导电多层膜的层层自组装及其电学、电化学及光伏性能研究

【摘要】：能源是全球长期关注的热点之一。随着化石燃料储量的急剧减少及其过量使用对环境产生的显著危害，可使得再生能源，如风能、水能、核电等，越来越受到世界各国的重视。但它们的应用很大程度上受到地理因素的制约，且需要高昂的设备及维护成本。相比之下，太阳能因其来源广、无污染等优点应用受到了广泛的关注，具有远大的应用前景。对电极作为太阳能电池中重要的组成部分，显著影响光伏参数中的填充因子(FF)，通过增加对电极的反应面积，可有效地提高反应速率，从而进一步提升染料敏化太阳能电池的效率。1991年，Decher发展了一种基于阴、阳聚电解质间静电作用为推动力的制备多层膜的层层自组装法，这种方法制成的多层膜具有较大的比表面积及不同的界面，其在对电极上有良好的应用前景。本论文旨在采用静电自组装的方法制备高导电性高催化性多层膜，研究其导电机理，并将其应用于染料敏化太阳能电池的对电极，促进层层自组装法在染料敏化太阳能电池对电极中的应用。 在论文的第二章中，采用聚乙烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和氧化石墨烯(GO)进行静电自组装制备(PDDA/GO)n导电多层膜。实验表明(PDDA/GO)n导电多层膜的生长方式为均匀线性生长，每一层PDDA/GO导电多层膜的厚度基本一致。(PDDA/GO)n导电多层膜在硫酸溶液介质中的氧化还原反应受扩散作用控制。同时，(PDDA/GO)n导电多层膜的氧化还原中的电荷转移由膜内的电荷扩散所控制。(PDDA/GO)n导电多层膜的膜电阻几乎不随双层数发生改变，但(PDDA/GO)n导电多层膜的电导率随双层数的增加呈现线性增加的趋势，这表明随着双层数的增加，表面电荷的积累也呈现线性趋势，表现出电子隧穿效应。光电性能测试表明(PDDA/GO)n导电多层膜的光电流响应高度依赖于双层膜的沉积周期，且光电流密度随着沉积周期的增多而迅速增加。这表明光激发电子同样具有从GO层底部转移到顶部的电子隧穿效应。这个独特的性质在DSSC的对电极中将具有很好的应用。 在论文的第三章中，利用与第二章类似的静电自组装的方法，成功地实现了导电聚合物聚吡咯(PPy)与氧化石墨烯(GO)的层层自组装。实验结果表明，(PPy/GO)n导电多层膜的生长方式为均匀线性生长。(PPy/GO)n导电多层膜在硫酸溶液介质中的氧化还原反应受扩散作用控制。同时，(PPy/GO)n导电多层膜的氧化还原中的电荷转移由膜内的电荷扩散所控制。(PPy/GO)n导电多层膜的膜电阻不随双层数的增加而改变，但其电导率随之呈线性增加的趋势，表现出电子隧穿效应。(PPy/GO)n导电多层膜对电解液的催化性能随双层数的增加而增加，且其导电性能也随之增加，完全符合染料敏化太阳电池(DSSC)对电极的性能要求。将(PPy/GO)n自组装导电多层膜作为对电极测试其电池效率，电池效率随双层数的增加而增加，最高效率为4.86％。 采用静电自组装的方法制备了(PDDA/GO)n导电多层膜和(PPy/GO)n导电多层膜，研究了导电多层膜的电学、电化学及光伏性能，并将(PPy/GO)n导电多层膜应用于DSSC对电极。将静电自组装方法应用于DSSC，促进DSSC对电极的发展。 【关键词】：静电层层自组装 染料敏化太阳电池 导电多层膜 氧化石墨烯
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 染料敏化太阳电池13-16
• 1.2.1 DSSC 的组成13-14
• 1.2.2 DSSC 的工作原理14-15
• 1.2.3 DSSC 性能评价15-16
• 1.3 DSSC 的对电极16-21
• 1.3.1 铂对电极16-17
• 1.3.2 碳材料对电极17-18
• 1.3.3 复合型碳纳米结构18-20
• 1.3.4 导电聚合物对电极20
• 1.3.5 复合材料对电极20-21
• 1.4 层层自组装制备对电极材料21-26
• 1.4.1 层层自组装的发展21-22
• 1.4.2 自组装机理22-24
• 1.4.3 层层自组装的驱动力24-25
• 1.4.4 层层自组装表征方法25-26
• 1.5 论文的研究目的及意义26-27
• 第2章 (PDDA/GO)n导电多层膜的静电自组装及其电学、电化学及光电性能27-49
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-31
• 2.2.1 实验试剂与仪器28-29
• 2.2.2 石英玻璃片的预处理29
• 2.2.3 GO 溶液以及 PDDA 溶液的的配制29
• 2.2.4 (PDDA/GO)n导电多层膜的自组装29-30
• 2.2.5 测试及表征方法30-31
• 2.3 结果与讨论31-47
• 2.3.0 GO 的片状结构31
• 2.3.1 (PDDA/GO)n导电多层膜的生长方式31-33
• 2.3.2 吸附时间对(PDDA/GO)n导电多层膜组装过程的影响33-36
• 2.3.3 循环伏安曲线(CV)36-40
• 2.3.4 电化学阻抗谱(EIS)40-44
• 2.3.5 电子隧道效应44-45
• 2.3.6 光电性能45-47
• 2.4 本章小结47-49
• 第3章 (PPy/GO)n导电多层膜的静电自组装及其电学、电化学性能及在 DSSC 对电极中的应用49-67
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-53
• 3.2.1 实验药品与仪器50-51
• 3.2.2 氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃片的预处理51
• 3.2.3 GO 溶液、PPy 溶液以及电解液的配制51-52
• 3.2.4 (PPy/GO)n导电多层膜的自组装52
• 3.2.5 测试及表征方法52-53
• 3.3 结果与讨论53-66
• 3.3.1 (PPy/GO)n导电多层膜的结构53-54
• 3.3.2 (PPy/GO)n导电多层膜的生长方式54-55
• 3.3.3 循环伏安曲线(CV)55-58
• 3.3.4 电化学阻抗谱(EIS)58-61
• 3.3.5 (PPy/GO)n导电多层膜对电解质的催化性能61-65
• 3.3.6 (PPy/GO)n导电多层膜对电极的光伏性能65-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第4章 总结67-68
• 4.1 主要结论67
• 4.2 不足与展望67-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-75
• 个人简历75
• 发表的学术论文75-76

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