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在全球的环境和经济生活中，发展可再生能源以取代目前的发电方法对可持续发展极为重要。可直接转化为电能的清洁太阳能为光伏系统提供了理想的解决方案。然而，尽管硅基光伏(PV)设备的能量转化效率较高，但与传统方法相比，它们的生产工艺复杂，成本更高，且产量没有竞争力，因而发展受到阻碍。因此，在过去的二十年中，非硅替代品的开发已经呈现出相当大的发展势头，在学术界和工业界，其经济效益、实用性和可持续性都得到了提升。人们已经对包括全聚合物、小分子、聚无机纳米粒子杂化和染料敏化太阳能电池(DSSCs)在内的优秀光伏系统进行了深入的研究。
近年来，DSSCs以其价格低廉、制造方便、性能优良等优点引起了学术界和工业界的广泛关注。对电极是 DSSCs的一个重要组成部分，它的价格和质量直接影响电池的成本和效率。贵金属铂 Pt被认为是经典的对电极材料，因为 Pt电极具有良好的电催化性能、优良的导电性以及对还原I3-的电化学稳定性。然而，Pt稀有的储量和高昂的价格阻碍了以其为对电极的 DSSCs的大规模生产。因此，探索非 Pt有效电极材料对 DSSCs的产业化具有重要意义。本论文将重点研究几种高效、非铂电极材料的开发，并对其电催化性能进行分析。
金属氧化物和硫化物作为 DSSCs中对电极的合成和应用在以前的研究中已有报道。由于单一材料的导电性和催化活性较弱，相应 DSSCs的光电转化效率(PCE)并不理想。本论文的主要目标是获得具有较高催化性能的染料敏化太阳能电池对电极材料。通过添加碳纳米管、还原氧化石墨烯和氮掺杂还原石墨烯，对本研究中的关键材料，包括 Co3O4、SnO2、SnS2和 ZnS化合物进行了改性。然后采用常规方法制作DSSCs对电极，并对其光电特性进行了研究。
研究内容如下：
(1)无铂新型杂化对电极是 DSSCs的重要组成部分。越来越多的研究表明，过渡金属氧化物纳米颗粒可以作为 DSSCs中的对电极材料。然而，它们很容易被电解液腐蚀，导致循环伏安(CV)测试中三碘化物还原的催化活性和稳定性下降。多壁碳纳米管(MWCNTs)具有复杂的网状结构、特殊的比表面积和独特的中空结构，可作为对电极材料使用。电化学性能分析表明，与单独的 Co3O4纳米薄片相比，Co3O4纳米薄片和功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)包覆氮掺杂还原氧化石墨烯(Co3O4@f-MWCNTs@N-rGO)电极在电解质/电极界面上具有更低的电荷转移电阻(Rct)和更高的催化能力。基于此混合材料对电极的电池光电转换效率(PCE)达到了8.42%，高于相应 Pt对电极电池效率(PCE=7.81%)。此外，含 N-RGO的 Co3O4@f-MWCNTs复合材料对三碘离子的还原反应有很强的催化活性，在 CV实验中优于 Co3O4纳米片。
(2)采用一步水热法合成了 SnO2@SWCNTs@RGO纳米复合材料，并作为一种新的经济有效的非铂对电极用于 DSSCs中。对电极是在移液管的帮助下，利用刮片技术用纳米复合材料制备的。研究发现，这种纳米复合材料的电催化性能对三碘化物的还原表现出显著的电催化性能，当 SWCNTs分散在石墨烯片上时，其导电性能得到改善，说明与 SnO2纳米颗粒有协同效应。在循环伏安法(CV)分析中，SnO2@SWCNTs@RGO纳米复合对电极相比 SnO2和 SWCNTs对三碘化物的还原具有更稳定的催化活性。此外，相对于氧化石墨烯，纳米复合材料具有更高的效率和稳定性。
(3) SnS2纳米片易于团聚，导致电解质和纳米片接触面的电催化性能降低。因此，采用水热法将 SnS2纳米片锚定在功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)和还原氧化石墨烯(RGO)上，制备相应的对电极。SnS2@f-MWCNTs@RGO纳米复合物对三碘化物的还原具有显著的电催化活性。优异的化学稳定性来源于固定在f-MWCNTs上的SnS2(NFs)纳米片与高导电性 RGO的协同作用。以 SnS2@f-MWCNTs@RGO纳米复合物为对电极材料的 DSSCs获得了优异的的光电转化效率(8.7%)。这种新型的电极制备方法有望为能源应用领域的研究提供新的思路。
(4)设计并制备了一种锚定在氮掺杂官能化碳纳米管上并包覆氧化石墨烯(rGO)的ZnS量子点(QDs)。多壁碳纳米管(MWCNTs)具有交错的网络、特定的比表面积和独特的中空结构，可用作对电极材料。电化学性能显示，在电解液/对电极界面上 [email protected]@rGO复合材料对电极相对于 ZnS(QDs)量子点具有较低的电荷转移电阻(Rct)和更好的电催化活性。相应 DSSCs获得了9.4%的光电转化效率，高于以ZnS(QD)量子点、[email protected]、ZnS@rGO以及 Pt为对电极的电池效率。同时，以 [email protected]@rGO为对电极材料的 DSSCs填充因子(FF)也高于其他对电极。循环伏安和电化学阻抗谱测试结果表明 [email protected]@rGO薄膜能实现从电解液到对电极的快速电子转移，基于 [email protected]@rGO对电极的DSSCs对碘三离子的还原具有很强的电催化活性。
近年来，DSSCs以其价格低廉、制造方便、性能优良等优点引起了学术界和工业界的广泛关注。对电极是 DSSCs的一个重要组成部分，它的价格和质量直接影响电池的成本和效率。贵金属铂 Pt被认为是经典的对电极材料，因为 Pt电极具有良好的电催化性能、优良的导电性以及对还原I3-的电化学稳定性。然而，Pt稀有的储量和高昂的价格阻碍了以其为对电极的 DSSCs的大规模生产。因此，探索非 Pt有效电极材料对 DSSCs的产业化具有重要意义。本论文将重点研究几种高效、非铂电极材料的开发，并对其电催化性能进行分析。
金属氧化物和硫化物作为 DSSCs中对电极的合成和应用在以前的研究中已有报道。由于单一材料的导电性和催化活性较弱，相应 DSSCs的光电转化效率(PCE)并不理想。本论文的主要目标是获得具有较高催化性能的染料敏化太阳能电池对电极材料。通过添加碳纳米管、还原氧化石墨烯和氮掺杂还原石墨烯，对本研究中的关键材料，包括 Co3O4、SnO2、SnS2和 ZnS化合物进行了改性。然后采用常规方法制作DSSCs对电极，并对其光电特性进行了研究。
研究内容如下：
(1)无铂新型杂化对电极是 DSSCs的重要组成部分。越来越多的研究表明，过渡金属氧化物纳米颗粒可以作为 DSSCs中的对电极材料。然而，它们很容易被电解液腐蚀，导致循环伏安(CV)测试中三碘化物还原的催化活性和稳定性下降。多壁碳纳米管(MWCNTs)具有复杂的网状结构、特殊的比表面积和独特的中空结构，可作为对电极材料使用。电化学性能分析表明，与单独的 Co3O4纳米薄片相比，Co3O4纳米薄片和功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)包覆氮掺杂还原氧化石墨烯(Co3O4@f-MWCNTs@N-rGO)电极在电解质/电极界面上具有更低的电荷转移电阻(Rct)和更高的催化能力。基于此混合材料对电极的电池光电转换效率(PCE)达到了8.42%，高于相应 Pt对电极电池效率(PCE=7.81%)。此外，含 N-RGO的 Co3O4@f-MWCNTs复合材料对三碘离子的还原反应有很强的催化活性，在 CV实验中优于 Co3O4纳米片。
(2)采用一步水热法合成了 SnO2@SWCNTs@RGO纳米复合材料，并作为一种新的经济有效的非铂对电极用于 DSSCs中。对电极是在移液管的帮助下，利用刮片技术用纳米复合材料制备的。研究发现，这种纳米复合材料的电催化性能对三碘化物的还原表现出显著的电催化性能，当 SWCNTs分散在石墨烯片上时，其导电性能得到改善，说明与 SnO2纳米颗粒有协同效应。在循环伏安法(CV)分析中，SnO2@SWCNTs@RGO纳米复合对电极相比 SnO2和 SWCNTs对三碘化物的还原具有更稳定的催化活性。此外，相对于氧化石墨烯，纳米复合材料具有更高的效率和稳定性。
(3) SnS2纳米片易于团聚，导致电解质和纳米片接触面的电催化性能降低。因此，采用水热法将 SnS2纳米片锚定在功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)和还原氧化石墨烯(RGO)上，制备相应的对电极。SnS2@f-MWCNTs@RGO纳米复合物对三碘化物的还原具有显著的电催化活性。优异的化学稳定性来源于固定在f-MWCNTs上的SnS2(NFs)纳米片与高导电性 RGO的协同作用。以 SnS2@f-MWCNTs@RGO纳米复合物为对电极材料的 DSSCs获得了优异的的光电转化效率(8.7%)。这种新型的电极制备方法有望为能源应用领域的研究提供新的思路。
(4)设计并制备了一种锚定在氮掺杂官能化碳纳米管上并包覆氧化石墨烯(rGO)的ZnS量子点(QDs)。多壁碳纳米管(MWCNTs)具有交错的网络、特定的比表面积和独特的中空结构，可用作对电极材料。电化学性能显示，在电解液/对电极界面上 [email protected]@rGO复合材料对电极相对于 ZnS(QDs)量子点具有较低的电荷转移电阻(Rct)和更好的电催化活性。相应 DSSCs获得了9.4%的光电转化效率，高于以ZnS(QD)量子点、[email protected]、ZnS@rGO以及 Pt为对电极的电池效率。同时，以 [email protected]@rGO为对电极材料的 DSSCs填充因子(FF)也高于其他对电极。循环伏安和电化学阻抗谱测试结果表明 [email protected]@rGO薄膜能实现从电解液到对电极的快速电子转移，基于 [email protected]@rGO对电极的DSSCs对碘三离子的还原具有很强的电催化活性。