染料敏化太陽(yáng)能電池高效穩(wěn)定電解質(zhì)及低成本對(duì)電極研究.pdf

1、作為一種典型的第三代光伏器件，染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cell，DSC)具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能電池之一。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)科研工作者二十多年的努力，DSC能量轉(zhuǎn)換效率目前已達(dá)13.0％。但是，DSC還存在穩(wěn)定性差、成本高等問(wèn)題，制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為了解決上述問(wèn)題，本論文以制作高效、高穩(wěn)定性和低成本的DSC為目標(biāo)，圍繞開(kāi)發(fā)新型高效高穩(wěn)定性電解質(zhì)和設(shè)計(jì)合成低成本對(duì)電

2、極材料及其與器件性能間的構(gòu)效關(guān)系展開(kāi)系統(tǒng)研究，考察材料形貌和晶型對(duì)DSC光電性能的影響機(jī)制，并詳細(xì)研究了非Pt對(duì)電極催化材料對(duì)電解質(zhì)中不同氧化還原電對(duì)的催化性能。此外，利用海帶這一生物質(zhì)材料制備了DSC各關(guān)鍵組成部分，設(shè)計(jì)構(gòu)建了全天然DSC器件。
　　首先，我們開(kāi)發(fā)制備了三種新型高效、高穩(wěn)定的電解質(zhì):
　　(1)通過(guò)溶液聚合法合成了高分子交聯(lián)劑-聚醋酸乙烯酯(PVAc)，制備了基于PVAc的擬固態(tài)電解質(zhì)并將其組裝成擬固態(tài)DS

3、C。研究結(jié)果表明，擬固態(tài)DSC可達(dá)到與液態(tài)DSC相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換效率，并具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　(2)將多種新型雙乙二酸硼酸鹽離子液體（BOB離子液體）作為添加劑引入液態(tài)電解質(zhì)體系中，獲得了8.73％的能量轉(zhuǎn)換效率，并系統(tǒng)研究了離子液體結(jié)構(gòu)對(duì)電池光電性能的影響機(jī)制。此外，將該類(lèi)添加劑引入到純離子液體電解質(zhì)體系中，電池效率獲得大幅提高，并展示出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　(3)研究了利用I-/I2-·作為氧化還原電對(duì)的無(wú)碘（單質(zhì)

4、）電解質(zhì)體系。通過(guò)電化學(xué)方法證實(shí)了其可行性，系統(tǒng)研究了濃度、溶劑、光陽(yáng)極及隔離層厚度對(duì)電池性能的影響，優(yōu)化后獲得了與傳統(tǒng)電解質(zhì)相近的能量轉(zhuǎn)換效率8.82％，并證實(shí)了此種新型無(wú)碘電解質(zhì)具有良好的普適性。
　　其次，通過(guò)水熱法合成了三種花狀多級(jí)結(jié)構(gòu)鐵基氧化物α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4，將其用于DSC對(duì)電極，系統(tǒng)研究了形貌和晶型對(duì)DSC光電性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，三種氧化物中Fe3O4具有最佳的催化性能，優(yōu)化后電池

5、器件獲得7.80％的能量轉(zhuǎn)換效率，與濺射Pt組裝的電池器件效率相當(dāng)。利用生物質(zhì)材料——松脂合成了C/Fe3O4復(fù)合催化材料，并將其應(yīng)用于DSC對(duì)電極，研究結(jié)果表明:復(fù)合催化材料較復(fù)合前具有更佳的導(dǎo)電性和催化活性，組裝的DSC具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率(8.11％)。
　　再次，從海洋植物——海帶中提取得到DSC所用的多種必要材料，包括染料、氧化還原電對(duì)和對(duì)電極。利用海帶碳作為對(duì)電極組裝的DSC獲得了7.82％的能量轉(zhuǎn)換效率。利用其生物

6、質(zhì)模板的特性，在低溫下制備的海帶碳/Fe3O4復(fù)合材料組裝的DSC對(duì)比復(fù)合前能量轉(zhuǎn)換效率提高了24.2％。最后，構(gòu)建的全天然DSC器件也獲得了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
　　最后，通過(guò)多種電化學(xué)方法，系統(tǒng)研究了對(duì)電極催化材料對(duì)有機(jī)氧化還原電對(duì)(T-/T2，Co2+/Co3+)的催化性能。研究結(jié)果表明，一些非Pt類(lèi)催化材料，如OMC-WC、WC、TiC、NbO2等均在上述電對(duì)體系中表現(xiàn)出優(yōu)于Pt的催化性能，使相應(yīng)DSC的效率得到大幅提高。