用于染料敏化太阳能电池的非Pt催化材料研究

论文摘要

作为一代新型太阳能电池,染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell, DSC）具有能量转换效率高、工艺简单、绿色环保及成本低廉等优点。通常,DSC由光阳极（吸附有染料的半导体多孔膜）、含有氧化还原电对的电解液和对电极三部分组成,其中对电极通常为贵金属铂（Pt）电极。然而,Pt价格昂贵、储量有限且易与电解液中的氧化还原电对（13-/I-）反应,影响了DSC的成本的降低及长期稳定性,严重限制了DSC的大规模产业化生产。因此,开发低成本、储量丰富以及稳定的对电极催化材料迫在眉睫。本文设计并合成了钼、钨和铌的碳化物、氮化物及氧化物,可替代Pt催化材料应用于构建高效低成本DSC。首先,利用有机无机杂化法合成了具有较大比表面积的介孔Mo2C纳米纤维,并将其作为对电极催化材料用于DSC,介孔Mo2C纳米纤维表现出与Pt相近的催化性能。相同条件下比较了不同形貌的Mo2C在DSC中的催化性能,证明了介孔Mo2C纳米纤维由于其较大的比较面积,表现出较高催化活性。另外,利用相同的实验方法合成了WO2纳米棒,并首次将其作为对电极组装DSC,取得了与Pt组装的DSC相近的能量转换效率。其次,利用尿素-金属氯化物的化学方法合成了NbC（N）、NbN及Nb205,并将其作为对电极应用于DSC体系中。J-V, EIS和CV实验结果表明Nb205的催化活性最好。此外,通过调节温度合成了三种晶型的Nb2O5及一种晶型NbO2。在DSC体系中,系统比较了晶型结构与催化活性之间的关系。实验结果表明,单斜晶型的Nb205催化活性较好,四方晶型的NbO2催化活性超越了Pt。同时,合成的负载型催化材料（介孔碳负载的Nb205和碳负载的NbO2）均表现出高于Pt的催化性能,表明负载是提高材料的催化性能的有效方法。研究了不同气氛烧结氛围对氧化物对电极催化活性的影响,结果表明惰性气体烧结的薄膜的催化活性较高。最后,成功地设计并制备了全柔性大面积DSC,通过引入光散射层或施加机械压力优化了全柔大面积DSC的性能,并将开发的理想的非Pt对电极（Nb02及NbO2/C）应用于此大面积柔性DSC中,实现了非Pt对电极大面积实用化应用。另外,制备了艺术大面积DSC,使DSC实现了实用化与艺术化的统一

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 太阳能电池的分类
• 1.3 DSC的结构及工作原理
• 1.3.1 DSC的结构
• 1.3.2 DSC的基本工作原理
• 1.4 DSC分析测试方法
• 1.4.1 电流密度-电压曲线
• 1.4.2 光电转化效率IPCE
• 1.5 DSC的组成材料
• 1.5.1 导电基底材料
• 1.5.2 半导体多孔膜
• 1.5.3 染料敏化剂
• 1.5.4 电解液
• 1.5.5 对电极
• 1.5.5.1 金属Pt对电极
• 1.5.5.2 碳材料对电极
• 1.5.5.3 高分子导电聚合物对电极
• 1.5.5.4 无机化合物对电极
• 1.6 目前DSC对电极存在的问题
• 1.7 本课题选题依据和意义
• 2 实验内容
• 2.1 实验材料、试剂、设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验试剂
• 2.1.3 实验设备
• 2.2 DSC的制备
• 2.3 DSC分析测试方法
• 3 钼、钨系化合物的合成及在DSC中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 钼、钨系化合物的材料表征
• 3.3.2 钼、钨系化合物在DSC中的应用
• 3.3.3 钼、钨系化合物催化性能表征
• 3.4 本章小结
• 4 铌系化合物的合成及在DSC中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 铌系碳化物、氮化物、氧化物的合成
• 2O₅/MC的合成'>4.2.2 Nb₂O₅/MC的合成
• 2/C的合成'>4.2.3 介孔NbO₂/C的合成
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 铌系化合物前驱体材料EDS表征
• 4.3.2 铌系碳化物、氮化物及氧化物的材料表征
• 4.3.3 铌系碳化物、氮化物及氧化物在DSC中的应用
• 4.3.3.1 循环伏安测试
• 4.3.3.2 电流密度-电压测试
• 4.3.3.3 电化学阻抗测试
• 4.3.4 氧化铌的晶型结构对催化性能影响
• 4.3.4.1 循环伏安测试
• 4.3.4.2 电流密度-电压测试
• 4.3.4.3 电化学阻抗测试
• 4.3.4.4 塔菲尔测试
• 4.4 负载型氧化铌在DSC中的应用
• 4.5 烧结气氛对氧化物对电极催化活性的影响
• 4.5.1 实验内容
• 4.5.2 气体烧结氛围对氧化物电极催化性能影响
• 4.6 本章小结
• 5 非Pt对电极在柔性DSC的应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 大面积柔性DSC的制备
• 5.2.1.1 低温光阳极的制备
• 5.2.1.2 低温对电极的制备
• 5.2.1.3 全柔性DSC的制作
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 大面积柔性DSC的光阳极性能优化
• 2及NbO₂/C对电极在大面积柔性DSC的应用'>5.3.2 低温NbO₂及NbO₂/C对电极在大面积柔性DSC的应用
• 5.4 大面积柔性DSC的实用化应用研究
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢