高效電極的制備及其在介觀太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、當(dāng)前是新型太陽(yáng)能電池蓬勃發(fā)展的時(shí)期，其中介觀介觀太陽(yáng)能電池（Mesoscopic Solar Cell,MSC）憑借其獨(dú)特的介孔結(jié)構(gòu)受到了廣泛的關(guān)注。介孔結(jié)構(gòu)的引入使此類電池?fù)碛懈蟮谋缺砻娣e，從而更容易捕獲光子，產(chǎn)生較大光電流。
　　染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized solar cells,DSSC）是介觀太陽(yáng)能電池中最典型的一類。通常，它們釆用介孔二氧化鈦（TiO2）納米晶半導(dǎo)體材料作為電子收集電極。目前，基于

2、TiO2介孔電極的MSC最高光電轉(zhuǎn)換效率（Photoelectric Conversional Efficiency，PCE）己經(jīng)超20％，這一幾乎可以與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相媲美的結(jié)果使得這類太陽(yáng)能電池受到了極大地關(guān)注。另外，與硅太陽(yáng)能電池相比，MSC具有制備工藝更簡(jiǎn)單、原料更低價(jià)易得等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)符合新一代低成本清潔能源的要求，故而，MSC的具有更好的發(fā)展和應(yīng)用前景。
　　在DSSC中，貴金屬鉑是最常用的對(duì)電極材料。雖然從整體

3、的制備成本上講DSSC大大低于硅基電池，但是貴金屬電極的存在還是在一定程度上制約了DSSC成本的進(jìn)一步降低。那么，如果在保證光電轉(zhuǎn)換效率的前提下找到一種廉價(jià)的替代材料，將會(huì)大大推動(dòng)DSSC向真正的低成本太陽(yáng)能電池邁進(jìn)的步伐。
　　對(duì)于介孔電極而言，TiO2的進(jìn)一步優(yōu)化和尋找更理想的介孔氧化物納米晶也是進(jìn)一步提高M(jìn)SC性能的一個(gè)廣泛的途徑，尤其對(duì)近幾年迅猛發(fā)展的介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Mesoscopic perovskite sol

4、ar cell，MPSC）的發(fā)展具有極其重要的意義。
　　本論文針對(duì)DSSC中Pt電極所存在的材料成本高、可與碘電解質(zhì)反應(yīng)等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)機(jī)化合物/碳材料（C），有機(jī)聚合物材料（聚-3,4-乙烯二氧噻吩，PEDOT）/金屬或金屬氧化物等一系列高效的雜化對(duì)電極，獲得了較優(yōu)的光電轉(zhuǎn)換效率，為降低DSSC的成本提供了可行的思路。通過(guò)對(duì)TiO2三維結(jié)構(gòu)以及三元氧化物Zn2SnO4的研究，對(duì)MPSC的介孔電子傳輸層進(jìn)行了優(yōu)化，為MPSC

5、的介孔層研究提供了新思路。
　　本論文的主要內(nèi)容包括：
　　（1）通過(guò)一種低溫水熱法制備MoS2/MWCNTs雜化電極。因?yàn)镸oS2和MWCNTs的協(xié)同作用，雜化對(duì)電極展現(xiàn)出非凡的電化學(xué)性能。用MoS2/MWCNTs雜化材料作為DSSC的對(duì)電極電池展現(xiàn)出了和基于Pt對(duì)電極的DSSC相當(dāng)?shù)墓怆娦阅?，這說(shuō)明這種雜化材料有希望成為DSSC中無(wú)Pt對(duì)電極的一種選擇。
　?。?）利用導(dǎo)電性能和催化性能良好的聚(3,4-亞乙二氧基

6、噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)，PEDOT:PSS）為基底材料。首先通過(guò)對(duì)H2SO4的濃度以及PEDOT:PSS薄膜的厚度的優(yōu)化，得到以PEDOT:PSS薄膜為對(duì)電極的DSSC的最佳效率為7.13%。將通過(guò)犧牲模板法制備的Pt-Co或Pt-Ni空心納米微球分別沉積到PEDOT:PSS為基底材料上后，DSSCs的PCE得到了進(jìn)一步提高

7、，分別可達(dá)到9.02%和8.23%，高于在相同條件下，以Pt為對(duì)電極材料的DSSC。
　?。?）通過(guò)簡(jiǎn)單的原位聚合法制備了PEDOT和Fe3O4納米顆粒的復(fù)合物薄膜并用做DSSC的對(duì)電極。當(dāng)聚合前驅(qū)液中Fe3O4的含量從0mg/ml增至3mg/ml時(shí)，對(duì)電極的催化性能隨著Fe3O4的含量變化。當(dāng)聚合前驅(qū)液中Fe3O4濃度為2mg/ml時(shí)，電池的性能最好，PCE值達(dá)到8.69%，比基于Pt對(duì)電極的DSSCs的8.38%略高。

8、　?。?）制備了具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的TiO2納米球代替?zhèn)鹘y(tǒng)TiO2納米球作為介孔層材料，這種三維結(jié)構(gòu)的TiO2更有利于電荷的定向傳輸，和光的散射，光電流密度得到優(yōu)化，電池效率可達(dá)15.42%。而后，又利用NbCl5、正丁醇鋁和MgO的醇溶液進(jìn)一步修飾，抑制電子復(fù)合，提高了電池的開(kāi)路電壓和填充因子，進(jìn)一步將效率提高到17.10%。
　　（5）采用簡(jiǎn)單的水熱合成方法，制備了Zn2SnO4（ZTO）單晶，并用于MPSC中。ZTO單晶的粒度和形