釕系合金對電極的制備及其染料敏化太陽能電池的性能研究.pdf

1、對電極是染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC)的重要組成部分，主要功能是催化電解質中I3-還原為I-，同時收集并傳遞外電路電子。因此，對電極材料的導電性、電催化活性及穩(wěn)定性顯著影響著整個電池器件的光伏性質。傳統(tǒng)對電極常采用導電材料表面鍍鉑，因鉑具有良好的電導率、電催化活性及化學穩(wěn)定性;然而，鉑是貴金屬，在自然界的儲量有限，不利于由鉑對電極組裝的DSSC實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。尋找性能優(yōu)異且可替

2、代Pt的新材料，降低對電極材料成本具有重要科學意義。本論文系統(tǒng)研究了氧化石墨烯/聚苯胺(GO/PANi)復合材料、鉑-釕(Pt-Ru)合金、釕-硒(Ru-Se)合金等對電極的制備及其對DSSC光伏性能的影響。
　　層層自組裝是制備優(yōu)異電學、電化學性質納米結構的簡單方法。在此，我們研究了層層自組裝PANi-(GO/PANi)n導電多層膜的電學及電化學行為，研究結果表明導電多層膜的生長方式為均勻線性生長，且每雙層膜厚度基本一致;在硫酸

3、電解質中氧化還原反應動力學受擴散過程控制;導電多層膜的電導率與組裝雙層數(shù)呈線性關系，表明組裝過程中表面電荷積累隨組裝雙層數(shù)增加而線性增加，表現(xiàn)出電子隧穿效應。導電多層膜對I-/I3-電解質的催化活性隨著組裝雙層數(shù)的增加而提高，氧化還原反應中的電荷轉移動力學過程受膜內電荷擴散作用所控制。將PANi-(GO/PANi)n導電多層膜作為對電極應用于DSSC，當組裝雙層數(shù)為1時，PANi-(GO/PANi)1對電極組裝的DSSC測得6.37％的

4、光電轉換效率，而使用雙層數(shù)為4的對電極組裝的DSSC的光電轉換效率為7.41％。自組裝技術為制備高效率DSSC提供了新途徑，將其應用于DSSC有望刷新電池效率記錄。
　　碳材料和導電聚合物在原材料來源、制備工藝等方面具有優(yōu)勢，在DSSC對電極領域應用也取得一定成果。但與金屬材料相比，此類材料的導電能力仍有待提高。鑒于燃料電池領域合金電催化材料所取得的優(yōu)秀成果，我們采用低溫水熱法制備Pt-Ru合金對電極，并用于組裝DSSC研究電池光

5、伏性質。SEM觀察結果表明Pt∶Ru=1∶3時，PtRu3合金呈現(xiàn)均勻的納米棒結構，這種結構可為I-/I3-反應的發(fā)生提供更多的活性面積，使PtRu3合金具有更高的電催化活性。采用電化學方法(CV、EIS、Tafel)分析Pt-Ru合金對電極的電催化性能，結果表明，對于I-/I3-電解質，PtRu3合金對電極具有比Pt對電極更優(yōu)的電催化活性和化學穩(wěn)定性。由PtRu3合金對電極組裝的DSSC的光電轉換效率為6.8％，高于基于Pt對電極的D

6、SSC的效率(6.17％)。
　　提高光捕獲率有利于提高DSSC的能量轉換效率。過渡金屬硒化物具有獨特的電子結構，我們采用低溫水熱法合成透明Ru-Se合金對電極。SEM觀察結果表明Ru0.33Se合金呈現(xiàn)均勻的介孔結構，這種結構可為I-/I3-提供更多傳輸通道，為氧化還原反應提供更大的反應面積。電化學測試結果表明Ru-Se合金對電極對I-/I3-的電催化活性優(yōu)于Pt對電極。紫外-可見光譜測試結果表明Ru-Se合金對電極具有良好的透

7、光性。將透明Ru-Se合金對電極組裝成雙面DSSC，探究入射光分別從正面、背面和雙面同時照射時DSSC的光伏性質。研究結果表明，入射光從正面和背面入射時，由Ru0.33Se合金對電極組裝的DSSC的光電轉換效率分別為8.76％和5.90％。雙面同時照射DSSC，較之Pt對電極組裝的電池，基于Ru-Se合金對電極DSSC的最大輸出功率有明顯提高。由對電極入射的光能補償從TiO2光陽極入射的光損失，致使染料分子光捕獲率顯著提高，染料激發(fā)更高