對(duì)電極作為染料敏化太陽能電池的重要組成部分,對(duì)催化電解質(zhì)的還原再生起著至關(guān)重要的作用。尋找替代貴金屬Pt的對(duì)電極材料,是促進(jìn)染料敏化太陽能電池進(jìn)一步發(fā)展的有效途徑。相比于尋求新的對(duì)電極材料,如何對(duì)現(xiàn)有活性不高的對(duì)電極材料進(jìn)行改善是獲得低廉高效對(duì)電極的重要手段。過渡金屬硫化物在可替代Pt的對(duì)電極材料中,以電催化性能優(yōu)異、儲(chǔ)量豐富、成本低廉以及元素種類多等優(yōu)勢備受關(guān)注。本文從電催化劑表面吸附能調(diào)控、電催化劑表面活性位點(diǎn)替換以及面向工業(yè)化生產(chǎn)的角度出發(fā),探索了過渡金屬硫化物對(duì)電極電催化活性的改良策略,以及大面積、柔性、高活性CoS對(duì)電極的制備方法。具體研究工作如下:提出了利用超薄Co_3S_4活性層大幅提高Co_3O_4惰性電極電催化活性的研究策略。理論計(jì)算表明,將惰性的Co_3O_4表層轉(zhuǎn)化為Co_3S_4可顯著提升其對(duì)I原子的吸附能(由0.347eV提升到了0.835 eV),提高其對(duì)I~-/I_3~-氧化還原反應(yīng)的催化活性;實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用快速溶液硫化方法,僅30 s的硫化處理就能將Co_3O_4表面單層轉(zhuǎn)化為活性Co_3S_4,將I_3~-還原反應(yīng)的電催化活性大幅提升。染料敏化太陽能電池測試表明,硫化獲得的Co_3S_4/Co_3O_4復(fù)合電極呈現(xiàn)與傳統(tǒng)熱解Pt電極相似的對(duì)電極性能,獲得了8.6%的太陽能光電轉(zhuǎn)換效率。研究了催化位點(diǎn)種類對(duì)黃銅錫礦多元過渡金屬硫化物(Cu_2XSnS_4)材料電催化活性的影響。以研究較為充分的Cu_2ZnSnS_4對(duì)電極材料為對(duì)象,將其中的Zn元素替換為具有高電催化活性的過渡金屬Co和Ni元素,利用溶膠凝膠方法制備了多孔Cu_2XSnS_4薄膜。研究表明,Cu_2CoSnS_4和Cu_2NiSnS_4薄膜展現(xiàn)了相比Cu_2ZnSn S_4更高的I~-/I_3~-電催化活性和穩(wěn)定性。組裝的染料敏化太陽能電池取得了與傳統(tǒng)熱解Pt為對(duì)電極的染料電池相當(dāng)?shù)墓怆娹D(zhuǎn)換效率(8.3%)。理論計(jì)算結(jié)果表明這種性能提升和催化劑表面吸附能與解吸附能的平衡相關(guān)。探索了高性能CoS對(duì)電極的低溫和大面積制備方法。采用超聲噴霧熱解法一步制備CoS粉體材料,進(jìn)一步與PVDF和PEDOT:PSS等聚合物粘結(jié)劑復(fù)合,實(shí)現(xiàn)了高活性CoS對(duì)電極的低溫和大面積(10×10 cm)制備。研究表明,這種新型CoS基對(duì)電極材料具備與傳統(tǒng)熱解Pt相當(dāng)?shù)慕缑骐姾赊D(zhuǎn)移電阻,組裝的染料敏化太陽能電池達(dá)到了8.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。多點(diǎn)取樣測試表明,大面積對(duì)電極呈現(xiàn)了很好的位置-電催化活性一致性。
【學(xué)位單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今人類面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1,2]。在所有可再生能源技術(shù)中，豐富潔，安全，低廉的太陽能電池光伏技術(shù)可以利用光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能最有前景的光伏裝置。染料敏化太陽能電池被認(rèn)為是很多光伏電池中最有前途的太陽能電池之一[3]。991 年由瑞典科學(xué)家 Gr tzel 首次報(bào)道以來，染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)初的 7%逐步提升[4]。據(jù)報(bào)道，染料敏化太陽能電池的效率已經(jīng)達(dá)到 14%以上，在襯底 FTO 上制作設(shè)備的認(rèn)證值為 11.9%，在柔性襯底上設(shè)備(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇PET)/ITO)的認(rèn)證值為 7.6%。與其他新型電池相比，染料敏化太陽能電池制備簡單，環(huán)境友好，成本低廉，它前發(fā)展最快、產(chǎn)業(yè)化最先進(jìn)的光伏器件，推進(jìn)了光伏電池技術(shù)的快速發(fā)展。將敏化顏色多樣性和對(duì)電極的透明、柔性、光響應(yīng)度結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)染料敏化電池在現(xiàn)代、汽車、服飾、背包、帳篷等方面的應(yīng)用是其特有的優(yōu)勢，相比于硅電池和鈣鈦礦，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2公司制作的染料敏化電池?zé)粽忠约坝每稍谠偕牧现谱鞒纱糯u存儲(chǔ)電池窗產(chǎn)間展示圖 年，索尼公司制作了染料敏化電池構(gòu)成的燈罩 Hana-Akiri。該燈罩可以外的大多數(shù)種類的光源，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能。進(jìn)一步，用可再生材料內(nèi)染料敏化太陽能電池器件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在磁磚中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能(圖 1.2)。另外，索尼公司還開發(fā)出一種染料敏化太陽能電池供電燈，集成光伏器件中檢驗(yàn)了電池的有效性。染料敏化太陽能電池的逐步研究與發(fā)展，將其應(yīng)用于我們生活中的各。有研究表明，利用太陽能光伏器件，未來可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)自動(dòng)充電，至是下雨天也可以存儲(chǔ)電能。未來，染料敏化電池將可以全面應(yīng)用于、房屋、帳篷、發(fā)電站等很多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)圖 1.3 所示的全太陽能電池

圖 1.3 染料敏化太陽能電池全覆蓋的建筑物 染料敏化太陽能電池原理及組成.1 染料敏化太陽能電池工作原理1.2.1.1 太陽能電池伏安特性曲線太陽能電池的伏安特性曲線表征了電池在一定光照和環(huán)境溫度 300 K 下，電流函數(shù)關(guān)系[5,6]。一般規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：標(biāo)準(zhǔn)的 AM 1.5G 太陽照射。在最佳工作點(diǎn)，太陽能電池達(dá)到最大功率 Pm，對(duì)應(yīng)最佳工作電壓 Vm和最佳工Jm。填充因子(FF)定義為= = =( )如圖 1.4 中所示，小長方形的面積，表示最大功率 Pm=JmVm，大長方形的面積，填充因子 FF 反應(yīng)了兩個(gè)長方形面積的接近程度。轉(zhuǎn)換效率η與短路電流 J
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 鄭大江;葉美丹;溫曉茹;張囡;林昌健;;染料敏化太陽能電池中的電化學(xué)研究方法（英文）[J];Science Bulletin;2015年09期

2 龍?jiān)?伍秋美;楊海林;阮建明;;溶劑熱法合成CoS納米晶及其表征[J];粉末冶金材料科學(xué)與工程;2011年06期

本文編號(hào)：2836028