钌系合金对电极的制备及其染料敏化太阳能电池的性能研究

摘要

对电极是染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC)的重要组成部分，主要功能是催化电解质中I3-还原为I-，同时收集并传递外电路电子。因此，对电极材料的导电性、电催化活性及稳定性显著影响着整个电池器件的光伏性质。传统对电极常采用导电材料表面镀铂，因铂具有良好的电导率、电催化活性及化学稳定性;然而，铂是贵金属，在自然界的储量有限，不利于由铂对电极组装的DSSC实现大规模工业化生产。寻找性能优异且可替代Pt的新材料，降低对电极材料成本具有重要科学意义。本论文系统研究了氧化石墨烯/聚苯胺(GO/PANi)复合材料、铂-钌(Pt-Ru)合金、钌-硒(Ru-Se)合金等对电极的制备及其对DSSC光伏性能的影响。
　　层层自组装是制备优异电学、电化学性质纳米结构的简单方法。在此，我们研究了层层自组装PANi-(GO/PANi)n导电多层膜的电学及电化学行为，研究结果表明导电多层膜的生长方式为均匀线性生长，且每双层膜厚度基本一致;在硫酸电解质中氧化还原反应动力学受扩散过程控制;导电多层膜的电导率与组装双层数呈线性关系，表明组装过程中表面电荷积累随组装双层数增加而线性增加，表现出电子隧穿效应。导电多层膜对I-/I3-电解质的催化活性随着组装双层数的增加而提高，氧化还原反应中的电荷转移动力学过程受膜内电荷扩散作用所控制。将PANi-(GO/PANi)n导电多层膜作为对电极应用于DSSC，当组装双层数为1时，PANi-(GO/PANi)1对电极组装的DSSC测得6.37％的光电转换效率，而使用双层数为4的对电极组装的DSSC的光电转换效率为7.41％。自组装技术为制备高效率DSSC提供了新途径，将其应用于DSSC有望刷新电池效率记录。
　　碳材料和导电聚合物在原材料来源、制备工艺等方面具有优势，在DSSC对电极领域应用也取得一定成果。但与金属材料相比，此类材料的导电能力仍有待提高。鉴于燃料电池领域合金电催化材料所取得的优秀成果，我们采用低温水热法制备Pt-Ru合金对电极，并用于组装DSSC研究电池光伏性质。SEM观察结果表明Pt∶Ru=1∶3时，PtRu3合金呈现均匀的纳米棒结构，这种结构可为I-/I3-反应的发生提供更多的活性面积，使PtRu3合金具有更高的电催化活性。采用电化学方法(CV、EIS、Tafel)分析Pt-Ru合金对电极的电催化性能，结果表明，对于I-/I3-电解质，PtRu3合金对电极具有比Pt对电极更优的电催化活性和化学稳定性。由PtRu3合金对电极组装的DSSC的光电转换效率为6.8％，高于基于Pt对电极的DSSC的效率(6.17％)。
　　提高光捕获率有利于提高DSSC的能量转换效率。过渡金属硒化物具有独特的电子结构，我们采用低温水热法合成透明Ru-Se合金对电极。SEM观察结果表明Ru0.33Se合金呈现均匀的介孔结构，这种结构可为I-/I3-提供更多传输通道，为氧化还原反应提供更大的反应面积。电化学测试结果表明Ru-Se合金对电极对I-/I3-的电催化活性优于Pt对电极。紫外-可见光谱测试结果表明Ru-Se合金对电极具有良好的透光性。将透明Ru-Se合金对电极组装成双面DSSC，探究入射光分别从正面、背面和双面同时照射时DSSC的光伏性质。研究结果表明，入射光从正面和背面入射时，由Ru0.33Se合金对电极组装的DSSC的光电转换效率分别为8.76％和5.90％。双面同时照射DSSC，较之Pt对电极组装的电池，基于Ru-Se合金对电极DSSC的最大输出功率有明显提高。由对电极入射的光能补偿从TiO2光阳极入射的光损失，致使染料分子光捕获率显著提高，染料激发更高效。稳定性测试结果表明由透明Ru-Se合金对电极组装的双面电池表现出快速的开关响应、良好的多重启动功能、较低的电子复合和优异的光电稳定性能，在发动机、汽车和电源等领域中具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1 DSSC的结构及工作原理

2 DSSC的光伏性能参数

3 DSSC的研究现状

3．1 光阳极的研究进展

3．2 染料敏化剂的研究进展

3．3 电解质的研究进展

3．4 对电极的研究进展

4 本文选题的依据

第二章 (GO／PANi)n导电多层膜在DSSC对电极中的应用

1 引言

2 实验部分

2．1 实验药品与仪器设备

2．2 实验步骤

2．3 测试表征方法

3 结果讨论

3．1 PANi-(GO／PANi)n的形貌

3．2 吸附时间的影响

3．3 组装双层数的影响

3．4 PANi-(GO／PANi)n的电学性能

3．5 电子隧穿效应

3．6 PANi-(GO／PANi)n的电催化性能

3．7 DSSC的光伏性能

3．8 IPCE测试

4 本章小结

第三章 Pt-Ru合金对电极的合成及其DSSC性能研究

1 引言

2 实验部分

2．1 实验药品与仪器设备

2．2 实验步骤

2．3 测试表征

3 结果讨论

3．1 Pt-Ru合金对电极的形貌、结构分析

3．2 Pt-Ru合金对电极的CV测试

3．3 Pt-Ru合金对电极的EIS和Tafel测试

3．4 DSSC的光伏性能

4 本章小结

第四章 用于双面DSSC的透明Ru-Se合金对电极的研究

1 引言

2 实验部分

2．1 实验药品与仪器设备

2．2 实验步骤

2．3 测试表征

3 结果讨论

3．1 Ru-Se合金对电极的结构、形貌分析

3．2 Ru-Se合金对电极的CV测试

3．3 Ru-Se合金对电极的EIS和Tafel测试

3．4 DSSC的光伏性能

3．5 DSSC的稳定性

4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

个人简历

发表的学术论文

获奖情况

致谢