染料敏化太阳能电池高效稳定电解质及低成本对电极研究

【摘要】：作为一种典型的第三代光伏器件,染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSC)具有制作工艺简单、成本低、环境友好等优点,是最具发展潜力的太阳能电池之一。经过世界各国科研工作者二十多年的努力,DSC能量转换效率目前已达13.0%。但是,DSC还存在稳定性差、成本高等问题,制约了其产业化进程。为了解决上述问题,本论文以制作高效、高稳定性和低成本的DSC为目标,围绕开发新型高效高稳定性电解质和设计合成低成本对电极材料及其与器件性能间的构效关系展开系统研究,考察材料形貌和晶型对DSC光电性能的影响机制,并详细研究了非Pt对电极催化材料对电解质中不同氧化还原电对的催化性能。此外,利用海带这一生物质材料制备了DSC各关键组成部分,设计构建了全天然DSC器件。 首先,我们开发制备了三种新型高效、高稳定的电解质：(1)通过溶液聚合法合成了高分子交联剂-聚醋酸乙烯酯(PVAc),制备了基于PVAc的拟固态电解质并将其组装成拟固态DSC。研究结果表明,拟固态DSC可达到与液态DSC相当的能量转换效率,并具有优异的长期稳定性。(2)将多种新型双乙二酸硼酸盐离子液体(BOB离子液体)作为添加剂引入液态电解质体系中,获得了8.73%的能量转换效率,并系统研究了离子液体结构对电池光电性能的影响机制。此外,将该类添加剂引入到纯离子液体电解质体系中,电池效率获得大幅提高,并展示出优异的长期稳定性。(3)研究了利用Ⅰ-/12-·作为氧化还原电对的无碘(单质)电解质体系。通过电化学方法证实了其可行性,系统研究了浓度、溶剂、光阳极及隔离层厚度对电池性能的影响,优化后获得了与传统电解质相近的能量转换效率8.82%,并证实了此种新型无碘电解质具有良好的普适性。 其次,通过水热法合成了三种花状多级结构铁基氧化物α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4,将其用于DSC对电极,系统研究了形貌和晶型对DSC光电性能的影响机制。研究结果表明,三种氧化物中Fe304具有最佳的催化性能,优化后电池器件获得7.80%的能量转换效率,与溅射Pt组装的电池器件效率相当。利用生物质材料--松脂合成了C/Fe3O4复合催化材料,并将其应用于DSC对电极,研究结果表明：复合催化材料较复合前具有更佳的导电性和催化活性,组装的DSC具有更高的能量转换效率(8.11%)。 再次,从海洋植物--海带中提取得到DSC所用的多种必要材料,包括染料、氧化还原电对和对电极。利用海带碳作为对电极组装的DSC获得了7.82%的能量转换效率。利用其生物质模板的特性,在低温下制备的海带碳/Fe304复合材料组装的DSC对比复合前能量转换效率提高了24.2%。最后,构建的全天然DSC器件也获得了较高的能量转换效率。 最后,通过多种电化学方法,系统研究了对电极催化材料对有机氧化还原电对(T-/T2, Co2+/Co3+)的催化性能。研究结果表明,一些非Pt类催化材料,如OMC-WC、WC、 TiC、NbO2等均在上述电对体系中表现出优于Pt的催化性能,使相应DSC的效率得到大幅提高。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 电解质 对电极 稳定性 低成本
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目录10-16
• TABLE OF CONTENTS16-21
• 图目录21-25
• 表目录25-27
• 主要符号表27-28
• 1 绪论28-57
• 1.1 太阳能与太阳能电池29-35
• 1.1.1 太阳能基本介绍29-31
• 1.1.1.1 太阳辐射与太阳常数29-30
• 1.1.1.2 太阳能光谱30-31
• 1.1.2 太阳能利用方式31
• 1.1.2.1 光电利用31
• 1.1.2.2 光热利用31
• 1.1.2.3 光化学利用31
• 1.1.3 太阳能电池发展历程31-33
• 1.1.4 太阳能电池分类33-35
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSC)35-55
• 1.2.1 引言35
• 1.2.2 基本结构35-36
• 1.2.3 工作原理36-38
• 1.2.4 性能参数38-41
• 1.2.4.1 单色光光电转换效率(IPCE)38-39
• 1.2.4.2 光电流密度-光电压曲线(J-V)39-41
• 1.2.5 表征及测试方法41-42
• 1.2.5.1 X-射线衍射41
• 1.2.5.2 扫描电子显微镜41
• 1.2.5.3 氮气吸附脱附41
• 1.2.5.4 循环伏安41
• 1.2.5.5 电化学阻抗41-42
• 1.2.5.6 Tafel极化曲线42
• 1.2.5.7 光电流密度-光电压曲线42
• 1.2.6 各组件研究现状42-55
• 1.2.6.1 光阳极42-48
• 1.2.6.2 电解质48-51
• 1.2.6.3 对电极51-55
• 1.3 本论文选题依据、研究内容及意义55-57
• 2 高效及高稳定性系列电解质的开发及其在DSC中的应用研究57-88
• 2.1 引言57-58
• 2.2 高效及高稳定拟固态电解质的开发及在DSC中的应用研究58-65
• 2.2.1 实验部分58-59
• 2.2.1.1 聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成58
• 2.2.1.2 拟固态电解质的制备58
• 2.2.1.3 光阳极制备58-59
• 2.2.1.4 电池组装59
• 2.2.2 结果与讨论59-65
• 2.2.2.1 PVAc红外吸收光谱59-60
• 2.2.2.2 拟固态电解质微观形貌考察60
• 2.2.2.3 电池光电性能研究60-62
• 2.2.2.4 电池电化学阻抗研究62-63
• 2.2.2.5 电解质扩散性能研究63
• 2.2.2.6 电池耐久性研究63-65
• 2.3 新型离子液体电解质的制备及其在DSC中的应用研究65-73
• 2.3.1 实验部分65-66
• 2.3.1.1 双乙二酸硼酸盐(BOB)离子液体的合成65
• 2.3.1.2 BOB离子液体电解质的制备65-66
• 2.3.1.3 光阳极制备66
• 2.3.1.4 电池组装66
• 2.3.2 结果与讨论66-73
• 2.3.2.1 不同BOB离子液体作为有机电解质添加剂对电池性能的影响66-71
• 2.3.2.2 离子液体电解质光电性能研究71-72
• 2.3.2.3 电池耐久性研究72-73
• 2.4 新型无碘电解质体系在DSC中的应用研究73-86
• 2.4.1 实验部分74
• 2.4.1.1 新型无碘电解质的制备74
• 2.4.1.2 光阳极制备74
• 2.4.1.3 电池组装74
• 2.4.2 结果与讨论74-86
• 2.4.2.1 电解质循环伏安性能考察74-75
• 2.4.2.2 电池光电性能研究75-77
• 2.4.2.3 电解质紫外-可见光吸收光谱研究77-78
• 2.4.2.4 电池电化学阻抗研究78-79
• 2.4.2.5 电解质不同溶剂体系对比研究79-83
• 2.4.2.6 光阳极及隔离层最佳膜厚考察83-84
• 2.4.2.7 电池最佳性能测试84-86
• 2.4.2.8 拓展研究86
• 2.5 本章小结86-88
• 3 铁基氧化物催化材料的合成及其在DSC中的应用研究88-101
• 3.1 引言88-89
• 3.2 实验部分89-90
• 3.2.1 铁基氧化物前驱体的合成89
• 3.2.2 对电极制备89-90
• 3.2.3 光阳极制备90
• 3.2.4 电池组装90
• 3.3 结果与讨论90-99
• 3.3.1 微观形貌与晶相结构90-92
• 3.3.1.1 不同反应温度下花状Fe_3O_4形貌图90-91
• 3.3.1.2 三种不同铁基氧化物形貌图91
• 3.3.1.3 三种不同铁基氧化物晶相结构91-92
• 3.3.2 不同铁基氧化物在DSC中的应用研究92-96
• 3.3.2.1 电池光电性能研究92-93
• 3.3.2.2 电极循环伏安特性考察93-94
• 3.3.2.3 电化学阻抗研究94-95
• 3.3.2.4 电极Tafel极化曲线研究95-96
• 3.3.3 Fe_3O_4对电极性能优化96-99
• 3.3.3.1 不同反应物浓度对材料形貌的影响96-97
• 3.3.3.2 不同反应物浓度对电池光电性能的影响97-98
• 3.3.3.3 不同反应物浓度对电池电化学性能的影响98-99
• 3.3.3.4 对电极耐久性考察99
• 3.4 本章小结99-101
• 4 生物质碳/Fe_3O_4复合催化材料的合成及其在DSC中的应用研究101-112
• 4.1 引言101-102
• 4.2 实验部分102-103
• 4.2.1 生物质/Fe_3O_4复合催化材料的合成102
• 4.2.2 对电极制备102-103
• 4.2.3 电池组装103
• 4.3 结果讨论103-110
• 4.3.1 微观形貌和晶相结构分析103-105
• 4.3.2 复合对电极光电性能表征105-108
• 4.3.2.1 复合对电极配比优化105-107
• 4.3.2.2 复合对电极与各组分光电性能对比研究107-108
• 4.3.3 复合对电极循环伏安研究108-109
• 4.3.4 复合对电极电化学阻抗研究109-110
• 4.3.5 复合对电极Tafel极化曲线研究110
• 4.4 本章小结110-112
• 5 全天然DSC体系的构建及性能考察112-133
• 5.1 引言112-113
• 5.2 实验部分113-114
• 5.2.1 海带天然染料的提取113
• 5.2.2 碘单质的提取113-114
• 5.2.3 海带碳的制备114
• 5.2.4 海带碳/Fe_3O_4复合材料的合成114
• 5.2.5 对电极制备114
• 5.2.6 电池组装114
• 5.3 结果与讨论114-132
• 5.3.1 海带碳对电极研究114-128
• 5.3.1.1 微观形貌及晶相结构分析114-116
• 5.3.1.2 对电极最佳制作条件优化116-121
• 5.3.1.3 电池最优性能考察121-128
• 5.3.2 海带碳/Fe_3O_4复合材料在DSC中的应用研究128-130
• 5.3.2.1 微观形貌分析128
• 5.3.2.2 X射线衍射128-129
• 5.3.2.3 海带碳/Fe_3O_4复合材料的光电性能研究129-130
• 5.3.3 海带天然染料研究130-131
• 5.3.4 全天然DSC的构建及光电性能表征131-132
• 5.4 本章小结132-133
• 6 对电极催化材料与电解质中氧化还原电对的匹配性研究133-145
• 6.1 引言133
• 6.2 实验部分133-136
• 6.2.1 有序介孔碳负载碳化钨(WC-OMC)的合成133-134
• 6.2.2 NbO_2的合成134
• 6.2.3 T/T_2氧化还原电对的合成及电解质的制备134
• 6.2.4 CO_~(2+)/Co~(3+)氧化还原电对的合成及电解质的制备134-135
• 6.2.5 对电极制备135-136
• 6.2.6 电池组装136
• 6.3 结果与讨论136-143
• 6.3.1 多种不同对电极与T/T_2的匹配性研究136-140
• 6.3.1.1 5种不同碳材料的微观形貌136
• 6.3.1.2 不同对电极在T/T_2中的光电性能研究136-138
• 6.3.1.3 不同对电极在T/T_2中的电化学阻抗研究138-139
• 6.3.1.4 不同对电极在T-/T_2中的Tafel极化曲线研究139-140
• 6.3.2 多种不同对电极与Co_~(2+)/Co~(3+)的匹配性研究140-143
• 6.3.2.1 不同对电极在Co_~(2+)/Co~(3+)中的光电性能研究140-141
• 6.3.2.2 不同对电极在Co_~(2+)/Co~(3+)中的电化学阻抗研究141-143
• 6.3.2.3 不同对电极在Co_~(2+)/Co~(3+)中的Tafel极化曲线研究143
• 6.4 本章小结143-145
• 7 结论与展望145-148
• 7.1 结论145-146
• 7.2 创新点摘要146-147
• 7.3 展望147-148
• 参考文献148-159
• 附录A 试剂缩写159-160
• 附录B 实验仪器清单160-161
• 致谢161-162
• 作者简介162
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果162-166

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