對電極作為染料敏化太陽能電池的重要組成部分,對催化電解質的還原再生起著至關重要的作用。尋找替代貴金屬Pt的對電極材料,是促進染料敏化太陽能電池進一步發(fā)展的有效途徑。相比于尋求新的對電極材料,如何對現(xiàn)有活性不高的對電極材料進行改善是獲得低廉高效對電極的重要手段。過渡金屬硫化物在可替代Pt的對電極材料中,以電催化性能優(yōu)異、儲量豐富、成本低廉以及元素種類多等優(yōu)勢備受關注。本文從電催化劑表面吸附能調控、電催化劑表面活性位點替換以及面向工業(yè)化生產的角度出發(fā),探索了過渡金屬硫化物對電極電催化活性的改良策略,以及大面積、柔性、高活性CoS對電極的制備方法。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。理論計算表明,將惰性的Co_3O_4表層轉化為Co_3S_4可顯著提升其對I原子的吸附能(由0.347eV提升到了0.835 eV),提高其對I~-/I_3~-氧化還原反應的催化活性;實驗發(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表面單層轉化為活性Co_3S_4,將I_3~-還原反應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復合電極呈現(xiàn)與傳統(tǒng)熱解Pt電極相似的對電極性能,獲得了8.6%的太陽能光電轉換效率。研究了催化位點種類對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對電極材料為對象,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為對電極的染料電池相當的光電轉換效率(8.3%)。理論計算結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。探索了高性能CoS對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,進一步與PVDF和PEDOT:PSS等聚合物粘結劑復合,實現(xiàn)了高活性CoS對電極的低溫和大面積(10×10 cm)制備。研究表明,這種新型CoS基對電極材料具備與傳統(tǒng)熱解Pt相當的界面電荷轉移電阻,組裝的染料敏化太陽能電池達到了8.8%的光電轉換效率。多點取樣測試表明,大面積對電極呈現(xiàn)了很好的位置-電催化活性一致性。
【學位單位】：東北師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

可持續(xù)發(fā)展是當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中，豐富潔，安全，低廉的太陽能電池光伏技術可以利用光電效應將太陽能直接轉換成電能最有前景的光伏裝置。染料敏化太陽能電池被認為是很多光伏電池中最有前途的太陽能電池之一[3]。991 年由瑞典科學家 Gr tzel 首次報道以來，染料敏化太陽能電池光電轉換效率已經初的 7%逐步提升[4]。據報道，染料敏化太陽能電池的效率已經達到 14%以上，在襯底 FTO 上制作設備的認證值為 11.9%，在柔性襯底上設備(聚對苯二甲酸乙二醇PET)/ITO)的認證值為 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、產業(yè)化最先進的光伏器件，推進了光伏電池技術的快速發(fā)展。將敏化顏色多樣性和對電極的透明、柔性、光響應度結合起來，實現(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，具有很大的應用價值。

2公司制作的染料敏化電池燈罩以及用可在再生材料制作成磁磚存儲電池窗產間展示圖 年，索尼公司制作了染料敏化電池構成的燈罩 Hana-Akiri。該燈罩可以外的大多數種類的光源，進而轉換成電能。進一步，用可再生材料內染料敏化太陽能電池器件產生的電能儲存在磁磚中，實現(xiàn)了對電能(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，未來可以實現(xiàn)手機自動充電，至是下雨天也可以存儲電能。未來，染料敏化電池將可以全面應用于、房屋、帳篷、發(fā)電站等很多領域，實現(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，電流函數關系[5,6]。一般規(guī)定標準測試條件為：標準的 AM 1.5G 太陽照射。在最佳工作點，太陽能電池達到最大功率 Pm，對應最佳工作電壓 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 反應了兩個長方形面積的接近程度。轉換效率η與短路電流 J
【參考文獻】

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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研究方法（英文）[J];Science Bulletin;2015年09期

2 龍曾成;伍秋美;楊海林;阮建明;;溶劑熱法合成CoS納米晶及其表征[J];粉末冶金材料科學與工程;2011年06期

本文編號：2836028