染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極的制備及其性能研究.pdf

1、探索染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)對(duì)電極非鉑新材料以及深入探究對(duì)電極電子輸運(yùn)機(jī)理已成為該領(lǐng)域關(guān)鍵課題之一。本論文圍繞多元硒/硫化物及其復(fù)合材料的合成以及在DSSC對(duì)電極的應(yīng)用展開(kāi)研究。在材料合成方面,探索多元硒/硫化物及其復(fù)合材料的可控合成方法,努力突破困擾多元化合物合成的技術(shù)瓶頸,為實(shí)現(xiàn)該類(lèi)材料的可控合成奠定基礎(chǔ);在電極制備方面,探索硒/硫化物等對(duì)電極的制備技術(shù)方法,優(yōu)化制備工藝參數(shù),為該類(lèi)對(duì)電極的制備提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);在性能檢測(cè)與表征方

2、面,針對(duì)硒/硫化物等的材料特性與對(duì)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了一種窄帶系半導(dǎo)體化合物作對(duì)電極的性能表征體系,準(zhǔn)確深入的表征該類(lèi)對(duì)電極催化材料的綜合電化學(xué)性能;在電子輸運(yùn)機(jī)理研究方面,探究硒/硫化物及其復(fù)合材料對(duì)電極的電子輸運(yùn)本質(zhì),為新型對(duì)電極的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　發(fā)展了一種簡(jiǎn)易制備多元硒/硫化物納米材料的方法。采用溶劑熱合成法,在綠色、溫和的條件下合成硒/硫化物納米晶,以乙二胺為溶劑和表面活性劑,實(shí)現(xiàn)了多元硒化物 Cu2

3、ZnSnSe4、Cu2SnSe3和多元硫化物 Cu2ZnSnS4納米材料的可控合成?？朔硕嘣衔锖铣傻募夹g(shù)瓶頸,合成的納米材料形貌規(guī)則、尺寸均勻、物相純凈且化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確。將合成的納米顆粒配制成“墨水”,采用滴涂和旋涂等工藝在FTO導(dǎo)電襯底上沉積薄膜并用作DSSC對(duì)電極催化層。研究了薄膜厚度、退火溫度等工藝參數(shù)對(duì)DSSC光電性能和對(duì)電極電化學(xué)性能的影響,探索出制備 Cu2ZnSnSe4、Cu2SnSe3和 Cu2ZnSnS4對(duì)電極的

4、最佳工藝路線。針對(duì)這類(lèi)窄帶系半導(dǎo)體化合物的能級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對(duì)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立光照對(duì)稱(chēng)電池測(cè)量方法,即采用對(duì)電極-電解液-對(duì)電極的對(duì)稱(chēng)電池結(jié)構(gòu),在光照下進(jìn)行電化學(xué)性能表征測(cè)試。該法避免了對(duì)電極受到光效應(yīng)和電效應(yīng)的交互影響,考察光效應(yīng)和電效應(yīng)分別對(duì)這類(lèi)對(duì)電極的電化學(xué)性能影響,可以真實(shí)、準(zhǔn)確的表征該類(lèi)對(duì)電極的綜合電化學(xué)性能。分析了 Cu2ZnSnSe4、Cu2SnSe3和 Cu2ZnSnS4等對(duì)電極的電子輸運(yùn)機(jī)理。與傳統(tǒng)的 Pt等對(duì)電極的電

5、子輸運(yùn)過(guò)程分兩個(gè)步驟不同,窄帶系半導(dǎo)體化合物對(duì)電極的電子輸運(yùn)除了從外電路接收電子和供給電子給電解液中的 I3-,還需把電子從半導(dǎo)體的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,而光電陽(yáng)極的透射光可以激發(fā)電子從半導(dǎo)體價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。該類(lèi)對(duì)電極電化學(xué)性能主要受電子激發(fā)的制約,而激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子易與電解液中的I3-結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)I3-的還原。
　　發(fā)展了一種疊層結(jié)構(gòu)的DSSC復(fù)合對(duì)電極。以晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)相匹配的Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4為組元,采

6、用旋涂-干燥-旋涂方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)疊層復(fù)合對(duì)電極的可控制備。利用 Cu2ZnSnS4和 Cu2ZnSnSe4吸光特性不同,制備的疊層對(duì)電極結(jié)構(gòu)可以更大限度的起到光陷作用,提高對(duì)電極半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電子激發(fā),電子激發(fā)效率的提高有利于電子從對(duì)電極轉(zhuǎn)移到電解液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:以Cu2ZnSnS4/Cu2ZnSnSe4疊層結(jié)構(gòu)為對(duì)電極的 DSSC的轉(zhuǎn)化效率得到了明顯的提高。
　　發(fā)展了一種 Cu2ZnSnS4/MWCNT納米復(fù)合對(duì)電極材料。

7、針對(duì) Cu2ZnSnS4等多元半導(dǎo)體硒/硫化物導(dǎo)電性能不強(qiáng),構(gòu)建了以Cu2ZnSnS4和MWCNT為組元的“電催化活性納米晶/導(dǎo)電相”立體網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電介孔膜結(jié)構(gòu),在半導(dǎo)體化合物中加入導(dǎo)電相 MWCNT改善 Cu2ZnSnS4等對(duì)電極的導(dǎo)電性能。立體網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電介孔膜結(jié)構(gòu)以MWCNT為骨架,為催化層內(nèi)部的電子提供了轉(zhuǎn)移到對(duì)電極/電解液的界面的快速通道,介孔膜結(jié)構(gòu)擁有巨大的催化面積,有利于增加對(duì)電極的催化點(diǎn)位。Cu2ZnSnS4/MWCNT納米復(fù)合