本文關(guān)鍵詞：Co_xS_y及其石墨烯復(fù)合材料制備及在DSSC中的應(yīng)用研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 染料敏化太陽能電池 對(duì)電極 硫化鈷 石墨烯

【摘要】：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(duì)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Ti O2介孔膜)、電解質(zhì)(通常為I3ˉ/Iˉ氧化還原電對(duì))及對(duì)電極。其中,對(duì)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(duì)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(duì)電極材料具有重要意義。近年來,硫化鈷作為低成本的對(duì)電極材料被引入染料敏化太陽能電池領(lǐng)域,對(duì)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(duì)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(duì)電極,同時(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(Co S)分級(jí)結(jié)構(gòu)。闡述了三維分級(jí)結(jié)構(gòu)的生長機(jī)制,并首次將三維花狀Co S分級(jí)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(duì)于I3ˉ的還原,三維花狀Co S分級(jí)結(jié)構(gòu)具有良好的電催化活性,歸因于構(gòu)成分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米片結(jié)構(gòu)不僅促進(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Co S分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)電極的染料敏化太陽能電池獲得了與基于鉑對(duì)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(jí)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(Co S)、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)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Co S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(duì)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(duì)碘電對(duì)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。此過程不僅避免了常規(guī)層層自組裝過程中聚電解質(zhì)及其它輔助材料的使用,而且利用了功能化石墨烯表面官能團(tuán)與硫化鈷納米粒子間的相互作用,促進(jìn)了硫化鈷納米粒子的分散。同時(shí)對(duì)復(fù)合薄膜電極進(jìn)行電化學(xué)測試,CFG電極表現(xiàn)了良好的電催化性能。因此,光電測試中,基于CFG薄膜電極的器件獲得了與Pt基器件相近的電池效率。
[Abstract]:Dye-sensitized solar cells, also known as the third generation solar cells, with its low cost, relatively high efficiency has attracted widespread attention. The dye-sensitized solar cell typically consists of three parts: the light anode (after Ti O2 mesoporous film dye sensitized), electrolyte (usually I3 - /I - redox couple) and the counter electrode. The electrode as an important group of dye-sensitized solar cells, plays in the circuit and the collected electronic effect in the electrolyte I3 - reduced to I -. At present, due to its superior electrocatalytic activity of platinum metal, has been used as the electrode material but platinum reserves are limited, and the price is high, greatly increasing the dye-sensitized solar cell cost. Therefore, the development of low cost, non platinum and high catalytic activity is of great significance to the electrode material. In recent years, as a low cobalt sulfide The counter electrode materials have been used in dye-sensitized solar cell field, for the reduction of I3 - has exhibited excellent electrocatalytic properties, so the cobalt sulfide is expected to replace the expensive Pt electrode model of electrode material. But the conductivity of cobalt sulfide itself is not high, the use of conventional synthetic methods of toxic sulfur source the reaction process of releasing toxic gas hydrogen sulfide, these problems have become obstacles to its large-scale application. Therefore, this paper aims at the development of environmental friendly, simple process and efficient synthesis of cobalt sulfide on the electrode, the high conductivity material and composite to overcome the problem of low conductivity, and make the two play a synergistic catalytic effect to improve the catalytic properties of materials. In this paper the main research contents are as follows: the successful synthesis of 3D flowerlike cobalt sulfide by using organic molecules induced by the (Co S) explains the three hierarchical structure. The growth mechanism of dimensional hierarchical structure, and for the first time the 3D flower like Co S hierarchical structure as electrode materials into dye-sensitized solar cell field, studied its electrocatalytic properties and photovoltaic properties. The electrochemical tests show that for the reduction of I3 - Co S, 3D flowerlike hierarchical structure has good electrocatalytic activity, attributed to the a nano sheet structure hierarchical structure not only promoted the diffusion of the electrolyte, but also increases the surface area of the material and improve its catalytic activity. As a result, the 3D flower like Co S hierarchical structure on the electrode of dye-sensitized solar cell based on the efficiency and the platinum electrode device based on similar three-dimensional classification. Synthesis of sulfide cobalt coated with graphene composite porous spheres by one-step hydrothermal method (CSHPS-G) material, and through the electrochemical test of single component of the cobalt sulfide (Co S), graphene oxide reduction (RGO) Electrocatalytic activity and CSHPS-G. The results show that compared with the single component material, CSHPS-G composites exhibited better electrocatalytic performance, so that the device achieves high efficiency. This is because the porous structure of the composite electrolyte not only provides an effective diffusion channel, increase the active site catalytic reaction but, because of the coated graphene, in between the CoS ball creates a three-dimensional conductive network, make up for the Co S material has poor electrical conductivity also can effectively restrain the disadvantages of graphite under high temperature agglomeration. As a result, device CSHPS-G composite electrode based on the obtained efficiency is higher than that of platinum electrode. The use of layer self assembly with pyrolysis directly on the surface of FTO prepared graphene cobalt sulfide nanoparticles modified transparent thin film electrode (CSG). To avoid the routine preparation of electrode slurry mixing process, scraping too complex The process is more important. The film thickness can be controlled in the preparation of nanometer scale, and highly transparent, is expected to be applied to the field of transparent electronic devices. The electrochemical test showed that CSG of iodine electroreduction of interlayer oxidation has good electrocatalytic activity to test.J-V, CSG transparent electrode of the device performance of the photovoltaic properties similar to the corresponding Pt based devices. Based on the development of a self-assembly technique modified by ion and functionalized graphene with different charge characteristics, through electrostatic adsorption directly on FTO conductive substrate were functionalized graphene / cobalt sulfide composite films were prepared (CFG) electrode. This process not only avoid the use of polyelectrolyte and other auxiliary materials self-assembly process of conventional layers, but also the interaction of functionalized graphene surface functional groups and sulfide cobalt nanoparticles of cobalt sulfide nanoparticles promoted At the same time, the electrochemical performance of the composite thin film electrode is tested. The CFG electrode shows good electrocatalytic performance. Therefore, based on the CFG thin film electrode, the cell efficiency is similar to that of Pt based devices.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332

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