染料敏化太陽能電池對電極材料硫化鎳-硫化鎘增強(qiáng)效應(yīng)的研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC)與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比有明顯的優(yōu)勢，具有原材料豐富，制備工藝簡單，且性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。自1991年O'Regan和Gr(a)tzel首次提出，就一直備受關(guān)注。而對電極作為DSSC的最重要組成部分之一，對電池效率起著至關(guān)重要的作用，其作用主要表現(xiàn)為兩點(diǎn):一是促進(jìn)I3-向I-的轉(zhuǎn)變，二是收集外電路中的電子流，從而促進(jìn)敏化劑的再生。因此，各界對于對電極材料的

2、研究也越來越廣泛。鉑由于其優(yōu)良的催化性能被廣泛應(yīng)用于對電極材料當(dāng)中，但其高昂的成本限制了DSSC的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，尋找價(jià)格低廉而性能優(yōu)異的鉑替代材料成為重中之重。過渡金屬化合物硫化鎳因其獨(dú)特的3d價(jià)電子層分布而具有較為優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能。此外，硫化鎳資源儲量豐富，易于制備，且成本低廉。因此，本文嘗試將納米結(jié)構(gòu)的NiS用于DSSC對電極材料當(dāng)中，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)采用溶劑熱法合成了兩種不同形貌的硫化鎳——高溫相

3、硫化鎳（α-NiS）和低溫相硫化鎳(β-NiS)。其中，α-NiS為納米顆粒狀，β-NiS為納米棒組裝的花狀結(jié)構(gòu)。兩種材料制備工藝相同，區(qū)別是通過變換溶劑得到了兩種形貌各異的NiS，并分別將兩種材料制備成對電極應(yīng)用于DSSC中。通過J-V和EIS測試得到兩對電極的光電轉(zhuǎn)換效率分別為5.2％(α-NiS)和4.2％(βNiS)，α-NiS的催化性能比βNiS提高了約20％。實(shí)驗(yàn)證明，α-NiS是較為理想的Pt替代材料，制備更高催化性能的N

4、iS以應(yīng)用到DSSC中是較有潛力的研究方向。
　　(2)高溫相NiS催化性能表現(xiàn)優(yōu)異，為了進(jìn)一步研究電極材料的表面形貌對電池效率的影響，本課題組通過優(yōu)化制備工藝，合成了空心狀NiS。仍然采用溶劑熱法，在無模板條件下，將1mmol的乙酸鎳和1mmol的硫代乙酰胺依次溶入到30mL無水乙醇中，一步合成了空心球狀NiS。在SEM觀察下，我們發(fā)現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)碎片，在進(jìn)行TEM表征時(shí)，我們觀察到樣品呈現(xiàn)中間薄、周圍厚的形貌，我們以此推測本實(shí)驗(yàn)中

5、所合成的樣品是空心狀的。隨后，通過刮膜、退火等一系列步驟制作成電極，經(jīng)J-V測試表征得知空心球NiS相比于前面微粒狀NiS轉(zhuǎn)換效率有所提高，高達(dá)6.9％，較顆粒狀α-NiS效率提高了32％，而Pt電極效率僅僅為6.75％。由此得出結(jié)論，對電極材料的比表面積是影響電池轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素，通過增大對電極材料的比表面積可以提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　(3)通過對電極材料提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率主要從以下方面考慮:一是提高對電

6、極材料的催化性能，二是增加對電極材料的電導(dǎo)率。CdS納米粒子催化性能良好，在光輻射下電導(dǎo)率明顯增加，因此，我們嘗試在NiS的基礎(chǔ)上引入CdS來提高對電極的性能。通過溶劑熱法分別制備了硫化鎳和硫化鎘納米材料，并將其混合材料用于染料敏化太陽能電池對電極。經(jīng)過測試比較，混合材料的轉(zhuǎn)換效率普遍高于單純的α-NiS(5.2％)，且當(dāng)摩爾比例為9∶1時(shí)，電極材料轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到6.6％。通過實(shí)驗(yàn)表明，引入新物質(zhì)也是提高對電極材料催化性能的一種重要