TiO2光阳极的改性及串联DSSCs应用于电解水的研究

摘要

目前，应对全球能源危机毫无疑问是我们这个时代的重大科学挑战之一。研发低成本的清洁能源和可再生能源也已成为世界科学家和企业家关注的热点。如何有效的开发和利用太阳能，并将其转化为电能的过程是其中重要的一个研究方向。染料敏化太阳能电池(DSSC)具有低成本、环境友好等优势而备受关注;光阳极掺杂改性是一种行之有效的提高电池光电效率的方法。因此，本论文采用共价多孔材料(COP材料)来改性光阳极提高DSSC的光电转化效率，并将电池进行串联，应用于电解水产氢，为开发清洁、高效、绿色的氢能提供了一种新方法。
　　本研究的主要工作如下:
　　(1)首先，制备了具有锐钛矿晶型的TiO2浆料，其粒径约为20nm，另外，利用商用型锐钛矿晶型的TiO2浆料，其粒径约为200-900nm，设计了六种不同厚度、不同结构的的光阳极，封装了DSSC，并测试其J-V特性。从测试结果来看，TiO2光阳极薄膜的厚度为26nm时，其结构含有三层电子传输层和一层散射层，DSSC得到了最高的PCE为8.47％，其JSC为20.57mA/cm2，VOC为0.704V，FF为58.5％。
　　(2)采用Yamamoto偶合反应制备了COP-64粉末，采用物理法掺杂，将不同含量的COP-64粉末掺杂到TiO2浆料中，得到不同含量的COP-64@TiO2浆料，COP-64质量梯度依次为0.0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％。采用丝网印刷法制备了不同含量的COP-64@TiO2光阳极，进行J-V测试:电流密度随着COP-64掺杂量呈先增大后减小的变化趋势，而开路电压，填充因子和光电转化效率也出现同样的规律。但当COP-64掺杂量为0.6％，得到一个较大光电转化效率为9.97％，其JSC为22.56mA/cm2，VOC为0.68V，FF为62.3％，比没有掺杂COP-64的DSSC光电性能提高27.3％。
　　(3)结合第三章的工作，制备了一批COP-64@TiO2的DSSC(COP-64:0.6％(wt))，对已制备好的DSSCs进行串联电路设计，并测试了两块、三块串联DSSCs的J-V曲线，单块DSSC的PCE为9.83％，两块DSSC的PCE为9.40％，三块DSSC的PCE为9.06％，随着串联DSSC的数量增加，串联DSSC总的光电转化效率在降低，开路电压随着串联DSSC的数量增加，三块串联DSSC的开路为1.966V。短路电流密度随着串联DSSC的数量增加而减少，由单块的22.96mA/cm2，减至两块11.55mA/cm2，三块7.27mA/cm2。主要是因为光阳极的面积成倍增加而减小。成功制备了电解水所需的IrO2和Pt/C电极，设计并组装了太阳能电池-电解水系统，并通过气相色谱来检测产氢量。将单块的DSSC，通过物理串联方法将其连接起来，为电解水提供电压，三块串联DSSCs的电压可达1.96V，满足电解水的最小理论电压1.23V，最后得到太阳能转化氢能总效率ηSTH=7.45％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 DSSC的工作机理

1．3 DSSC的组成

1．3．1 光阳极

1．3．2 染料敏化剂

1．3．3 电解质

1．3．4 对电极

1．4 染料敏化太阳能电池的表征技术

1．4．1 J-V曲线

1．4．2 入射单色光子-电子转化效率(IPCE)

1．4．3 电化学阻抗图谱(EIS)

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 TiO2光阳极薄膜结构、厚度的调控对于DSSC性能的影响

2．1 引言

2．2 DSSC光阳极结构的设计

2．3 试剂与仪器

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验仪器

2．4 合成与制备

2．4．1 TiO2光阳极薄膜的制备

2．4．2 DSSC的组装

2．5 表征和测试

2．6 结果与讨论

2．6．1 X射线衍射表征

2．6．2 扫描电镜SEM表征

2．6．3 紫外-可见光吸收光谱表征

2．6．4 电流密度-电压(J-V)表征

2．6．5 电化学阻抗(EIS)测试

2．7 本章小结

第三章 TiO2光阳极薄膜掺杂COP-64对DSSC的影响

3．1 引言

3．2 试剂与仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 合成与制备

3．3．1 COP-64的制备

3．3．2 TiO2掺杂COP-64制备光阳极

3．3．3 DSSC的组装

3．4 表征和测试

3．5 结果与讨论

3．5．1 COP-64的物理性能表征

3．5．2 X射线衍射表征

3．5．3 扫描电镜SEM表征

3．5．4 紫外-可见光吸收光谱表征

3．5．5 电流密度-电压(J-V)表征

3．5．6 IPCE和EIS测试表征

3．5．7 掺杂COP-64的机理分析

3．6 本章小结

第四章 DSSCs串联电池性能的研究以及串联DSSCs应用于电解水

4．1 引言

4．2 试剂与仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 DSSC组装和串联DSSC应用于光解水实验

4．3．1 DSSC的制备

4．3．2 IrO2和Pt/C电极的制备

4．3．3 串联DSSCs应用于电解水实验

4．4 表征和测试

4．5 结果与讨论

4．5．1 串联DSSCs的电流密度-电压(J-V)

4．5．2 产氢分析

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介