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染料敏化太阳能电池高性能对电极和凝胶电解质研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:04:51
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染料敏化太阳能电池高性能对电极和凝胶电解质研究【摘要】:能源问题是21世纪最重要的议题。随着传统化石能源的消耗,寻求可替代传统化石能源的新能源如太阳能、风能、核能、氢能、潮汐能、生

【摘要】:能源问题是21世纪最重要的议题。随着传统化石能源的消耗,寻求可替代传统化石能源的新能源如太阳能、风能、核能、氢能、潮汐能、生物能等成为解决人类当前所面临能源问题的必由之路。而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新能源,它是目前资源最丰富,使用最安全的一种清洁能源。开发和利用太阳能是实现人类社会可持续发展的重要途径。 染料敏化太阳能电池(即DSSC)自1991年首次问世以来,其因低成本、相对较高光电转换效率、简单的制造工艺等优点吸引了全世界范围内科学家广泛的研究兴趣。DSSC的研究内容包括光阳极膜、染料分子、电解质、对电极等部分,而目前关于DSSC最重要的研究主题则是提高光电转换效率、降低电池成本、提高电池稳定性。本文分别从这三个方面进行了一系列的研究工作,其中第3章围绕提高效率的主题研究高催化活性铂对电极;第4章围绕降低电池成本主题研究导电聚合物对电极;第5章从提高电池稳定性方面研究高电导率的聚合物凝胶电解质。 本文的具体研究工作如下: 1)通过以PC多孔膜作为模板,制备了由铂纳米管构成的铂金对电极。相对于传统铂金电极,铂纳米管对电极表现出优异的电化学催化活性,将铂纳米管对电极组装到DSSC中,获得光电转换效率高达9.05%的DSSC; 2)通过在高浓度氯铂酸溶液中恒电位电沉积的方法,在无模板的条件下制备了“铂花”结构的对电极。“铂花”表面由大量厚度约25-30nm的“铂花瓣”组成,这种结构极大地提高了对电极的比表面积,增加了对电极催化剂材料与I3/I氧化还原电对的接触,从而提高了其对于I3还原反应的催化效率,进而提高了DSSC的光电转换效率; 3)通过电沉积法得到了直接生长在导电玻璃基体上的聚苯胺(PANI)膜,通过SEM表征,可以发现这种PANI膜为双层结构,即底层为一层致密的球形聚苯胺,上层为直径100nm左右的纳米纤维聚苯胺,基于双层结构PANI膜对电极,DSSC达到了6.58%的光电转换效率;通过再次电沉积,在PANI纳米纤维上包覆一层纳米铂颗粒得到PANI/Pt复合纳米纤维共催化剂,通过两者的复合,PANI/Pt结合了PANI和Pt各自的优点并表现出优异的性能,如低成本、高电导率、高比表面积、高催化活性等;基于PANI/Pt复合纳米纤维对电极,DSSC取得了高达7.69%的光电转换效率; 4)合成了丙烯酸/明胶(PAA/Gle)、聚丙烯酸-g-十六烷基三甲基溴化铵(PAA-g-CTAB)两种双亲性聚合物;通过利用这两种双亲性聚合物吸附苯胺单体(ANI)并将单体在聚合物内部引发聚合的方法,制得了由超吸水材料和导电聚合物PANI复合的导电超吸水聚合物材料PAA/Gle/PANI和PAA-g-CTAB/PANI;最高电导率达到14.38mS·cm1;其中基于PAA/Gel/PANI凝胶电解质的DSSC其光电转换效率达到6.94%。 【关键词】:染料敏化太阳能电池 铂对电极 聚合物对电极 聚苯胺纳米纤维 凝胶电解质
【学位授予单位】:华侨大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 第1章 绪论10-32
  • 1.1 光伏电池研究历史12-16
  • 1.2 DSSC结构及原理16-18
  • 1.2.1 DSSC结构16-17
  • 1.2.2 DSSC原理17-18
  • 1.3 DSSC的研究进展18-28
  • 1.3.1 染料的研究18-19
  • 1.3.2 光阳极研究19-23
  • 1.3.3 电解液研究23-25
  • 1.3.4 对电极的研究25-28
  • 1.4 DSSC的优势及所面临的困难与挑战28-29
  • 1.5 本论文的研究内容及创新29-30
  • 1.6 展望30-32
  • 第2章 电池的制备及测试表征32-40
  • 2.1 阳极膜的制备32-37
  • 2.1.1 纳米晶TiO_2胶体的制备32-33
  • 2.1.2 致密阻挡层的制备33-34
  • 2.1.3 大颗粒反射层的制备34
  • 2.1.4 用TiCl_4再次处理阳极膜34-35
  • 2.1.5 阳极膜优化结果35-37
  • 2.2 染料的配置及阳极膜的敏化37
  • 2.3 液体电解质的配置37
  • 2.4 常规Pt对电极的制备方法37
  • 2.5 电池的组装和测试37-38
  • 2.5.1 电池组装37-38
  • 2.5.2 光电转换性能测试38
  • 2.5.3 电极电化学性能测试38
  • 2.6 材料的测试和表征方法38-40
  • 2.6.1 扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)测试38-39
  • 2.6.2 红外光谱(FTIR)测试39
  • 2.6.3 紫外光谱(UV)测试39-40
  • 第3章 高催化活性铂金对电极40-56
  • 3.1 铂纳米管对电极40-46
  • 3.1.1 实验内容40-42
  • 3.1.2 结果与分析42-46
  • 3.1.3 结论46
  • 3.2 铂花结构对电极46-56
  • 3.2.1 铂花对电极的制备46-47
  • 3.2.2 测试表征47
  • 3.2.3 结果与分析47-54
  • 3.2.4 结论54-56
  • 第4章 聚合物及聚合物负载铂对电极56-76
  • 4.1 适合作为DSSC对电极的聚合物材料及制备方法探讨56-64
  • 4.1.1 实验内容56-58
  • 4.1.2 结果分析58-64
  • 4.1.3 结论64
  • 4.2 聚苯胺纳米纤维负载铂催化剂对电极64-76
  • 4.2.1 PANI/Pt对电极对电极的制备65
  • 4.2.2 电极材料测试及电化学表征65-66
  • 4.2.3 结果与分析66-74
  • 4.2.4 小结74-76
  • 第5章 超吸水材料/导电高分子基凝胶电解质76-93
  • 5.1 实验内容76-81
  • 5.1.1 实验药品76-77
  • 5.1.2 超吸水材料/导电高分子基凝胶电解质的制备方法77
  • 5.1.3 超吸水材料/导电高分子基凝胶电解质的具体制备方法77-80
  • 5.1.4 超吸水材料/导电高分子基凝胶电解质的性能测试80-81
  • 5.1.5 基于凝胶电解质的DSSC光电性能测试81
  • 5.2 结果与分析81-91
  • 5.2.1 SEM表征分析81-84
  • 5.2.2 FTIR表征分析84-87
  • 5.2.3 凝胶电解质电导率和吸液倍率87-88
  • 5.2.4 凝胶电解质电导率和温度的关系88-89
  • 5.2.5 DSSC电池性能89-91
  • 5.3 结论91-93
  • 第6章 总结93-97
  • 参考文献97-111
  • 致谢111-113
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果113-116


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