染料敏化太阳能电池用过渡金属氮化物—石墨烯复合对电极材料的研究

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染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种新型的太阳能电池,与传统硅太阳能电池相比具有成本低廉、制备工艺简单等优点。对电极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分,具有收集电子以及催化还原电解质的双重作用,所以对电极性能的优劣将直接影响染料敏化太阳能电池的整体性能。传统铂对电极虽然具有良好光电性能,但是由于铂资源稀少、价格昂贵,极大限制了染料敏化太阳能电池的进一步发展。因此,探索研究来源广、价格低廉、高光电性能的新型对电极材料来替代铂具有重要意义。   本论文旨在将过渡金属的氮化物的高电催化活性与石墨烯的高导电性进行良好的结合,将尽可能多的过渡金属氮化物纳米粒子均匀地分布到石墨烯表面,使材料具有大量的电催化活性位,达到电催化过程和电子传递过程的的有效协同,实现整体光电性能的提高。通过尝试不同合成方法,分别制备了氮化钼-石墨烯复合材料和氮化钛-石墨烯复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等测试仪器系统地对所制材料进行了表征,结果表明过渡金属氮化物纳米颗粒能够均匀地分布到石墨烯的表面上,具有良好的分散性;其中氮化钼-石墨烯复合材料中氮化钼纳米颗粒平均粒径为20~80 nm,由若干个晶粒聚集而成;而氮化钛-石墨烯复合材料中氮化钛多以20~50 nm的晶粒存在,团聚较少。将制备出的过渡金属氮化物与石墨烯复合材料采用涂膜到导电玻璃上,制备出对电极并组装成染料敏化太阳能电池。经光电以及电化学测试表明,制备出的氮化钼-石墨烯和氮化钛-石墨烯复合材料用于对电极具有良好的电催化活性和导电性,相应太阳能电池的最佳光电转换效率分别为5.84%和5.82%,接近铂电极的水平。通过电化学交流阻抗(EIS)等技术对两种复合材料对比分析显示,氮化钼本身具有较高的本征电催化活性,但在复合材料中其纳米级粒子易于团聚,而氮化钛虽然本征电催化活性不及氮化钼,但更易于分散在石墨烯表面,从而提供更多的催化活性位,因此,两者综合表现相当。  
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