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染料敏化太阳能电池磷化物/碳对电极材料的研究

作　者: 窦衍叶
导　师: 高学平
学　校: 南开大学
专　业: 无机化学
关键词: 染料敏化太阳能电池对电极磷化镍碳材料协同效应
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

染料敏化太阳能电池（DSSCs）以成本低、易制作和相对高的光电转换效率而成为最有前途的光伏装置。作为DSSCs的重要组成部分，对电极主要起着从外电路收集电子以及催化I₃^-还原为I-的反应。传统的Pt对电极具有优越的电催化活性、高的导电性和较好的稳定性。但世界上的铂资源缺乏，价格昂贵，难适合于规模化应用。因此，研究新型廉价、非铂并且高效的DSSCs对电极材料非常重要。论文设计如下：第一，通过水热法，制备出纯相Ni₂P与Ni₁₂P₅，研究了体系压力，反应物浓度和反应时间对反应产物相结构的影响。研究结果表明，增加体系压力、延长反应时间和降低反应物浓度，产物倾向于生成Ni₁₂P₅。反之，则得到Ni₂P。在此基础上，制备出Ni₁₂P₅-graphene复合物，并将该复合材料作为DSSCs对电极研究了其光电性能和电化学作用机制。结果显示， Ni₁₂P₅-graphene复合物中Ni₁₂P₅嵌入到石墨烯片层中，构成“三明治”结构，这种特殊的结构利于电解液的扩散，这一点可从交流阻抗谱中较小的扩散阻抗得以证实。以Ni₁₂P₅-graphene复合物作为DSSCs对电极时，Ni₁₂P₅的高催化活性、石墨烯的高导电性与电解液的高效扩散性三者形成协同效应，使电池的光电转化效率提高至5.7%，在相同条件下，与Pt对电极所组装DSSCs的效率（6.1%）相近。同时，循环伏安测试结果显示，所合成的材料具有长期的循环稳定性，循环20周后，循环伏安曲线中的氧化峰与还原峰的峰电流密度基本保持稳定。第二，采用化学镀法制备了三种类型基于碳纳米管（CNTs）负载的复合材料（Ni-P/CNTs、Ni/Ni₃P/CNTs和Ni₃N/Ni₃P/CNTs），并将其作为DSSCs对电极，研究了其光电性能和电化学作用机制。研究结果显示，三种复合材料对I₃^-的还原反应均具有较好的电催化活性。其中，Ni-P/CNTs、Ni/Ni₃P/CNT两种复合材料中因为含有致密且导电性较好的金属镍，而使材料的电荷转移电阻较小。在氮化后的Ni₃N/Ni₃P/CNTs材料中，在碳纳米管表面形成颗粒状的Ni₃N与Ni₃P，为电解液的扩散提供较大空隙，加快了电解质的扩散。因此，Ni₃N/Ni₃P/CNTs材料对电极具有较小的吸附阻抗和扩散阻抗，且氮化镍较金属镍具有较高的电催化活性。综合对比显示，三种材料中Ni₃N/Ni₃P/CNTs对电极的DSSCs光电性能最优，其光电转化效率达6.3%，在相同条件下，接近于由Pt对电极组装的DSSC的效率（6.8%）。第三，采用浸渍-固相合成和化学镀-水热两种合成方法制备了Ni₂P/CNTs复合物，并将其作为DSSCs对电极，研究了其电化学作用机制和光电性能。研究发现，浸渍-固相合成法制备的Ni₂P/CNTs复合物负载量较小，且Ni₂P分散并不是很均匀，光电转化效率仅有5.5%。而化学镀-溶剂热合成的材料中Ni₂P纳米晶（约为10-20nm）在碳纳米管上负载均匀，没有出现纯相Ni₂P的团聚现象，表现出最低的电荷转移电阻、较低的吸附阻抗和扩散阻抗。因此，采用该对电极的DSSCs表现出较优的光电性能，光电转化效率达6.7%。总之，为研究低成本、非铂和高效的DSSCs对电极材料，本工作制备了几类磷化物/碳复合材料，深入研究了这些材料的构效关系。研究显示，这些材料集较高的电催化活性，良好的导电性和快速的离子扩散性于一体，展示了良好的光电特性。该研究结果为探索研究新型对电极材料提供了新思路。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
第一章绪论  14-46
  第一节引言  14-15
  第二节染料敏化太阳能电池的结构与工作原理  15-19
    1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构  15-17
    1.2.2 染料敏化太阳能电池的光电转换原理  17-19
  第三节染料敏化纳米太阳能电池的研究进展  19-36
    1.3.1 半导体多孔膜的研究进展  19-22
    1.3.2 染料的研究进展  22-23
    1.3.3 电解质的研究进展  23-24
    1.3.4 对电极的研究进展  24-36
  第四节 DSSCs 对电极存在的问题  36
  第五节本论文研究目的和研究内容  36-38
  参考文献  38-46
第二章实验方法  46-56
  第一节实验主要试剂和仪器  46-47
    2.1.1 实验试剂  46-47
    2.1.2 常用仪器  47
  第二节电极材料的表征分析方法  47-49
    2.2.1 拉曼散射光谱（Raman scattering spectroscopy）分析  47-48
    2.2.2 粉末 X 射线衍射（X-ray Powder Diffraction）分析  48
    2.2.3 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）表征  48-49
    2.2.4 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy）表征  49
  第三节染料敏化太阳能电池的组装  49-51
    2.3.1 导电玻璃的清洗  49
    2.3.2 电解液的及染料的配制  49-50
    2.3.3 电极的制备  50
    2.3.4 电池的组装  50-51
  第四节染料敏化太阳能电池的电化学测试  51-55
    2.4.1 循环伏安 (Cyclic Voltammetry，CV)  51
    2.4.2 交流阻抗 (Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)  51-52
    2.4.3 染料敏化太阳能电池的评价参数  52-55
  参考文献  55-56
第三章 Ni_(12)P_5-graphene 的制备及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  56-81
  第一节引言  56-57
  第二节 Ni_2P 与 Ni_(12)P_5合成条件的选择  57-62
  第三节 Ni_(12)P_5-Graphene 的制备及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  62-78
    3.3.1 材料的制备  62
    3.3.2 材料的表征与性能测试  62-63
    3.3.3 不同材料的结构及形貌分析  63-66
    3.3.4 50Ni_(12)P_5-GS 复合物微结构及电化学性能研究  66-77
    3.3.5 结论  77-78
  第四节本章小结  78
  参考文献  78-81
第四章 Ni/Ni_3P/CNTs 和 Ni_3N/Ni_3P/CNTs 的制备及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  81-96
  第一节引言  81
  第二节实验部分  81-84
    4.2.1 碳纳米管的羟基化  81-82
    4.2.2 材料的制备  82-83
    4.2.3 样品的表征与电化学性能测试  83-84
  第三节结果与讨论  84-94
    4.3.1 碳纳米管上化学镀 Ni-P 合金的理论分析[4,6]  84-85
    4.3.2 材料的结构及形貌分析  85-89
    4.3.3 材料电化学性能测试  89-94
    4.3.4 结论  94
  第四节本章小结  94-95
  参考文献  95-96
第五章 Ni_2P/CNTs 的制备及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  96-113
  第一节引言  96-97
  第二节固相法制备 Ni_2P/CNTs 及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  97-103
    5.2.1 材料的制备  97
    5.2.2 样品的表征与电化学性能测试  97-98
    5.2.3 实验结果分析与讨论  98-102
    5.2.4 结论  102-103
  第三节水热法制备 Ni_2P/CNTs 及其作为 DSSCs 对电极的性能研究  103-111
    5.3.1 实验部分  103
    5.3.2 样品的表征与电化学性能测试  103-104
    5.3.3 结果与讨论  104-111
    5.3.4 结论  111
  第四节本章小结  111-112
  参考文献  112-113
第六章结论  113-116
参考文献  116-128
致谢  128-129
个人简历及攻读博士学位期间发表的研究成果  129-130

染料敏化太阳能电池磷化物/碳对电极材料的研究

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