介觀太陽能電池對電極的制備及電池性能優(yōu)化.pdf

1、介觀太陽能電池（mesoscopic solar cell，MSC）是一種新型太陽能電池。它擁有一種獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)，這種介孔結(jié)構(gòu)使得這類電池相比其他類型太陽能電池而言，具有更大的表面積，從而有利于捕獲更多的光子，產(chǎn)生較大的光電流。
　　染料敏化納米晶太陽能電池（Dye-sensitized solar cells，DSSC）是一類典型的介觀太陽能電池。通常，它們采用納米晶介孔二氧化鈦（TiO2）半導(dǎo)體材料作為電子收集電極。這種基于

2、納米材料的介孔電極比表面積可高達(dá)285m2/g,是非介孔電極的780倍。迄今為止，基于此類介孔電極的介觀太陽能電池器件最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過15％。如此高的光電轉(zhuǎn)換效率使得這類太陽能電池幾乎可以與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相媲美。不僅如此，介觀太陽能電池相比于硅基太陽能電池而言，具有制備工藝更加簡單、原料價(jià)格更加低廉、材料來源更加廣泛等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)都是新一代低成本清潔能源的必備要素，因此，介觀太陽能電池在發(fā)展前景上具有比硅基太陽能電池更大

3、的應(yīng)用潛力。
　　一般來說，DSSC按其電解質(zhì)狀態(tài)可分為兩種：一種為液態(tài)DSSC；另一種為固態(tài)DSSC。其中，液態(tài)DSSC通常采用鉑作為對電極，而固態(tài)DSSC通常采用金作為對電極。盡管DSSC的制備成本已經(jīng)比硅基太陽能電池要低，但這種貴金屬電極不管是從材料價(jià)格上來講還是從制備工藝上來考慮，都在一定程度上阻礙了DSSC成本的進(jìn)一步降低。而如果能找到一種更廉價(jià)的材料來替代其中的金屬對電極，將會(huì)使DSSC成為一種真正意義上的低成本太陽能

4、電池。
　　本論文針對DSSC中貴金屬電極所存在的材料成本高、制備工藝復(fù)雜等弊端，開發(fā)了一系列基于有機(jī)聚合物材料（聚3，4乙烯二氧噻吩，PEDOT）、無機(jī)化合物材料（硫化鎳，NiS）以及碳材料（C）的對電極，并將這些電極應(yīng)用在基于不同電解質(zhì)的DSSC中。此外，通過對對電極的優(yōu)化和對DSSC制備工藝的改良，獲得了較為理想的器件效率。這類基于非貴金屬電極材料電極的開發(fā)與應(yīng)用，為今后低成本DSSC的發(fā)展提供了一種可行的思路。本論文的主要

5、內(nèi)容包括：
　?。?）利用電聚合方法制備出了高催化性能的PEDOT電極。通過對聚合電量的調(diào)控，制備出了不同厚度的PEDOT對電極，并將其應(yīng)用在基于碘體系電解質(zhì)的DSSC中。電化學(xué)阻抗分析（EIS）及循環(huán)伏安（CV）測試結(jié)果表明，PEDOT電極聚合電量越多，其催化活性越好。經(jīng)過對電池各部分的優(yōu)化，采用200mC/cm2聚合電量條件下制備出的PEDOT200mC電極作為對電極，基于碘體系電解質(zhì)的DSSC器件的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)7.60％

6、，與同等條件下以Pt作為對電極的電池器件效率（7.87％）相當(dāng)。（2）以介孔無機(jī)氧化物TiO2做為支架結(jié)構(gòu)，通過在氧化物孔道結(jié)構(gòu)中聚合PEDOT制備出了一種新型PEDOT/TiO2復(fù)合電極，并將其應(yīng)用在基于無機(jī)硫體系電解質(zhì)的硫化鎘（CdS）量子點(diǎn)敏化DSSC中。EIS結(jié)果表明，這種PEDOT/TiO2復(fù)合電極在無機(jī)硫電解質(zhì)中具有比單純PEDOT電極更高的催化活性。此外，采用電化學(xué)方法替代傳統(tǒng)的連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法優(yōu)化了CdS量子點(diǎn)的生長

7、，并最終獲得了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)1.87％的CdS敏化DSSC。
　?。?）針對PEDOT電極可通過控制聚合電量的多少來調(diào)控電極的厚度，利用Bis-EDOT二聚體，降低PEDOT電極制備的聚合電壓，制備出了均勻透明的PEDOT對電極，其透光度可高達(dá)90％以上。將此透明對電極應(yīng)用于有機(jī)硫電解質(zhì)（AT-/BAT）中，組裝出了一種新型雙面DSSC。該雙面DSSC的背面照射時(shí)光電轉(zhuǎn)化效率為4.35％，達(dá)正面照射時(shí)光電轉(zhuǎn)化效率的70％以上。

8、r>　?。?）采用一種新型脈沖電壓沉積法制備出具有高催化活性的透明NiS對電極。掃描電子顯微鏡及電子能譜測試分析表明，通過不同脈沖周期的調(diào)控，不僅可以調(diào)控NiS對電極中NiS的顆粒大小，還可以控制其中Ni原子與S原子的比例。進(jìn)一步的EIS、CV測試表明，S元素的增加能夠提高NiS對電極在有機(jī)硫電解質(zhì)（ET-/BET）的催化活性。最終，組裝出了基于此種透明NiS對電極的雙面DSSC。該雙面DSSC的背面照射時(shí)光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)4.98％，達(dá)

9、正面照射時(shí)光電轉(zhuǎn)化效率的78％。
　　（5）在基于鈣鈦礦類吸光材料（碘鉛甲胺，CH3NH3PbI3）的介觀太陽能電池中，首次引入碳材料電極。采用一種碳單基板結(jié)構(gòu)，成功制備出了CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)介觀太陽能電池。通過對單基板膜厚的調(diào)控及對碳電極的優(yōu)化，我們制備出了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)6.64％的碳單基板電池器件。在此基礎(chǔ)之上，采用片狀TiO2納米晶材料替代顆粒狀TiO2納米晶材料，進(jìn)一步提升了器件效率。EIS分析表明，Ti