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mnpt/MoS2纳米颗粒在染料敏化太阳能电池对电极中的应用

MnPt/MoS2纳米颗粒在染料敏化太阳能电池对电极中的应用

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作者：苗靖晗哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

当今世界能源紧张,可再生能源的研究和发展已经受到了广泛关注,可再生能源包括风能、水能、太阳能和生物燃料等,在这些能源当中,太阳能是最值得利用的一个。太阳能电池,或光伏电池,通过光电效应将太阳光直接转化为电能。太阳能资源充足... 详细信息

当今世界能源紧张,可再生能源的研究和发展已经受到了广泛关注,可再生能源包括风能、水能、太阳能和生物燃料等,在这些能源当中,太阳能是最值得利用的一个。太阳能电池,或光伏电池,通过光电效应将太阳光直接转化为电能。太阳能资源充足、清洁、安全,光伏技术成本低廉,综合以上优点,太阳能电池是目前最有前途的新能源技术。太阳能电池发展到目前共有三代,第一代太阳能电池是(硅)元素太阳能电池,第二代电池是化合物太阳能电池,第三代电池主要包括染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机电池和量子点电池。在第三代太阳能电池中,染料敏化太阳能电池最受关注并且被认为是最有前景的太阳能电池。它有很多无法替代的优势,比如制备简单、成本低廉、环境友好以及能源回收时间短(小于一年)等,并且对材料的纯度要求也更低,这意味着不需要进行在真空和高温条件下的操作就可制作染敏电池。对电极是染料敏化太阳能电池的重要组分,主要承担三个任务:(1)作为催化剂,催化还原反应的进行;(2)作为原电池的正极,将从外电路流回的电子收集起来,送至电池内部,完成电池内的循环;(3)作为一面镜子,将阳极没能吸收的光反射回阳极,增加光的利用率。本论文针对染料敏化太阳能电池的对电极进行探究,通过制备一种层状纳米片基mnpt/MoS纳米颗粒作为对电极材料,探究得到的电池性能。其层状纳米片基纳米颗粒结构为由MoS纳米片穿插组合而成的纳米颗粒,该结构具有超高的比表面积和大量的MoS片层边缘,其片层边缘悬挂键则是催化反应的重要活性位点。在制备过程中,先通过化学法制备得到含Mo的有机-无机复合纳米线前驱体,再通过水热方法得到层状纳米片基MoS纳米颗粒和Mn/MoS纳米颗粒。最后通过化学还原将Pt负载在纳米颗粒表面。制备前驱体的作用是控制MoS纳米颗粒的尺寸和促进反应的进行,有机成分可促进前驱体的溶解,避免产物MoS包覆在Mo源外抑制反应;Mn的掺入可以使MoS产生更多缺陷,Mn会进入MoS晶格中,使Mn原子本身和周围的S原子均成为反应的活性位点,且将半导体特性的2H结构MoS转化为导体特性的1T结构;Pt纳米颗粒在Mn/MoS表面负载,金属与MoS间会产生协同催化作用,既能提高材料的催化性能,又能减少贵金属的使用量。本文将市售块体MoS、层状纳米片基MoS纳米颗粒、不同掺Mn浓度的层状纳米片基Mn/MoS纳米颗粒和不同掺Pt浓度的层状纳米片基mnpt/MoS纳米颗粒均制成对电极并组装成染料敏化太阳能电池,其中未掺杂的层状纳米片基MoS纳米颗粒对电极得到的效率为3.84%,高于市售块体MoS对电极的1.57%;掺Mn对电极中当掺杂浓度为10%时有最高效率5.42%;在Mn浓度10%的基础上进行mnpt共掺,在Pt浓度10%时得到最高效率6.68%,传统Pt电极对照组的效率为7.48%。且通过EIS测试得到掺Mn后对电极的荷转电阻(1.1-2.0Ω)接近Pt电极(0.73Ω),与未掺杂的MoS(4.5-5.7Ω)相比有很大提升。

关键词： MoS2 mnpt共掺对电极染料敏化太阳能电池

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