铌基化合物的简易化学合成及在DSSCs中的应用研究

摘要

染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cells，DSSCs）作为新一代的光伏技术，其以生产成本低、制备工艺简单、光电转换效率高以及对环境友好的性质等诸多优点而引起了广泛的关注。对电极作为DSSCs的一个关键部件，其主要作用为收集来自外电路的电子和催化还原电解液中的I3-离子。贵金属Pt是传统的对电极材料，但其资源稀缺、价格昂贵，并且容易被I3-/I-电解液腐蚀，严重限制了DSSCs的产业化应用。由于具有与Pt相似的电子结构，过渡金属化合物被认为是一种理想的可替代Pt的对电极材料。此外，过渡金属化合物对电极材料凭借其原料丰富、制备工艺多样、催化活性高等优点而备受研究者的青睐。　　本文通过金属-尿素路线合成了Nb2O5、Nb2O5@NbO2及NbO2三种氧化铌，并对其电化学性能进行了系统评估。结果表明：三种氧化铌对电极不仅具有优秀的催化活性，还具有良好的电化学稳定性。其中，在800℃下制备的Nb2O5@NbO2取得了较小的传荷电阻（7.74Ω·cm-2），对应的DSSCs获得了良好的光伏参数：短路电流为12.85mA·cm-2，开路电压为0.72V，填充因子为0.55，光电转换效率为5.03％。　　采用渗氮工艺对NbO2进行热处理，研究渗氮温度对产物化学组成的影响。结果显示：改变渗氮温度可以有效地将NbO2转变为Nb3.49N4.56O0.44（700℃）或NbN（900℃）。电化学性能测试表明：三元化合物Nb3.49N4.56O0.44表现的催化活性和电化学稳定性均优于NbO2与NbN，其传荷电阻为4.47Ω·cm-2。在DSSCs中，该三元化合物Nb3.49N4.56O0.44对电极获得的短路电流（16.06mA·cm-2）高于Pt（15.77mA·cm-2），开路电压等于Pt（0.70V），填充因子和光电转换效率均可与Pt媲美（0.57vs.0.65，6.36%vs.7.19%）。　　进一步通过“两步法”制备了铌基化合化物（Fe(NbO3)2），研究了其电化学性能和光伏性能。结果表明：Fe(NbO3)2对电极表现的催化活性和电化学稳定性堪比Pt对电极，其传荷电阻为7.95Ω·cm-2。将Fe(NbO3)2对电极应用于DSSCs中，获得的光伏参数为：短路电流为15.38mA·cm-2，开路电压为0.74V，填充因子为0.50，光电转换效率为5.65%。相同条件Pt对电极取得的短路电流为13.78mA·cm-2，开路电压为0.72V，填充因子为0.67，光电转换效率为6.71%。

目录

声明

1. 绪论

1.1 染料敏化太阳能电池

1.2 染料敏化太阳能电池工作原理

1.3 染料敏化太阳能电池对电极

1.4 过渡金属化合物对电极研究进展

1.5 立题依据及研究内容

2. 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 电池的组装

2.4 性能测试及方法

3. 氧化铌的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 氧化铌的制备

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

4. 氮氧化铌的制备与性能研究

4.1 引言

4.2 氮氧化铌的制备

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

5. 铌酸亚铁的制备与性能研究

5.1 引言

5.2 铌酸亚铁的制备

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 研究生在读期间的研究成果

致谢