介觀太陽能電池對電極的制備及電池性能優(yōu)化.pdf

1、介觀太陽能電池（mesoscopic solar cell，MSC）是一種新型太陽能電池。它擁有一種獨特的介孔結(jié)構(gòu)，這種介孔結(jié)構(gòu)使得這類電池相比其他類型太陽能電池而言，具有更大的表面積，從而有利于捕獲更多的光子，產(chǎn)生較大的光電流。
　　染料敏化納米晶太陽能電池（Dye-sensitized solar cells，DSSC）是一類典型的介觀太陽能電池。通常，它們采用納米晶介孔二氧化鈦（TiO2）半導(dǎo)體材料作為電子收集電極。這種基于

2、納米材料的介孔電極比表面積可高達(dá)285m2/g,是非介孔電極的780倍。迄今為止，基于此類介孔電極的介觀太陽能電池器件最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過15％。如此高的光電轉(zhuǎn)換效率使得這類太陽能電池幾乎可以與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相媲美。不僅如此，介觀太陽能電池相比于硅基太陽能電池而言，具有制備工藝更加簡單、原料價格更加低廉、材料來源更加廣泛等特點。這些特點都是新一代低成本清潔能源的必備要素，因此，介觀太陽能電池在發(fā)展前景上具有比硅基太陽能電池更大

3、的應(yīng)用潛力。
　　一般來說，DSSC按其電解質(zhì)狀態(tài)可分為兩種：一種為液態(tài)DSSC；另一種為固態(tài)DSSC。其中，液態(tài)DSSC通常采用鉑作為對電極，而固態(tài)DSSC通常采用金作為對電極。盡管DSSC的制備成本已經(jīng)比硅基太陽能電池要低，但這種貴金屬電極不管是從材料價格上來講還是從制備工藝上來考慮，都在一定程度上阻礙了DSSC成本的進(jìn)一步降低。而如果能找到一種更廉價的材料來替代其中的金屬對電極，將會使DSSC成為一種真正意義上的低成本太陽能

4、電池。
　　本論文針對DSSC中貴金屬電極所存在的材料成本高、制備工藝復(fù)雜等弊端，開發(fā)了一系列基于有機(jī)聚合物材料（聚3，4乙烯二氧噻吩，PEDOT）、無機(jī)化合物材料（硫化鎳，NiS）以及碳材料（C）的對電極，并將這些電極應(yīng)用在基于不同電解質(zhì)的DSSC中。此外，通過對對電極的優(yōu)化和對DSSC制備工藝的改良，獲得了較為理想的器件效率。這類基于非貴金屬電極材料電極的開發(fā)與應(yīng)用，為今后低成本DSSC的發(fā)展提供了一種可行的思路。本論文的主要

5、內(nèi)容包括：
　　（1）利用電聚合方法制備出了高催化性能的PEDOT電極。通過對聚合電量的調(diào)控，制備出了不同厚度的PEDOT對電極，并將其應(yīng)用在基于碘體系電解質(zhì)的DSSC中。電化學(xué)阻抗分析（EIS）及循環(huán)伏安（CV）測試結(jié)果表明，PEDOT電極聚合電量越多，其催化活性越好。經(jīng)過對電池各部分的優(yōu)化，采用200mC/cm2聚合電量條件下制備出的PEDOT200mC電極作為對電極，基于碘體系電解質(zhì)的DSSC器件的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)7.60％

6、，與同等條件下以Pt作為對電極的電池器件效率（7.87％）相當(dāng)。（2）以介孔無機(jī)氧化物TiO2做為支架結(jié)構(gòu)，通過在氧化物孔道結(jié)構(gòu)中聚合PEDOT制備出了一種新型PEDOT/TiO2復(fù)合電極，并將其應(yīng)用在基于無機(jī)硫體系電解質(zhì)的硫化鎘（CdS）量子點敏化DSSC中。EIS結(jié)果表明，這種PEDOT/TiO2復(fù)合電極在無機(jī)硫電解質(zhì)中具有比單純PEDOT電極更高的催化活性。此外，采用電化學(xué)方法替代傳統(tǒng)的連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法優(yōu)化了CdS量子點的生長

7、，并最終獲得了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)1.87％的CdS敏化DSSC。
　?。?）針對PEDOT電極可通過控制聚合電量的多少來調(diào)控電極的厚度，利用Bis-EDOT二聚體，降低PEDOT電極制備的聚合電壓，制備出了均勻透明的PEDOT對電極，其透光度可高達(dá)90％以上。將此透明對電極應(yīng)用于有機(jī)硫電解質(zhì)（AT-/BAT）中，組裝出了一種新型雙面DSSC。該雙面DSSC的背面照射時光電轉(zhuǎn)化效率為4.35％，達(dá)正面照射時光電轉(zhuǎn)化效率的70％以上。

8、r>　?。?）采用一種新型脈沖電壓沉積法制備出具有高催化活性的透明NiS對電極。掃描電子顯微鏡及電子能譜測試分析表明，通過不同脈沖周期的調(diào)控，不僅可以調(diào)控NiS對電極中NiS的顆粒大小，還可以控制其中Ni原子與S原子的比例。進(jìn)一步的EIS、CV測試表明，S元素的增加能夠提高NiS對電極在有機(jī)硫電解質(zhì)（ET-/BET）的催化活性。最終，組裝出了基于此種透明NiS對電極的雙面DSSC。該雙面DSSC的背面照射時光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)4.98％，達(dá)

9、正面照射時光電轉(zhuǎn)化效率的78％。
　?。?）在基于鈣鈦礦類吸光材料（碘鉛甲胺，CH3NH3PbI3）的介觀太陽能電池中，首次引入碳材料電極。采用一種碳單基板結(jié)構(gòu)，成功制備出了CH3NH3PbI3/TiO2異質(zhì)結(jié)介觀太陽能電池。通過對單基板膜厚的調(diào)控及對碳電極的優(yōu)化，我們制備出了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)6.64％的碳單基板電池器件。在此基礎(chǔ)之上，采用片狀TiO2納米晶材料替代顆粒狀TiO2納米晶材料，進(jìn)一步提升了器件效率。EIS分析表明，Ti