染料敏化太阳能电池和超级电容器中的金属硫化物电极

作     者：韩乾戟 

作者单位：河北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武明星

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：金属硫化物 染料敏化太阳能电池 超级电容器 电极材料 

摘      要：新能源和储能材料的开发成为科研工作者的研究焦点。作为一种新型太阳能电池,染料敏化太阳能电池因其环境友好、工艺简单和原材料丰富而被广泛关注,而开发廉价高效的对电极取代昂贵Pt电极一直是该领域的研究热点。在新型储能器件中,超级电容器由于其容量大、功率密度大和寿命长等优点,在汽车、手机、电脑等领域具有广阔的应用前景。开发高效的电容器电极材料则是该领域的研究核心。针对上述问题,本文为染料敏化太阳能电池和超级电容器中合成了一系列金属硫化物电极材料以寻求更好的光电转换效果和储能效果。利用溶剂热法,根据液-溶液-固反应机理,通过调控反应温度与时间,成功合成了PbS、AgS、CuS、CdS和ZnS五种金属硫化物的纳米颗粒。利用XRD、XPS、SEM、TEM及N吸附-脱附实验表征了这几种硫化物的晶型结构、表面组成、内部结构、表面形貌、粒径等性质。在染料敏化太阳能电池体系中,PbS、AgS、CuS这三种材料对有机硫化物电对的循环再生表现出较高的电极活性,电池效率达PbS(6.49%)、AgS(6.11%)和CuS(5.29%),明显超过基于Pt对电极的电池效率(3.86%);与此相反,基于CdS和ZnS对电极的电池效率只有2.45%和1.76%。循环伏安结果表明PbS、AgS、CuS呈现较低的还原电位、较高的峰电流密度和较窄的峰间距,说明这三种硫化物材料具有较好的催化活性和电极可逆性。此外,电化学阻抗和Tafel极化曲线实验表明这三种材料表现出较低的传荷电阻、扩散阻抗以及较高的交换电流密度,再次证明了PbS、AgS、CuS的高催化活性。在超级电容器体系中,通过循环伏安、恒流充放电、交流阻抗以及循环稳定性测试对这五种金属硫化物作电极材料在1 M硫酸钠电解液中的电容行为进行了表征。其中PbS的比容量最高,达到303.84 F·g,其次是CuS(166.05 F·g)、CdS(153.65 F·g)、AgS(35.10 F·g)、ZnS(21.60 F·g)。然而PbS、CuS和CdS的容量衰减得较快,容量保持率较低,循环1000次后的容量保持率分别为19.73%、13.51%和15.42%。然而AgS和ZnS的比容量相对较小,但是循环1000次后容量保持率分别达到92.54%和89.80%。综上,本研究为染料敏化太阳能电池和超级电容器开发了一系列金属硫化物电极材料,其中PbS和CuS在上述能量转化和储能器件中均表现出优异的性能,其中PbS和CuS在超级电容器的稳定性仍需进一步提高。本研究有效降低了染料敏化太阳能电池的成本并丰富了超级电容器材料的研究内容。