碳纳米管在太阳能电池对电极上的应用研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSCs）是一种新型的光化学太阳能电池，其制作工艺简单、成本低廉、性能稳定、环境友好，具有良好的应用前景和商业价值。自1991年M.Gr tzel取得突破以来，在近十几年来的发展极为迅速。DSSCs主要由三部分组成：染料敏化纳米晶TiO2电极、电解液（I-/I3-）以及载有催化剂的对电极。目前应用研究比较广泛的主要是铂对电极（金属对电极）。DSSCs之所以越来越成为人们关注的焦点，主要是由于它较低的成本和较高的光电转化效率，而铂等贵金属催化剂的使用无疑提高了其成本，因此人们就尝试采用其它廉价的材料来替代铂作为DSSCs的对电极材料。炭材料价廉，对I-/I3-电解液具有较好的抗腐蚀性，并且其导电性好，对I3-还原的催化性能高，所以选择适当的炭材料取代铂来制备DSSCs对电极具有较高的研究价值。本研究通过采用廉价易得的不同结构形态的炭材料（碳纳米管-CNTs、活性碳、碳黑、石墨）为原料，分别采用电沉积、丝网印刷、提拉及物理涂覆等技术制备染料敏化太阳能电池的碳对电极，其中电沉积法为本研究中制备碳膜的主要方法。通过对碳膜表面形貌的观察、电阻的测试以及由其组装电池的性能的测试来选择最佳的对电极原料和电沉积法的最佳工艺参数。实验结果表明，采用电沉积法制备DSSCs的碳纳米管对电极最佳工艺条件为：外加电压20V、电沉积时间10min、水浴温度65℃，此时DSSCs的光电转换效率最佳，为3.77%。选择炭材料作为对电极原料时，炭材料的比表面积与其孔结构，颗粒形状，组织排列方式及导电性都对电池的性能有很大影响；通过不同炭材料的对比，碳纳米管以其独特的管状结构，较好的导电、传热性能及环境耐受力用于DSSCs对电极，获得了较好的光电转换效率5.87%。此外，电沉积法与丝网印刷、物理涂覆、提拉法相比，具有工艺简单、操作容易、碳膜的厚度及其在基底上的附着力可控，碳膜可在DSSCs中循环利用的优势，具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 太阳能电池介绍
• 2.1.1 晶体硅型
• 2.1.2 薄膜型
• 2.1.2.1 硅薄膜类
• 2.1.2.2 化合物薄膜类
• 2.1.2.3 有机薄膜类
• 2.1.3 染料敏化太阳能电池
• 2.2 染料敏化太阳能电池的基本结构、工作原理及性能评价参数
• 2.2.1 染料敏化太阳能电池的结构
• 2多孔半导体薄膜'>2.2.1.1 纳米 TiO₂多孔半导体薄膜
• 2.2.1.2 染料光敏化剂
• 2.2.1.3 电解质
• 2.2.1.4 对电极
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理
• 2.2.3 染料敏化太阳能电池的评价参数
• 2.3 染料敏化太阳能电池中碳对电极的研究进展
• 2.3.1 石墨对电极
• 2.3.2 碳黑对电极
• 2.3.3 碳纳米管对电极
• 2.3.4 富勒烯及其衍生物作对电极
• 2.3.5 其他形态的碳对电极
• 2.3.6 碳复合对电极
• 2.5 课题的提出和意义
• 第三章 实验部分
• 3.1 实验药品及仪器设备
• 3.2 导电玻璃基底的清洗
• 3.3 碳薄膜对电极的制备
• 3.3.1 电沉积法
• 3.3.2 丝网印刷法
• 3.3.3 物理涂覆法
• 3.3.4 提拉法
• 2薄膜的制备'>3.4 光阳极 TiO₂薄膜的制备
• 2致密膜的制备'>3.4.1 TiO₂致密膜的制备
• 2多孔膜的制备'>3.4.2 TiO₂多孔膜的制备
• 3.5 染料的配制与吸附
• 3.6 电解液的配置
• 3.7 染料敏化太阳能电池的组装
• 3.8 分析测试方法
• 3.8.1 碳粉物相形态分析
• 3.8.1.1 XRD
• 3.8.1.2 TEM
• 3.8.1.3 BET
• 3.8.2 碳膜的微观形貌
• 3.8.3 碳薄膜方块电阻的测定
• 3.8.4 DSSCs 的性能测定
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 炭材料的测试分析
• 4.1.1 CNTs
• 4.1.1.1 CNTs 的 XRD 表征
• 4.1.1.2 CNTs 的 TEM 表征
• 4.1.1.3 CNTs 的 SEM 表征
• 4.1.2 其他炭材料
• 4.2 CNTs 及含 CNTs 复合炭材料丝网印刷法制备 DSSCs 对电极及性能测试
• 4.2.1 碳膜的 SEM 表征
• 4.2.2 不同比例 CNTs 复合炭材料制备碳膜对电池性能的影响
• 4.3 CNTs 及含 CNTs 复合炭材料电沉积法制备 DSSCs 对电极及性能测试
• 4.3.1 碳膜的 SEM 表征
• 4.3.1.1 CNTs 膜
• 4.3.1.2 不同比例 CNTs 复合炭材料制备碳膜
• 4.3.2 外加电压对电池性能的影响
• 4.3.3 沉积时间对电池性能的影响
• 4.3.4 水浴温度对电池性能的影响
• 4.3.5 碳膜厚度对电池性能的影响
• 4.3.6 CNTs/石墨/活性碳复合碳膜组装电池的性能分析
• 4.4 DSSCs 对电极原料的选择
• 4.4.1 不同炭材料对组装电池光电性能的影响
• 4.4.2 炭材料的孔结构及比表面积对电池性能的影响
• 4.4.3 不同炭材料对制备碳膜方块电阻的影响
• 4.5 DSSCs 对电极制备方法的选择
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 作者攻读硕士期间发表的论文及成果