染料敏化太阳能电池用聚吡咯对电极的电化学合成及性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSCs)因其高效率、低成本、环境友好、组装简单、可柔性化等优点而备受关注。通常，染料敏化电池由光阳极(需要染料敏化)、电解液、对电极三部分组成，对电极作为DSSCs的重要组成部分，近年来越来越受到人们的关注。铂(Pt)电极因为高的导电性和高的催化还原活性而最早应用于染料敏化太阳能电池上，但是由于Pt价格昂贵，不利于大规模生产，所以寻找可替代的非铂材料成为近年来的研究热点，目前比较常用的有碳材料，硫化物、导电聚合物以及一些复合物。本文采用电化学方法，在导电玻璃FTO上合成出了聚吡咯(PPy)电极作为DSSCs对电极，通过改变吡咯聚合时聚合电解质溶液中的对阴离子、pH值、溶剂，结合扫描电镜、紫外可见吸收光谱、循环伏安、阻抗、I-V曲线等表征方法来探讨PPy对电极对DSSCs电池性能的影响。主要研究内容与结论如下：
　　 (1)聚吡咯的物理和化学性质受聚吡咯骨架上的掺杂离子影响很大，通过改变吡咯聚合电解质溶液中的对阴离子(A-)，制备了不同对阴离子掺杂的聚吡咯膜(PPy(A-))：PPy(Cl-)，PPy(SO42-)，PPy(TsO-)，PPy(LAS-)，将其作为DSSCs对电极。发现PPy(LAS-)和PPy(TsO-)具有较高的对阴离子掺杂率、对I-/I3-较好的氧化还原催化性能，组装成DSSCs具有较低的界面传输电阻和较高的光电转换效率，尤其是PPy(LAS-)，能够得到和Pt电极DSSCs相当的光电转换效率(90.5％)。而PPy(Cl-)和PPy(SO42-)掺杂率低，对I-/I3-氧化还原催化性能较差，组装成DSSCs后与电解液界面传输电阻较大，电池的光电转换效率较低。
　　 (2)在聚吡咯的合成过程中，聚合电解质溶液的pH值对聚吡咯膜的影响很大。通过在吡咯-对甲苯磺酸钠溶液中加入对甲苯磺酸来调节吡咯聚合电解质溶液中的pH值，用电聚合方法制备不同pH值下的聚吡咯膜，发现在pH2.0下合成的聚吡咯掺杂效果最佳，具有对I-/I3-的氧化还原最强的催化能力和最小的界面传输电阻，其电池光电转化效率最高。pH值太大或太小都不利于生成具有高掺杂率和高催化活性的聚吡咯电极，组装成DSSCs后界面传输电阻较大，效率较低。
　　 (3)吡咯聚合可以在有机或水溶液中聚合，但是溶剂的亲核性对生成的聚吡咯膜有一定的影响。初步探索了溶剂对生成的聚吡咯膜的影响。通过调节溶剂中的水和乙醇的比例调控吡咯聚合电解质溶液，发现乙醇的加入会使合成的聚吡咯的形貌发生比较大的变化，更趋向于生成花苞状，大大增加了比表面积，使得组装的DSSCs具有较小的电荷传输电阻和较高的光电转化效率，但乙醇的加入并没有增加其导电性和催化性能，深入的原因还需要继续探索。