三維氮、硫摻雜石墨烯材料的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池因其優(yōu)異性而備受關(guān)注。對電極作為染料敏化太陽能電池的重要組成部分，其主要作用是催化I3-的還原。本文采用一步水熱法制備了三維氮摻雜、硫摻雜石墨烯材料，并研究其作為對電極在染料敏化太陽電池中的應(yīng)用。我們改變水熱反應(yīng)的前驅(qū)體類別、前驅(qū)體濃度、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度制備樣品，并使用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射分析、N2的等溫吸脫附測試、X射線光電子能譜等表征手段對制備的氮摻雜石墨烯材料（NG）、硫摻雜石墨烯（SG）

2、材料進(jìn)行了表征。并進(jìn)一步借助電化學(xué)表征證明三維氮摻雜石墨烯和硫摻雜石墨烯對 I3-還原具有良好的催化活性。利用摻雜石墨烯材料制備對電極，并結(jié)合C106染料構(gòu)建染料敏化太陽電池，研究其器件性能。研究表明，SG器件效率可高達(dá)7.19％。取得主要結(jié)論如下：
　　（1）我們利用氧化石墨烯（GO）和氮源通過一步水熱法合成了三維NG材料，研究了氮源的種類、濃度、水熱反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對 NG材料的形貌和電化學(xué)性能的影響。當(dāng)使用乙酸銨作為氮源時

3、，其濃度較小時 NG材料具有比表面積較大的三維形貌，隨著濃度的繼續(xù)增加，石墨烯團(tuán)聚嚴(yán)重，比表面積明顯減小。研究表明，NG材料均表現(xiàn)出比還原氧化石墨烯（RGO）更高的催化活性，特別是對于采用3mM乙酸銨作為氮源，在180℃下水熱反應(yīng)12h制備的NG材料具有最佳的三維形貌，催化I3-還原為I-的能力最高，其催化能力與Pt相近。這是由于嵌入石墨烯晶格中的氮原子的孤對電子給予NG材料額外的電催化活性，并且NG材料的三維結(jié)構(gòu)使比表面積增大，電解質(zhì)

4、能夠快速擴(kuò)散至活性位點(diǎn)，催化I3-的還原。器件研究中，在AM1.5G100mWcm-2模擬太陽光輻照條件下，使用NG對電極的器件的短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）、功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）依次為15.53mAcm-2，0.68V，0.61，6.47%。實(shí)驗(yàn)表明NG器件效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于RGO的器件效率（4.08%），與Pt器件的效率（7.57%）相近。
　?。?）我們利用GO和硫源通過一步水熱法合成了三維多孔S

5、G材料，研究了硫源的種類、濃度、水熱反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對SG材料的形貌和電化學(xué)性能的影響。其中采用3.2mM3-巰基丙酸作為硫源時三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形貌達(dá)到最佳，用掃描電子顯微鏡能清晰的看到大孔和介孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)3-巰基丙酸濃度小于3.2mM，隨著濃度的增加，SG材料從片狀結(jié)構(gòu)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)3-巰基丙酸濃度大于3.2mM，隨著濃度的增加，SG材料從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變成團(tuán)聚狀。研究表明，SG材料均表現(xiàn)出比還原氧化石墨烯（RGO）更高的催化活性，特別是當(dāng)采

6、用3.2mM3-巰基丙酸作為硫源，在180℃水熱反應(yīng)12h制備的SG材料具有最佳的三維形貌，其催化I3-還原的能力比 Pt更高。這是由于嵌入石墨烯晶格中的硫原子的孤對電子給予 SG材料額外的電催化活性，并且三維多孔結(jié)構(gòu)可以增大材料的比表面積，有利于電解質(zhì)快速擴(kuò)散到SG的活性位點(diǎn)。器件研究中，在AM1.5G100mWcm-2模擬太陽光輻照條件下，SG器件的Jsc、Voc、FF、PCE依次為15.95mAcm-2，0.69V，0.65，7.