钴基硫化物及其石墨烯复合物设计合成与染料敏化太阳能电池对电极性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells，DSSCs)相对于传统晶硅太阳能电池而言具有低成本、结构简单以及较好的光电转换效率等特性，现已成为目前科研热点之一而被越来越多的科研工作者关注。典型的DSSCs具有“三明治”结构:吸附染料(如N719)的TiO2光阳极，含氧化还原电对(如I3-/I-)的电解液溶液和催化材料组成的对电极。其中，对电极作为DSSCs的重要组成部分，它的主要作用是传递电池外电路电子并且催化还原电解液中的氧化还原电对(如I3-/I-)。传统对电极是由负载铂(Pt)的透明导电玻璃充当，但Pt作为对电极溶液被电解液腐蚀，从而极大影响DSSCs的稳定性;而且Pt是贵金属，其昂贵的价格导致了DSSCs不能大规模地应用。当前，不少对电极材料已被开发出来，但是这些对电极材料在电催化活性、稳定性、及易合成等方面都难以与Pt相媲美，因此开发新型对电极材料已经成为当务之急。本文以非Pt对电极材料的开发作为研究背景，以钴基硫化物的合成及应用为切入点，通过合理的实验设计，以水热法制备出多种钴基硫化物及其石墨烯复合物并作为DSSCs对电极材料组装成器件进行了一系列表征及测试。具体研究内容如下:
　　(1)通过简单水热法，利用混合溶剂体系合成了由超薄纳米片组成的3DCo-Al-LDHs微球，并以其为模板进行硫化制备出了非晶硫化钴(CoSx)纳米片，该结构保留了LDH的层状结构。将其分散在无水乙醇溶液中作为对电极材料刮涂在导电玻璃上，制成对电极进行一系列的电化学测试;结果表明，CoSx对电极在催化活性及稳定性等方面均能够媲美传统Pt对电极。将CoSx与石墨烯复合形成CoSx/rGO复合物并将其作为对电极材料组装成器件进行一系列电化学测试，测试结果明显优于传统Pt对电极。两种对电极相对应的DSSCs器件的光电转换效率也优于同等条件下的Pt对电极。
　　(2)通过简单水热法，利用混合溶剂体系合成了由超薄纳米片组成的3DCo-Fe-LDHs微球及其与石墨烯复合材料Co-Fe-LDHs/rGO，并以其为模板硫化合成了钴基三元硫化物CoFeS2及其石墨烯复合物CoFeS2/rGO，它们均保留了部分LDH的层状结构。分别将其分散在无水乙醇溶液中作为对电极材料刮涂在导电玻璃上，制作成对电极进行一系列的电化学测试;结果表明，CoFeS2对电极催化活性及稳定性也能够与Pt相当，CoFeS2/rGO对电极则明显优于Pt对电极。将二者分别组装成DSSCs器件并对其进行测试，二者的光电转换效率均能与同等条件下Pt相媲美，尤其是CoFeS2/rGO的光电转换效率明显优于Pt对电极。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 DSSCs的发展及研究现状

1．2 DSSCs的结构、工作原理及光伏性能参数

1．2．1 DSSCs的结构

1．2．2 DSSCs的工作原理

1．2．3 DSSCs的光电性能参数

1．2．4 DSSCs电化学性能表征

1．3 对电极材料的发展及研究现状

1．3．1 贵金属材料

1．3．2 高分子导电聚合物

1．3．3 碳对电极材料

1．3．4 过渡金属化合物

1．3．5 复合材料

1．4 本论文的选题意义及主要研究内容

第二章 非晶硫化钴及其石墨烯复合物的设计合成与应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品

2．2．2 主要实验仪器

2．2．3 样品测试仪器

2．2．4 实验步骤

2．2．5 对电极制备及DSSCs器件组装

2．2．6 实验结果测试与表征

2．3 结果和讨论

2．3．1 Co-Al-LDHs的形貌及结构表征

2．3．2 CoSx的形貌及结构表征

2．3．3 CoSx对电极在DSSCs中的应用

2．3．4 CoSx对电极的电化学性能表征

2．3．5 CoSx对电极稳定性的研究

2．3．6 温度对CoSx对电极的影响

2．4 CoSx／rGO对电极材料的合成及电池性能的研究

2．4．1 CoSx／rGO对电极材料的合成与表征

2．4．2 CoSx／rGO对电极的电化学性能及电池性能的研究

2．5 本章小结

第三章 CoFeS2及其石墨烯复合物的设计合成及对电极研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品

3．2．2 主要实验仪器

3．2．3 样品测试仪器

3．2．4 实验步骤

3．2．5 对电极制备及DSSCs器件组装

3．2．6 实验结果测试与表征

3．3 结果和讨论

3．3．1 Co-Fe-LDHs的形貌及结构表征

3．3．2 CoFeS2及CoFeS2／rGO的形貌和结构表征

3．3．3 CoFeS2及CoFeS2／rGO对电极在DSSCs中的应用

3．3．4 CoFeS2及CoFeSz／rGO对电极的电化学性能表征

3．3．5 CoFeSz及CoFeS2／rGO对电极稳定性的研究

3．4 本章小结

4．1 全文总结

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的成果

致谢

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