基于碳材料的染料及钙钛矿敏化太阳能电池对电极研究

摘要

近年来，随着化石能源日益枯竭和环境污染问题的日趋严峻，开发利用清洁、可再生能源成为缓解这两大问题的有效手段。太阳能作为储量最大的清洁、可再生能源，对地球表面的年辐照总量远远超过了地球上化石能源的储量。太阳能电池可以有效实现太阳能与电能之间的转换。因此，对它的研究一直是科研领域内的热点，其发展速度非常迅速。
　　按敏化材料划分，敏化太阳能电池包含染料、量子点及钙钛矿敏化太阳能电池三种。典型的敏化太阳能电池由透明导电光学玻璃、光阳极、敏化剂、电解质或空穴传输材料(Hole Transportation Materials,HTM)和对电极(Counter Electrode,CE)五个部分组成，其中CE承担收集外电路电子并促进电解质中氧化还原对再生或复合来自HTM空穴的任务。碳材料是一种廉价、原料来源广泛、制备工艺简单、导电性好且耐腐蚀的材料，经常被用于新型太阳能电池的CE。基于此，本课题主要对染料及钙钛矿敏化太阳能电池的CE进行了以下两方面的工作：
　　首先，针对染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)铂CE生产成本高的缺点，以高导电性的多壁纳米碳管(MWCNTs)为支撑，廉价的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒为附着材料，合成了MWCNTs/TiO2复合材料，通过刮刀涂膜技术将其制备成DSSCs的CE。复合CE具有较高的比表面积、较大的孔隙和较好的催化活性。最终得到的基于MWCNTs/TiO2复合CE的DSSCs器件具有7.95％的能量转化效率(Power Conversion Efficiency,PCE)，与以MWCNTs为CE的器件(PCE为6.82%)相比提高了16.6%。
　　其次，针对DSSCs液态电解质容易泄漏的缺点，一种全固态钙钛矿(敏化)太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)应运而生，其制备工艺简单，制备周期与DSSCs相比大大缩短。但是，贵金属CE的使用严重阻碍其商业化进程。因此，在DSSCs研究基础上，我们对以商业碳浆为CE的PSCs进行了开发，通过旋涂法结合刮刀涂膜技术，制备了完整的PSCs器件。最终，器件获得了5.09%的PCE，其中器件的电流密度为17.6mA/cm2，开路电压为0.83V，填充因子为0.35。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 DSSCs的结构及工作原理

1.3 PSCs的结构及工作原理

1.4 敏化太阳能电池的性能参数

1.5 染料及钙钛矿敏化太阳能电池CE的研究进展

1.6 本文的研究思路及内容

2 基于MWCNTs/TiO2复合对电极的DSSCs研究

2.1 引言

2.2 主要实验药品及设备

2.3 实验部分

2.4 实验结果及分析

2.5 本章小结

3 基于碳对电极的无空穴传输材料的PSCs研究

3.1 引言

3.2 主要实验药品及设备

3.3 基于碳CE无HTM的PSCs结构及工作原理

3.4 实验部分

3.5 PSCs形貌表征及性能测试

3.6 钙钛矿纳米线材料的探索

3.7 本章小结

4 总结与展望

4.1 全文总结

4.2 本论文的创新点

4.3 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录