金属硫化物/碳柔性复合薄膜的制备及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

作     者：裴晴晴 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈增

授予年度：2018年

学科分类：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：量子点敏化太阳能电池 复合对电极 碳纳米管 金属硫化物 

摘      要：近年来,柔性量子点敏化太阳能电池具有质量轻、可以弯曲和便于携带等优点而被被广泛研究。钛网具有导电性能好、化学稳定性高、材料柔性以及耐高温等优点被选作对电极的基底。碳材料(活性碳、碳纳米管、介孔碳和石墨烯等)具有制备简单、稳定性能好和成本低等优点,因此被选做催化活性材料制备对电极应用在量子点敏化太阳能电池中。金属硫化物(PbS、CuS、CoS和NiS)在多硫电解液体系中有着较高的电催化活性,是一种极佳的对电极材料。金属硫化物/碳复合对电极可能具有碳和金属硫化物两者共同的优点,协同作用提高对电极的催化活性。据此,本论文以制备柔性复合对电极为出发点,以Ti网为基底支撑CNT材料,制备了CNT/Ti柔性对电极,并在CNT/Ti柔性薄膜上修饰金属硫化物(PbS和CuS),制备一系列的柔性复合对电极(PbS/CNT和CuS/Ti),并将其应用在QDSSCs进行系统的研究,金属硫化物/CNT柔性复合对电极展现出极高的电催化活性,原因是金属硫化物和CNT协同作用,共同催化S的还原,提高催化性能。此外,我们还合成了介孔碳材料(N-MC)制备N-MC/Ti柔性对电极,并在N-MC/Ti柔性薄膜上修饰金属硫化物(PbS和CuS),制备复合对电极(PbS/N-MC/Ti和CuS/N-MC/Ti),具体内容如下:1.首先以Ti网作为导电基底,制备CNT/Ti柔性对电极,通过SEM和TEM测试研究对电极形貌,研究发现,CNT/Ti薄膜光滑且平整。并采用连续离子吸附与反应(SILAR)的方法在CNT/Ti膜上修饰PbS量子点,制备nPbS-CNT/Ti(n表示SILAR处理的循环次数)复合对电极。通过控制SILAR处理的循环次数,在CNT/Ti薄膜表面沉积不同量的PbS量子点。对复合对电极进行电化学阻抗(EIS)、塔菲尔(Tafel)极化测试和循环伏安(CV)测试,测试结果表明PbS量子点修饰提高了CNT/Ti对电极的电催化活性,促进了S离子的还原过程,降低了对电极/电解液界面电子转移电阻R。与CdS/CdSe量子点共敏化的TiO光阳极组装量子点敏化太阳能电池,研究发现,PbS量子点修饰可以显著改善电池的光电转换性能,提高电池的填充因子与开路光电压,当SILAR处理的循环次数为4次时,电池的光电转换效率(PCE)最佳,约为6.39%。2.采用连续离子吸附与反应(SILAR)的方法在CNT/Ti膜上修饰CuS,制备nCuS-CNT/Ti(n表示SILAR处理的循环次数)复合对电极。通过控制SILAR处理的循环次数,在CNT/Ti薄膜表面沉积不同量的CuS,CuS的SILAR次数控制在1次到8次之间。在CNT表面沉积了大量的CuS,这些Cu S团聚在一起分布在CNT之间的间隙孔中和CNT管壁的表面。对复合对电极进行电化学阻抗(EIS)和塔菲尔(Tafel)极化测试,测试结果表明CuS修饰提高了CNT/Ti对电极的电催化活性,促进了S离子的还原过程,降低了对电极/电解液界面电子转移电阻R。与CdS/CdSe量子点共敏化的TiO光阳极组装量子点敏化太阳能电池,研究发现,CuS修饰可以显著改善电池的光电转换性能,提高电池的填充因子与开路光电压,当SILAR处理的循环次数为7次时,电池的光电转换效率(PCE)最佳,约为6.22%。3.采用吡咯化学聚合的方法合成聚吡咯,碳化合成的聚吡咯制备N掺杂的介孔碳材料(N-MC),以Ti网为基底,制备N-MC/Ti柔性对电极。采用连续离子吸附与反应(SILAR)的方法在N-MC/Ti膜上分别修饰PbS和CuS,制备nPbS/N-MC/Ti复合对电极和nCuS/N-MC/Ti柔性复合对电极(n表示SILAR处理的循环次数)。通过控制SILAR处理的循环次数,在N-MC/Ti膜表面沉积不同量的PbS和CuS。与CdS/CdSe量子点共敏化的TiO光阳极组装量子点敏化太阳能电池,研究发现,PbS和CuS修饰都可以显著改善电池的光电转换性能,提高电池的填充因子、短路电流密度与开路光电压。