【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSCs)是一種理想的光電轉(zhuǎn)換器件,近年來一直是光伏領(lǐng)域的研究熱點。DSCs由三部分組成,即光陽極、對電極和電解液。對電極作為DSCs體系中的重要組成部分,主要負(fù)責(zé)催化再生電解液中的氧化還原電對。貴金屬鉑(Pt)因具有良好的催化活性成為DSCs中理想的對電極材料,然而Pt的儲量有限且價格昂貴,限制了其在DSCs中的廣泛應(yīng)用,因此為了克服這些不足,急需開發(fā)一種廉價高效的非Pt對電極催化材料。常見的非Pt對電極材料為碳材料,如活性炭、炭黑、有序介孔碳、石墨烯、碳納米管、富勒烯等,其優(yōu)點為成本低、導(dǎo)電性高、原料來源豐富。而本文合成的碳球,除具有以上碳材料的優(yōu)點外,還具有均一性、高熱穩(wěn)定性、較大的比表面積等優(yōu)點。本文主要從兩個方面著手:一方面是設(shè)計并合成了一種新型對電極材料納米碳球(CS),用來替代Pt作為DSCs的對電極;另一方面通過合成碳球載Pt(Pt/CS)這種復(fù)合型對電極來取代Pt電極,這種復(fù)合型對電極可減少Pt的用量。具體來講,本文采用水熱法合成了一種單分散的實心碳球(SCS),這種碳球大小均勻,粒徑為420 nm,比表面積達(dá)380.97 m2g-1,基于這種碳球?qū)﹄姌O的DSCs能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了8.60%,但仍低于以Pt為對電極的DSCs的能量轉(zhuǎn)換效率9.41%。為了提高碳球的催化性能,我們進(jìn)一步合成了粒徑為250,320和550 nm的碳球,研究發(fā)現(xiàn)粒徑為250 nm的碳球催化活性最高,這是因為這種碳球有更大的比表面積454.47 m2g-1,因此能夠提供更多的催化活性位點,對應(yīng)DSCs的效率達(dá)到了9.32%。由此可見,粒徑為250 nm的碳球的催化性能與Pt十分接近。此外,為了進(jìn)一步提高CS的催化性能,我們通過原位合成法制備了Pt/CS這種復(fù)合型對電極催化材料,并表征了Pt的負(fù)載量對其催化活性的影響。實驗結(jié)果證明,當(dāng)Pt的負(fù)載量為2.1 wt%時,Pt/CS的催化活性最高,基于此對電極的DSCs效率達(dá)9.05%,既高于以Pt為對電極的DSCs的效率(8.42%),又高于以CS為對電極的DSCs的效率(6.70%)。為了進(jìn)一步驗證Pt/CS的高催化性能,我們通過電化學(xué)阻抗實驗測得Co~(3+/2+)在Pt/CS電極上進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的活化能為26.55 kJ mol-1,均低于Pt的34.25和CS的37.03 kJ mol-1,從根本上說明了Pt/CS高催化活性的原因。因此,這種將Pt納米粒子負(fù)載到CS表面的方法既可以減少Pt的用量,又可以提高材料的催化活性。綜上所述,本文通過水熱法和原位合成法成功制備了兩種不同的非鉑對電極催化材料——實心碳球(SCS)和復(fù)合型載Pt碳球(Pt/CS),極大地擴(kuò)展了對電極催化材料的選擇范圍,同時降低了染料敏化太陽能電池的制作成本,使其在太陽能電池中更具競爭力。
【學(xué)位授予單位】：河北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4

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