染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极的制备与应用

摘要

当今世界能源问题日益严峻，因此发展可再生能源迫在眉睫。常见可再生能源包括风能、潮汐能、地热能及太阳能等，其中染料敏化太阳能电池由于其价格低廉、制备过程简单环保、光电转换效率及稳定性高等优点而成为研究重点。染料敏化太阳能电池主要由载有纳米二氧化钛的光阳极、电解液及对电极组成，其中对电极的主要作用是收集外电路电子，催化 I3-还原为 I-，保证电池反应的快速进行。目前常用的对电极材料为贵金属铂(Pt)，但 Pt的储量有限，且极易被电解液腐蚀，影响电池的稳定性，因此发展高效价廉的Pt替代材料尤为重要。
　　碳纳米材料具有独特的结构特点与物理化学性质，如高比表面积，高导电性，高催化活性，而且成本低，因此可以用来替代染料敏化太阳能电池中传统的Pt对电极，具有良好的应用前景，其中石墨烯（G）更是因为其优异的性能而备受关注。本文以氧化石墨烯（GO）及G为研究对象，分别合成了GO诱导的双面柱撑聚苯胺（PANI/GO）以及多褶皱杂原子掺杂石墨烯（CHDG），将其用作染料敏化太阳能电池对电极，研究了其对I3-的催化还原性能。研究内容主要包括：
　　以GO为基底，低温条件下，苯胺单体在其片层上原位聚合生成均匀排布的PANI纳米锥。GO表面带有大量含氧官能团，聚合过程中将成为聚合物单体的成核位点，通过控制反应条件，单体在石墨烯晶面上成核、生长，得到双面柱撑聚苯胺结构。与纯PANI对电极及Pt对电极相比，PANI/GO复合材料对电极对I3-具有更优的催化活性，这源于双面柱撑PANI较普通PANI表面形貌发生改变，因此其催化活性及导电性均得到改善。当苯胺单体与GO起始质量比为10:1时，DSSCs的光电转换效率达到最高的8.19±0.08%。
　　以GO为碳源，聚苯乙烯（PS）球为模板，硫脲为氮源及硫源，先水热后高温退火处理，制备多褶皱（C）及杂原子掺杂（HD）的石墨烯-CHDG。水热法石墨烯凝胶形成过程中，PS球与GO片层充分接触、挤压，使G片层生成大量褶皱；高温退火将G进一步还原，同时硫脲高温分解，N/S原子进入石墨烯晶格缺陷，得到CHDG。与纯G，CG，HDG及Pt对电极相比，当多褶皱与杂原子掺杂同时存在时，CHDG做对电极的DSSCs光电转换效率达到8.32±0.09%，同时，DSSCs的稳定性也较Pt更好。

目录

第一章 引言

1.1 太阳能电池的研究背景与发展

1.2 染料敏化太阳能电池

1.3 染料敏化太阳能电池不同对电极材料

1.4 本论文的选题依据与研究内容及意义

第二章 实验部分

2.1 实验原料、设备及表征仪器

2.2 材料制备

2.3 染料敏化太阳能电池组装过程

2.4 染料敏化太阳能电池相关电化学性能表征

第三章 PANI/GO的制备及其在DSSCs对电极中的性能研究

3.1 引言

3.2 对电极的制备与电池的组装

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 多褶皱/杂原子掺杂石墨烯的制备及其作为DSSCs对电极的性能研究

4.1 引言

4.2 电极的制备与电池的组装

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术成果情况

致谢

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