染料敏化太阳能电池微铂对电极的制备与性能

【摘要】：染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，DSSC）作为能源领域的一种新型电池，具有理论转化效率高、工艺简单、成本低、原料环保等一系列优点，逐渐成为全世界范围内的研究热点。对电极是DSSC的重要组成部分，近些年人们对其的关注逐渐深入。由于Pt对I-/I-3氧化还原反应具有高催化活性和较低的超电势，成为广泛使用的一种DSSC对电极材料。铂作为一种贵金属材料，其高成本限制了DSSC的大面积生产和使用。因此人们试图通过改变制备方法和基体材料，或者合成新型材料来获得高效率、低成本的DSSC对电极。 本文采用电化学沉积法制备了Pt/ITO对电极和Pt-Ru/ITO合金对电极。通过优化工艺条件，在ITO导电玻璃上制得催化活性较高的纳米颗粒状催化剂；利用各种表征手段，研究制备工艺对电极表面形貌和电化学性能的影响，并测试组装的单体DSSC的光电性能。结果表明，当选择合适的温度、电沉积时间、电流密度以及镀液中的Pt/Ru摩尔比时，所制备电极表面的催化剂颗粒分布均匀，粒径大小适中；其电化学催化活性比纯铂片高，且性能相比电沉积Pt/ITO电极更稳定。 采用化学沉积法在ITO基体上沉积Ni-P合金膜，然后在NiP膜上电沉积铂纳米颗粒，得到Pt/Ni-P/ITO对电极。实验研究了电极的制备工艺；并对电极表面形貌、电化学性能以及组装DSSC的光电性能进行表征。结果表明，使用Ni-P合金对ITO导电玻璃基底进行修饰，有效地提高基底导电性和光反射能力，进而改善了DSSC的综合内阻和光利用率，使电池能量转化效率提高近11%。 本文采用热分解法制备DSSC铂对电极，并研究其制备工艺对电极的形貌和电化学性能的影响。通过对铂载量、不同粘合剂及其用量的优化，制得性能稳定的Pt/ITO对电极，并且利用一系列测试手段表征电极的性能。结果表明，采用浓度为0.06mg/mLCMC作为粘合剂，铂载量仅为0.235mg/cm~2时，电极表现出良好的催化活性，且以此对电极组装的单体DSSC的转化效率接近铂片对电极。 【关键词】：DSSC 铂对电极 Pt-Ru/ITO Pt/NiP/ITO
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 选题背景9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介10-12
• 1.2.1 DSSC 的结构和工作原理10-11
• 1.2.2 DSSC 的输出特性11-12
• 1.3 染料敏化太阳能电池光阳极12-14
• 1.3.1 多孔纳米二氧化钛薄膜材料13-14
• 1.3.2 改性二氧化钛薄膜材料14
• 1.4 染料敏化太阳能电池电解质14-16
• 1.5 染料敏化太阳能电池对电极16-22
• 1.5.1 金属对电极16-20
• 1.5.2 碳对电极20-22
• 1.5.3 导电聚合物对电极22
• 1.6 本论文研究意义和研究内容22-25
• 1.6.1 研究意义22-23
• 1.6.2 研究内容23-25
• 第二章 实验部分25-34
• 2.1 实验药品及仪器25-26
• 2.2 电沉积法制备 Pt/ITO 对电极26-27
• 2.2.1 处理 ITO 导电玻璃基底26-27
• 2.2.2 Pt/ITO 对电极的制备工艺27
• 2.3 电沉积法制备 Pt-Ru/ITO 合金对电极27
• 2.4 Pt/NiP/ITO 对电极的制备27-28
• 2.4.1 化学沉积镍磷合金27-28
• 2.4.2 电沉积铂纳米颗粒28
• 2.5 热分解法制备 Pt/ITO 对电极28
• 2.6 光阳极的制备和 DSSC 电池组装28-29
• 2.7 对电极性能的表征29-34
• 2.7.1 四探针技术测试薄膜方块电阻29-30
• 2.7.2 环境扫描电子显微镜30-31
• 2.7.3 原子力显微镜31
• 2.7.4 紫外-可见分光分光光度计31-32
• 2.7.5 循环伏安法32
• 2.7.6 电化学交流阻抗法32
• 2.7.7 DSSC 电池光电性能测试32-34
• 第三章 电沉积法制备 Pt/ITO 对电极34-41
• 3.1 Pt/ITO 对电极的制备34
• 3.2 电沉积时间对 Pt/ITO 电极性能的影响34-36
• 3.2.1 Pt/ITO 电极的循环伏安特性34-35
• 3.2.2 Pt/ITO 电极的表面形貌特征35-36
• 3.3 电沉积电流密度对 Pt/ITO 电极性能的影响36-38
• 3.3.1 Pt/ITO 电极的循环伏安特性36-37
• 3.3.2 Pt/ITO 电极的表面形貌特征37-38
• 3.4 温度对 Pt/ITO 电极性能的影响38-39
• 3.5 优化条件下制备的 Pt/ITO 电极的电化学性能39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 电沉积法制备 Pt-Ru/ITO 合金电极作为 DSSC 对电极41-49
• 4.1 Pt-Ru/ITO 对电极的制备41-42
• 4.2 电沉积时间和温度对 Pt-Ru/ITO 电极性能的影响42-44
• 4.2.1 不同沉积时间下 Pt-Ru/ITO 电极的电化学性能和形貌特征42-43
• 4.2.2 不同温度下 Pt-Ru/ITO 电极的性能43-44
• 4.3 电镀液中 Pt/Ru 浓度比例对 Pt-Ru/ITO 电极性能的影响44-47
• 4.3.1 Pt-Ru/ITO 电极的循环伏安特性44-45
• 4.3.2 Pt-Ru/ITO 合金电极的电化学交流阻抗特性45-47
• 4.4 Pt-Ru/ITO 对电极的光电性能47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 Pt/NiP/ITO 对电极的制备和性能49-56
• 5.1 Pt/NiP/ITO 对电极的制备49-50
• 5.2 Pt/NiP/ITO 对电极的循环伏安特性50-51
• 5.3 Pt/NiP/ITO 电极表面形貌特性51-52
• 5.4 Pt/NiP/ITO 电极的表面导电性能52
• 5.5 Pt/NiP/ITO 电极的电化学交流阻抗特性52-54
• 5.6 Pt/NiP/ITO 电极光反射性能和 DSSCs 的光电性能54-55
• 5.7 本章小结55-56
• 第六章 热分解法制备 Pt/ITO 对电极的工艺优化56-62
• 6.1 Pt/ITO 电极的制备56
• 6.2 Pt/ITO 对电极 Pt 载量的优化56-58
• 6.3 粘合剂用量对 Pt/ITO 电极的表面形貌和电催化活性的影响58-59
• 6.4 热解法制备 Pt/ITO 电极的光电性能59-61
• 6.5 本章小结61-62
• 第七章 结论62-64
• 参考文献64-70
• 发表论文和参加科研情况说明70-71
• 致谢71

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