CoxSy及其石墨烯復(fù)合材料制備及在DSSC中的應(yīng)用研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池，又稱第三代太陽能電池，以其較低的成本、相對較高的效率引起了人們的廣泛關(guān)注。典型的染料敏化太陽能電池通常由三部分組成：光陽極(經(jīng)過染料分子敏化的TiO2介孔膜)、電解質(zhì)(通常為I3ˉ/Iˉ氧化還原電對)及對電極。其中，對電極作為染料敏化太陽能電池的重要組分，起著收集外電路中電子并將電解質(zhì)中I3ˉ還原為Iˉ的作用。目前，由于其優(yōu)越的電催化活性，金屬鉑一直被作為常用的對電極材料。但是鉑的儲(chǔ)量有限，而且價(jià)格居高不下，大大增加

2、了染料敏化太陽能電池的成本。因此，開發(fā)低成本、高催化活性的非鉑對電極材料具有重要意義。近年來，硫化鈷作為低成本的對電極材料被引入染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，對于I3ˉ的還原已表現(xiàn)出良好的電催化性能，因此硫化鈷被認(rèn)為是有望替代昂貴Pt電極的新型對電極材料。但是硫化鈷本身的電導(dǎo)性不高、常規(guī)的合成方法中毒性硫源的使用會(huì)使反應(yīng)過程釋放有毒氣體硫化氫，這些問題成為其大規(guī)模應(yīng)用的障礙。因此，本文旨在發(fā)展環(huán)境友好、過程簡單的方法合成高效的硫化鈷對電極，同

3、時(shí)采用高電導(dǎo)材料與其復(fù)合以克服其電導(dǎo)率低的問題，并且使二者發(fā)揮協(xié)同催化作用以改善材料的催化性能。本論文文主要研究內(nèi)容如下：
　　采用有機(jī)分子誘導(dǎo)的方法成功合成了三維花狀硫化鈷(CoS)分級結(jié)構(gòu)。闡述了三維分級結(jié)構(gòu)的生長機(jī)制，并首次將三維花狀CoS分級結(jié)構(gòu)作為電極材料引入染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，考察了其電催化性能及光伏性能。電化學(xué)測試表明，對于I3ˉ的還原，三維花狀CoS分級結(jié)構(gòu)具有良好的電催化活性，歸因于構(gòu)成分級結(jié)構(gòu)的納米片結(jié)構(gòu)不

4、僅促進(jìn)了電解質(zhì)的擴(kuò)散，而且增大了材料的比表面積進(jìn)而提高了其催化活性。結(jié)果，基于三維花狀CoS分級結(jié)構(gòu)對電極的染料敏化太陽能電池獲得了與基于鉑對電極的器件相近的效率。
　　采用一步水熱法合成了石墨烯包覆的硫化鈷三維分級多孔球復(fù)合(CSHPS-G)材料，并且通過電化學(xué)測試研究了單組分的硫化鈷(CoS)、還原的氧化石墨烯(RGO)及CSHPS-G的電催化活性。研究表明，相比于單組分材料，CSHPS-G復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的電催化性能，進(jìn)

5、而使器件獲得了較高的效率。這是因?yàn)閺?fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)不僅為電解質(zhì)提供了有效的擴(kuò)散通道，增加了催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，而且由于石墨烯的包覆，在CoS球之間創(chuàng)造了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)了CoS材料本身導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)同時(shí)有效抑制了石墨烯片層在高溫條件下的團(tuán)聚。結(jié)果，基于CSHPS-G復(fù)合材料對電極的器件獲得了高于鉑電極的效率。
　　采用層層自組裝結(jié)合熱解法直接在FTO表面制備了硫化鈷納米粒子修飾的石墨烯透明薄膜(CSG)電極。避免了常規(guī)電極制備

6、過程中漿料混合、刮涂等復(fù)雜過程。更重要的是制備的薄膜厚度可控制在納米尺度范圍，而且高度透明，有望應(yīng)用于透明電子器件領(lǐng)域。電化學(xué)測試說明CSG對碘電對間氧化還原反應(yīng)具有良好的電催化活性。J-V測試中，基于CSG透明電極的器件表現(xiàn)了與相應(yīng)Pt基器件相近的光伏特性。
　　發(fā)展了一種改性的自組裝技術(shù)：利用離子及功能化石墨烯所帶電荷不同的特點(diǎn)，通過靜電吸附的方法直接在FTO導(dǎo)電基底上制備了功能化石墨烯/硫化鈷復(fù)合薄膜(CFG)電極。此過程不