被认为是最具有潜力的新型太阳能电池。作为DSSCs重要组成部分,对电极起着传输电子以及催化还原氧化态电解质的作用。传统对电极材料为铂(Pt),但Pt储量有限、价格昂贵且易被电解液中的I_3~-/I~-腐蚀,严重限制了DSSCs的产业化发展。因此,开发高效、低成本、储量丰富且耐腐蚀的非Pt材料对DSSCs的实际应用具有重大的意义。本论文围绕开发石墨烯基对电极材料展开系统研究。采用N_2等离子体法对少层石墨烯薄膜(4-5层)改性处理,并将其应用于双面染料敏化太阳能电池(B-DSSCs)。在温和N_2等离子体处理下,氮原子和缺陷的引入显著提升了石墨烯薄膜的电催化活性而不影响导电性。通过将“掺杂改性”、“高导电性”和“高透光性”有机结合,基于改性石墨烯薄膜的B-DSSCs分别取得了3.12%(正面)和2.59%(背面)的效率,远优于纯石墨烯薄膜,且具有优异的长期稳定性能。构建α-Fe_2O_3/石墨烯三维结构来解决α-Fe_2O_3颗粒易团聚且大量晶界致使电子在其表面传输受限的问题,并研究其在DSSCs中的电催化性能。协同利用α-Fe_2O_3高催化活性和石墨烯高导电性,构筑以三维石墨烯基“电子传输高速通道”为载体,高性能α-Fe_2O_3催化活性位点均一分散的复合体系。此外,相互贯通的孔结构增加了材料比表面积,有利于增加活性位点和电解液中离子的扩散。以其作为DSSCs对电极时,取得了与Pt相当的效率且具有长期的循环稳定性能。以氧化镁为模板,通过垂直流化床CVD法生长高比表面积纳米网孔石墨烯粉体(1920 m~2 g~(-1)),并研究其在DSSC中的电催化性能。重点研究比表面积、边缘缺陷等对催化性能的影响。研究表明,纳米网孔石墨烯三维连续网络结构使其具有优异的导电性;大量的介孔使其拥有丰富的边缘暴露缺陷作为I_3~-催化活性位点;此外,相连多孔结构强化了电解液中离子的扩散。以其作为DSSCs对电极时,展现出优异的电化学稳定性能,取得了与Pt相媲美的效率(7.32%)。轻巧化发展的DSSCs要求较薄的对电极厚度。基于石墨烯孔边缘碳原子更易改性的特性,采用等离子体法对纳米孔石墨烯选择性边缘氮掺杂,围绕边缘氮原子和拓扑缺陷与I_3~-/I~-的电催化性能间的构效关系展开系统研究。结合DFT计算探索石墨烯材料活性位点。研究发现,边缘改性能够提升石墨烯催化活性,显著减小石墨烯/电解液界面间的电荷传输阻力。以其作为DSSCs对电极且厚度仅为4.3μm时,光电效率便超过Pt,达到了9.17%,同时展现出优异的电化学稳定性。
【学位授予单位】:中国石油大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM914.4

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