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用于染料敏化太阳能电池的非Pt催化材料研究

林逍  
【摘要】:作为一代新型太阳能电池,染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSC)具有能量转换效率高、工艺简单、绿色环保及成本低廉等优点。通常,DSC由光阳极(吸附有染料的半导体多孔膜)、含有氧化还原电对的电解液和对电极三部分组成,其中对电极通常为贵金属铂(Pt)电极。然而,Pt价格昂贵、储量有限且易与电解液中的氧化还原电对(13-/I-)反应,影响了DSC的成本的降低及长期稳定性,严重限制了DSC的大规模产业化生产。因此,开发低成本、储量丰富以及稳定的对电极催化材料迫在眉睫。本文设计并合成了钼、钨和铌的碳化物、氮化物及氧化物,可替代Pt催化材料应用于构建高效低成本DSC。 首先,利用有机无机杂化法合成了具有较大比表面积的介孔Mo2C纳米纤维,并将其作为对电极催化材料用于DSC,介孔Mo2C纳米纤维表现出与Pt相近的催化性能。相同条件下比较了不同形貌的Mo2C在DSC中的催化性能,证明了介孔Mo2C纳米纤维由于其较大的比较面积,表现出较高催化活性。另外,利用相同的实验方法合成了WO2纳米棒,并首次将其作为对电极组装DSC,取得了与Pt组装的DSC相近的能量转换效率。 其次,利用尿素-金属氯化物的化学方法合成了NbC(N)、NbN及Nb205,并将其作为对电极应用于DSC体系中。J-V, EIS和CV实验结果表明Nb205的催化活性最好。此外,通过调节温度合成了三种晶型的Nb2O5及一种晶型NbO2。在DSC体系中,系统比较了晶型结构与催化活性之间的关系。实验结果表明,单斜晶型的Nb205催化活性较好,四方晶型的NbO2催化活性超越了Pt。同时,合成的负载型催化材料(介孔碳负载的Nb205和碳负载的NbO2)均表现出高于Pt的催化性能,表明负载是提高材料的催化性能的有效方法。研究了不同气氛烧结氛围对氧化物对电极催化活性的影响,结果表明惰性气体烧结的薄膜的催化活性较高。 最后,成功地设计并制备了全柔性大面积DSC,通过引入光散射层或施加机械压力优化了全柔大面积DSC的性能,并将开发的理想的非Pt对电极(Nb02及NbO2/C)应用于此大面积柔性DSC中,实现了非Pt对电极大面积实用化应用。另外,制备了艺术大面积DSC,使DSC实现了实用化与艺术化的统一


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