导电聚合物对电极在TiO2纳米管阵列基染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

传统染料敏化太阳能电池(DSSC)的光阳极及对电极材料以 TiO2纳米颗粒和Pt居多。TiO2纳米颗粒光阳极晶界多,电子在其中扩散速率较慢,且易与电解质中的I3?复合;Pt价格高昂:二者均不利于DSSC的长远发展。一维有序的 TiO2纳米管阵列(TNTs)能够为电子提供线性传输通道,电子复合少、寿命长、传输速率高;而聚合物如聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)及聚苯胺(PAn),价格低廉且制备方法简单:有望取代 TiO2纳米颗粒及 Pt而成为新一代电极材料。本文主要内容如下:
　　(1)以Ti片为正、负极,通过阳极氧化,制备了TNTs薄膜。用过氧化氢水溶液蚀刻,得到一维有序双开孔自支撑 TNTs薄膜,将其转移到导电玻璃上,制备了正面透光型光阳极。通过氟化氢(HF)与四氯化钛(TiCl4)水溶液处理,显著增加了TNTs表面粗糙程度,染料吸附量及光捕获率得到提高。以HF-TiCl4共处理的光阳极组装而成的DSSC平均效率达7.30％,与无处理的(5.38%)相比提高了35.69%。
　　(2)采用原位聚合法合成了PEDOT薄膜,通过循环伏安(CV)、电化学阻抗(EIS)及塔菲尔测试表征了PEDOT对电极对I?/I3?的催化活性,并与Pt对电极相比较。结果表明,PEDOT对电极的催化活性优于Pt对电极。含PEDOT及Pt对电极的DSSC光电转换效率分别为7.71%和7.30%。鉴于PEDOT对电极良好的透光性,利用Ag镜从PEDOT对电极面反射部分透过DSSC的光到电池参与光电转换,效率进一步提高到8.36%。
　　(3)采用还原氧化石墨(rGO)复合及硫酸处理两种方法对 PEDOT-PSS对电极进行修饰,制备了S/rGO/PEDOT-PSS对电极,研究了rGO的加入及硫酸处理对PEDOT-PSS对电极的形貌、透光性、催化活性及光电性能的影响。rGO与PEDOT-PSS的复合增加了活性表面积;硫酸处理则改善了对电极的电导率,提高了电池的短路电流密度。S/rGO/PEDOT-PSS对电极组装的DSSC光电转换效率达到了7.03%,与 PEDOT-PSS对电极组装的电池效率(3.57%)相比,提高了96.9%。
　　(4)采用无模板法制备了宽40-70 nm、长140-340 nm的PAn纳米带。CV与EIS数据表明,PAn对电极还原I3?的电化学催化活性与铂对电极相当,PAn纳米带组装的DSSC光电转化效率为6.32%,已达到铂对电极DSSC的87%。

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主要符号对照表

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 DSSC的结构及其光电转换原理

1.3 DSSC主要性能参数

1.4 TiO2纳米管光阳极的研究进展

1.5 DSSC对电极的研究进展

1.6 本论文的研究内容及意义

第2章 正面透光型高效TiO2纳米管光阳极的制备及其光电性能研究

2.1 引言

2.2 实验

2.3 结果与分析讨论

2.4 本章小结

第3章 原位化学聚合法制备PEDOT透明对电极及其在

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果分析

3.4 本章小结

第4章 硫酸后处理制备高效rGO/PEDOT-PSS对电极及其在DSSC中的应用

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果分析

4.3 本章小结

第5章 无模板法合成聚苯胺纳米带对电极及其在DSSC中的应用

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果分析

5.4 本章小结

第6章 总结

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果