染料敏化太阳能电池电解质添加剂与对电极材料研究

摘要

染料敏化太阳能电池(DSSCs)由光阳极、电解质和对电极三部分组成。在传统的液态电解质中，通常选择加入不同种类的添加剂以提高电池的光电性能。但是，目前为止，添加剂对电池性能的影响都只是单一地显著提高其开路电压(Voc)或短路电流(Jsc)。Pt由于其良好的导电性和催化性能作为传统的对电极材料。目前为止，各种非Pt对电极材料如碳材料、导电聚合物、金属硫化物等已引起了广泛的关注和应用。同时，通过修饰材料的表面几何和电子结构同样使其具有良好的催化性能。为了进一步提高电池性能，本文基于液态电解质中添加剂和对电极材料，所研究内容主要包括以下两个方面:
　　1.配制不同比例的两种添加剂4-叔丁基吡啶(TBP)和异硫氰酸胍(GuSCN)的液态电解质，通过一些电化学及光电化学测试和理论计算研究其对于电池性能影响的机理。TBP和GuSCN作为共添加剂可以显著提高电池的光电性能，因为它们可以影响电池的能带及电荷传输。莫特-肖特基(MS)曲线可以定量地去分析二氧化钛的带边移动，进而阐明Voc的变化。同时，可以利用循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、强度调制光电流谱/光电压谱(IMPS/IMVS)和电荷抽取(CE)技术进行动力学方面的研究。理论方面，利用DFT密度泛函理论去研究相互作用能、费米能级和前线轨道。结果显示，TBP与GuSCN在比例为9∶1时其电池性能最好。机理方面，TBP和TiO2之间的前沿轨道有效地重叠导致了费米能级的负移和Voc的增加。由于库伦引力，胍盐离子(G+)可以紧密地吸附在TiO2表面形成钝化层，减小电子复合速率。由于体积和静电作用，不同比例的TBP和GuSCN可以产生竞争效应，因此，可能是这种协同作用导致了太阳能电池性能的明显提高。
　　2.设计了一种新型的以FTO导电玻璃为原材料的对电极，将其置于管式炉中真空退火后用作染料敏化太阳能电池对电极材料，发现其效率最高可达Pt的90％。为了进一步探究其作用机理，通过脉冲激光沉积(PLD)的方法制得SnO2薄膜，相同条件处理后，用作染料敏化太阳能电池对电极，得到与Pt相近的催化性能。同时，通过电化学及电压-电流(Ⅳ)特征曲线、CV和Tafel测试表明所制得的对电极材料具有明显的电催化性能。通过电子顺磁共振(ESR)表征方法验证是氧空位在起作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 DSSCs的结构、工作原理及性能指标

1．2．1 DSSCs的结构

1．2．2 DSSCs的工作原理

1．2．3 DSSCs的性能指标

1．3 电解质添加剂的研究进展

1．3．1 TBP等含N杂环化合物添加剂

1．3．2 阳离子添加剂

1．3．3 两种添加荆的协同作用

1．4 非Pt对电极研究进展

1．4．1 碳材料

1．4．2 导电聚合物

1．4．3 金属硫化物

1．4．4 金属氧化物

1．4．5 过渡金属氮化物和碳化物

1．4．6 复合材料

1．5 本论文研究内容

第二章 共添加剂对TiO2带边移动和电子复合的影响

2．1 引言

2．2 实验步骤

2．2．1 实验仪器

2．2．2 电解液的配制

2．2．3 光电化学测试

2．2．4 理论计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 带边移动和光电性能

2．3．2 吸附过程理论计算

2．3．3 阻抗和动力学分析

2．4 结论

第三章 FTO表面氧空位的催化性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及仪器

3．2．2 对电极材料制备

3．2．3 结构与性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 FTO光电化学性能及结构表征

3．3．2 SnO2薄膜的光电化学性能及结构表征

3．4 本章小结

第四章 全文总结与展望

4．1 全文总结

4．2 展望

参考文献

附录

硕士期间发表论文

致谢