染料敏化二氧化钛太阳能电池铂对电极的研究.doc

摘 要介绍了染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池的结构及工作原理,深入探讨了金属铂对电极的制备工艺及其性能研究，为了提高金属铂对电极的转换效率, 对铂对电极的优化和改性方法进行了综述最后，简单叙述了铂对电极的应用现状及研究进展关键词：染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池；对电极；应用；发展AbtractIntroduced dye sensitized nano crystal thin film solar cell structure and the principle of work, in-depth study of the metal platinum electrode on the preparation and properties of, in order to improve the metal platinum electrode on the conversion efficiency, the platinum electrode on the optimization and modification methods are reviewed. Finally, a brief description of platinum electrode on the present application situation and research progress of.Key words: dye sensitized nano crystal thin film solar cell; electrode; application; development第一章 绪论 3第二章 对电极的制备工艺及其性能研究 52.1 染料敏化TiO2太阳能电池的结构及工作原理 52.1.1 DSC的基本结构 52.1.2工作原理 62.2 对电极的分类 72.2.1铂对电极 72.2.2金对电极 92.2.3镍对电极 102.2.4碳对电极 102.2.5高分子聚合物对电极 122.2.6氧化铜对电极 122.3不同浓度铂对电极对太阳能电池的影响 122.3.1实验 122.3.2实验结果 132.3.3分析与讨论 14第三章铂电极的应用现状及研究发展 173.1铂电极在硫化氢间接电解法中的应用 17小结 18致谢 19参考文献 20第一章 绪论太阳能电池是在随着人们对可再生能源的努力研究中成为再具有优势的能源之一。

它具有可再生，无污染，易推广等优点传统的能源媒,石油和木材按 目前的消耗速度只能维持五十至一百年另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球而在人类可预测的未来时间内，太阳发射出来的能量很明显是取之不尽，用之不竭的在我们利用太阳能的时候不会产生任何污染，而且受到的一些限制比如时间，地域等的影响较小因此太阳能电池利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视太阳内部每时每刻都在发生着核聚变反应，产生巨大的能量，投射到地球大气层之前的功率密度约为1135KW/m^2太阳光进入大气层之后，虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳半衰期寿命还有7*1012年以上目前，太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯，为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统已经在发达国家作为示范工程而被推广，用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前在太阳能电池中染料敏化二氧化钛太阳能电池具有转化效率高，价格便宜等优点受到广大科学研究者的青睐近几年来,很多国家已投入大量资金从事太阳能电池的研究和开发工作,用单晶或多晶硅膜制备的太阳能电池其最高效率可达20 %以上,但成本过高。

开发低成本光电活性材料,对充分利用太阳能资源有重要意义,目前ZnO、CdS、CdSe、CdTe、Fe2O3、SnO2、TiO2 等许多化合物被用于光电转换虽然CdSe、CdTe等光电池有一定的应用前景,但它们是剧毒物质,容易对环境带来危害TiO2 染料敏化电池(Dye - sensitized Solar Cells ,简称DSCs)则彻底摒弃了传统的硅电池工艺, 它的最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺,因此有很好的应用前景,其制备与应用研究受到各国学术界的重视,并成为化学和材料科学研究的前沿领域瑞士M. Gr¾ tzel教授领导的研究小组开发的染料敏化纳米晶TiO2 太阳能电池掀起了太阳能电池研究的一次热潮经过十几年的迅速发展,现在DSCs电池的最高转换效率已达11. 04 %[1] 大面积DSCs电池也有了较好的成果,荷兰国家能源研究所(ECN)制备的大面积DSCs电池其效率分别达到8. 18 % (2. 5cm2 ) 和5. 8 % (100cm2 )这些成果为DSCs电池的产业化发展提供了可能但它本身岑在的一些缺陷阻碍了它的进一步发展以下几个方面是有待进一步研究的：纳米TiO2膜的制备；敏化染料吸收光谱范围；固体空穴传输材料的研究；对电极表面的还原反应。

其中，对电极在整个太阳能电池中的作用有如下三点：（1）收集和运输垫子（寄售电池外回路的电子并把它传递给电解质里面的氧化还原电极）；（2）吸附并催化I3-；（3）反射透过光（把从工作电极透过的光反射回光阳极膜，提高太阳光的利用率）对电极的特性和在其表面发生的氧化还原反应速率极大地影响着电池的性能和效率为了减少太阳能电池的能量损失，充分利用光阳极上染料所吸收的能量，提高电池的寿命，搞的对电极必须要有高的催化活性、高的比表面、很低的面电阻、高的垫子传导率以及高的稳定性第二章 对电极的制备工艺及其性能研究2.1 染料敏化TiO2太阳能电池的结构及工作原理2.1.1 DSC的基本结构DSC结构如图1所示,主要由透明导电基底(TCO) 、纳米多孔TiO2 薄膜、染料、电解质和对电极几部分组成纳米晶多空薄膜由纳米晶颗粒堆积排列而成，颗粒与颗粒紧密链接，同事颗粒之间又充满孔隙，具有多空看那个极高的比表面积，粗糙因子在1000以下，薄膜附着于导电基底，电解质含有氧化还原对（I3-/I-）,光阳极和对电极通过封装膜粘合成三明治结构，电解质注入其中电池中的收集和传输主要由导电膜来完成，与之对应的电路模拟图如图2所示。

其中R1为电解液与对电极的界面电阻，R2为导电基板以及外电路的电阻，R3为电解液扩散阻抗，三者之和为电池的串联电阻图一：DSC的基本结构其中R1为电解液与对电极的界面电阻，R2为导电基板以及外电路的电阻，R3为电解液扩散阻抗，三者之和为电池的串联电阻图二：DSC电路模拟2.1.2工作原理DSC 的工作过程如下: 光阳极由吸附了染料的半导体多孔材料构成，入射光激发染料分子，处于激发态的染料分子不稳定，发射电子而成为氧化态 发射出来的电子注入到半导体内并扩散，收集至导电基底后通过外电路到达对电极． 电解质中含有氧化还原对，在对电极界面不断接受电子，传输到半导体多孔膜，电子还原处于氧化态的染料分子，由此构成光电化学循环，循环没有任何产物剩余吸附于TiO2表面的染料分子(S) 受光激发由基态跃迁到激发态(S*) :S TiO2 + hv→S* TiO2; （1）激发态染料分子( S* ) 迅速将电子注入到TiO2的导带后，染料分子被氧化:S* →S + + e － ( TiO2) ; （2）电解质中I － 将氧化态染料( S + ) 还原至基态:3I － + 2S + TiO2→I3 － + 2S TiO2; （3）电子e － 在纳米晶格中迅速扩散，收集于导电基底，经外电路及负载到达对电极:e － 半导体→e － 导电基底→e － 外电路→e － 反电极; （4）在对电极处，电解质中I3 － 扩散到对电极上并得到电子e － 形成I － ，并向半导体多孔膜传输:I3 － + 2e － ( Pt) →3I － ． (5)2.2 对电极的分类对电极按照制备材料的不同大致可以分为2大类：金属对电极、非金属对电极。

2.2.1铂对电极铂是常用的催化剂,因其对I3-具有高催化活性,成为最早用于染料敏化太阳能电池对电极的材料所以,对于铂对电极[2] 的研究较多且较完备1） 热分解法热分解法[3,4] 就是把氯铂酸与水、有机溶剂的混合溶液滴加在导电基片上,在加热条件下分解制得光亮的铂镜用此法所制得的对电极的优点是:制备工艺简单、膜相对均一、呈多孔结构(易吸附较多的电解质) ;因其具有较大的比表面积,形成的铂原子簇可以很好地起到催化的作用,在电极工作时产生较大的交换电流密度,引起的电势损失较小且比较稳定,有望应用到未来的玻璃基DSSC 中缺点是表面存在很多缺陷,热分解也不能使高价铂完全还原为0 价态,高温易增加导电玻璃的面电阻,无法适用于柔性DSSC2） 磁控溅射真空镀法磁控溅射真空镀法的原理是:在高真空(在3 ×10 - 4 Pa条件) 状态下,以铂金片作为激发源,电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片氩离子在电场的作用下加速轰击铂靶材，溅射出大量的铂原子，呈中性的铂原子沉积在基片上成膜二次电子在加速飞行向基片的过程中受到磁场洛伦磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上,在导电基片表面形成一层铂金膜。

磁控溅射模型如图3图3 磁控溅射模型此法的优点是成本与能耗低、无毒、无废液、无公害,制得的铂金膜较均匀,在基片上的附着力强,也适宜在柔性基片上镀膜工艺灵活性强，而且各个工艺参数在镀膜过程中可控性好，同时具有很高的稳定性沉积粒子能量高、活性好、镀膜速率高、薄膜品质较好膜有光泽但颜色发暗,对透过光的反射性差,由于真空镀膜的随机性,无法生成规则排列的铂金膜,缺陷很多,虽然铂处于0价位,但面电阻很高(电极表面电化学迁移电阻高,电池的短路电流就会降低)在对电极制备过程中,如果能通过一些技术手段(如控制溅射气压) 把电极的面电阻降低,真空镀膜法也不失为一种较好的DSSC 对电极的制备方法3） 电化学镀膜法电化学镀膜法就是先配制合适浓度的电镀液,然后以铂金片作阳极, 导电基片作阴极, 在80 ℃、电流密度为60mA/ cm2的条件下进行电镀晶粒依电镀时导电基体表面电流方向整齐地生长,在基片导电面上得到光亮的铂镜电镀过程干扰因素少,不易在膜中引入杂质用电镀法所制得的铂金膜更均匀、致密,与基片的附着力强,杂质、缺陷少,镜面光亮、反射性能好,膜较厚,高价铂完全被还原为0 价态,操作温度低,面电阻更小,催化效率高。

与上述2 种方法相比,唯一的不足就是比表面积较小,导致对电极吸附I3- 少,使铂的催化能力受到一定的限制电镀法与以上2 种方法相比,在DSSC 铂对电极的制备中更具有优势在玻璃基DSSC 中,通常用镀铂的FTO 导电玻璃作对电极(Pt/ FTO) ,对I3- 显示出很高的催化活性, 但它的面电阻和在DSSC 中的低填充因子限制了其更广泛的(尤其是在大面积组件中) 应用为了更进一步提高铂对电极的电性能,人们也尝试用其它方法制备构造不同的铂对电极林原等研制的P。