钌系合金对电极的制备及其染料敏化太阳能电池的性能研究

【摘要】：对电极是染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)的重要组成部分,主要功能是催化电解质中I3-还原为I-,同时收集并传递外电路电子。因此,对电极材料的导电性、电催化活性及稳定性显著影响着整个电池器件的光伏性质。传统对电极常采用导电材料表面镀铂,因铂具有良好的电导率、电催化活性及化学稳定性：然而,铂是贵金属,在自然界的储量有限,不利于由铂对电极组装的DSSC实现大规模工业化生产。寻找性能优异且可替代Pt的新材料,降低对电极材料成本具有重要科学意义。本论文系统研究了氧化石墨烯／聚苯胺(GO/PANi)复合材料、铂-钌(Pt-Ru)合金、钌-硒(Ru-Se)合金等对电极的制备及其对DSSC光伏性能的影响。层层自组装是制备优异电学、电化学性质纳米结构的简单方法。在此,我们研究了层层自组装PANi-(GO/PANi)n导电多层膜的电学及电化学行为,研究结果表明导电多层膜的生长方式为均匀线性生长,且每双层膜厚度基本一致；在硫酸电解质中氧化还原反应动力学受扩散过程控制;导电多层膜的电导率与组装双层数呈线性关系,表明组装过程中表面电荷积累随组装双层数增加而线性增加,表现出电子隧穿效应。导电多层膜对I-/I3-电解质的催化活性随着组装双层数的增加而提高,氧化还原反应中的电荷转移动力学过程受膜内电荷扩散作用所控制。将PANi-(GO/PANi)n导电多层膜作为对电极应用于DSSC,当组装双层数为1时,PANi-(GO/PANi)i对电极组装的DSSC测得6.37%的光电转换效率,而使用双层数为4的对电极组装的DSSC的光电转换效率为7.41%。自组装技术为制备高效率DSSC提供了新途径,将其应用于DSSC有望刷新电池效率记录。碳材料和导电聚合物在原材料来源、制备工艺等方面具有优势,在DSSC对电极领域应用也取得一定成果。但与金属材料相比,此类材料的导电能力仍有待提高。鉴于燃料电池领域合金电催化材料所取得的优秀成果,我们采用低温水热法制备Pt-Ru合金对电极,并用于组装DSSC研究电池光伏性质。SEM观察结果表明Pt:Ru=1:3时,PtRU3合金呈现均匀的纳米棒结构,这种结构可为I-/I3-反应的发生提供更多的活性面积,使PtRu3合金具有更高的电催化活性。采用电化学方法(CV、 EIS、Tafel)分析Pt-Ru合金对电极的电催化性能,结果表明,对于I-/I3-电解质,PtRu3合金对电极具有比Pt对电极更优的电催化活性和化学稳定性。由PtRu3合金对电极组装的DSSC的光电转换效率为6.8%,高于基于Pt对电极的DSSC的效率(6.17%)。提高光捕获率有利于提高DSSC的能量转换效率。过渡金属硒化物具有独特的电子结构,我们采用低温水热法合成透明Ru-Se合金对电极。SEM观察结果表明Ru0.33Se合金呈现均匀的介孔结构,这种结构可为I-/I3-提供更多传输通道,为氧化还原反应提供更大的反应面积。电化学测试结果表明Ru-Se合金对电极对I-/I3-的电催化活性优于Pt对电极。紫外-可见光谱测试结果表明Ru-Se合金对电极具有良好的透光性。将透明Ru-Se合金对电极组装成双面DSSC,探究入射光分别从正面、背面和双面同时照射时DSSC的光伏性质。研究结果表明,入射光从正面和背面入射时,由Ru0.33Se合金对电极组装的DSSC的光电转换效率分别为8.76%和5.90%。双面同时照射DSSC,较之Pt对电极组装的电池,基于Ru-Se合金对电极DSSC的最大输出功率有明显提高。由对电极入射的光能补偿从Ti02光阳极入射的光损失,致使染料分子光捕获率显著提高,染料激发更高效。稳定性测试结果表明由透明Ru-Se合金对电极组装的双面电池表现出快速的开关响应、良好的多重启动功能、较低的电子复合和优异的光电稳定性能,在发动机、汽车和电源等领域中具有潜在的应用价值。

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