高效低成本氧化鎢及碳電極材料的開(kāi)發(fā)及在新型薄膜太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cells，DSCs)和有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(Perovskite solar cells，PSCs)由于具有制作工藝簡(jiǎn)單，理論能量轉(zhuǎn)化效率高，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N新型薄膜太陽(yáng)能電池。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)科學(xué)家的不斷努力，目前DSCs和PSCs的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)分別達(dá)到了13％和19％。
　　DSCs中的對(duì)電極和PSCs中的背電極是整個(gè)光伏器件結(jié)構(gòu)

2、中重要的組成部分，除了形成整個(gè)電池回路的作用之外，它們分別起著催化還原電解質(zhì)中氧化態(tài)組分和收集空穴的作用。DSCs對(duì)電極催化材料通常為Pt，PSCs背電極通常為Au或者Ag。然而，這些材料的使用存在諸多問(wèn)題。首先，Pt、Au、Ag是貴金屬，價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量有限，勢(shì)必影響到未來(lái)的大規(guī)模生產(chǎn)。其次，Pt對(duì)電極易被DSCs電解質(zhì)中的I-/I3-腐蝕，而Ag背電極在PSCs中容易被有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦腐蝕，因此影響了DSCs和PSCs的穩(wěn)定性。為了提

3、高穩(wěn)定性以及降低DSCs、PSCs成本，需要開(kāi)發(fā)出高效、低成本、耐腐蝕的非貴金屬對(duì)電極和背電極材料。同時(shí)需要深入研究電池材料在器件中的作用和催化機(jī)制以及影響因素，以便為新材料的開(kāi)發(fā)提供一定理論的指導(dǎo)意義。
　　本論文首先開(kāi)發(fā)了新型高效低成本的氧化鎢對(duì)電極，從化學(xué)組成、形貌、表面結(jié)構(gòu)三個(gè)重要的角度深入研究了其對(duì)催化和DSCs性能的影響機(jī)制。為了進(jìn)一步降低電池的成本、提高穩(wěn)定性，成功制備了基于廉價(jià)碳材料的Pt-free和ITO-fre

4、e的柔性對(duì)電極并研究了其在擬固態(tài)電解質(zhì)中的催化和DSCs性能。同時(shí)將上述廉價(jià)碳材料經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的溶劑交換法，制備了適合有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池體系的低溫導(dǎo)電碳漿，從而成功構(gòu)建了基于碳背電極的HTM-free和Metal-free的介觀異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和平板異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并詳細(xì)研究了兩種器件的光電性能、界面電子-空穴分離與收集、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等問(wèn)題。本論文的主要研究成果如下:
　?。ㄒ唬┭趸u納米材料的開(kāi)發(fā)及在DSCs中的

5、應(yīng)用研究
　　(1)開(kāi)發(fā)了新型WO2.72對(duì)電極催化材料，與已報(bào)道的非鉑對(duì)電極不同，WO2.72對(duì)電極在四種氧化還原電對(duì)中均表現(xiàn)出較好的催化和較高的DSCs性能，并發(fā)現(xiàn)了對(duì)電極與不同氧化還原電對(duì)之間存在著匹配關(guān)系。
　　(2)采用簡(jiǎn)單的、無(wú)模板溶劑熱法可控合成了一維納米線WO2.72。與三維多級(jí)結(jié)構(gòu)相比，納米線對(duì)電極具有兩大突出特點(diǎn):一是納米線沿[010]晶向高度擇優(yōu)生長(zhǎng)，有利于電子的快速傳導(dǎo)和活性位點(diǎn)暴露;二是納米線交織形

6、成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于氧化還原電對(duì)的接觸和擴(kuò)散。因此，一維納米線結(jié)構(gòu)不但對(duì)I-/I3-電對(duì)表現(xiàn)出類(lèi)鉑的催化和DSCs性能并且對(duì)體積較大、擴(kuò)散較慢的鈷配合物和二茂鐵電對(duì)也表現(xiàn)出較好的催化和DSCs性能。
　　(3)進(jìn)一步深入研究了WO2.72納米線的催化活性位點(diǎn),發(fā)現(xiàn)表面氧空位是I-/I3-電對(duì)還原反應(yīng)有效的催化活性位點(diǎn)。WO2.72 NWs對(duì)電極中表面氧空位被填充后，由其組裝的DSCs的PCE明顯下降。
　?。ǘ┨急畴姌O的開(kāi)發(fā)

7、及在HTM-free和Metal-free異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(HJ-PSCs)中的應(yīng)用研究
　　(1)開(kāi)發(fā)了低溫即可制備的高性能碳背電極，并詳細(xì)考察了碳背電極膜厚對(duì)其導(dǎo)電性和由其制備的PSCs光電性能的影響，研究了界面電子-空穴分離與收集，并研究了該種器件結(jié)構(gòu)能夠大幅改善器件耐久性的要因。研究發(fā)現(xiàn)該種碳背電極表面具有疏水性，可以有效抵御外部水分子對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦三維晶體結(jié)構(gòu)的破壞。該種電池在空氣和高濕度環(huán)境中均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)

8、定性，在空氣中該種電池2000小時(shí)后未觀察到光電性能有明顯的劣化。上述研究結(jié)果為鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)研究、耐久性改善和應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
　　(2)進(jìn)一步成功構(gòu)建了全低溫溶液法制備的ZnO/CH3NH3PbI3/C平板異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(planar heterojunction perovskite solar cells，PHJ-PSCs)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及光電性能進(jìn)行了研究。不僅剛性器件的能量轉(zhuǎn)化效率與已報(bào)道的基于Au背電極