染料敏化太阳能电池对电极材料研究染料敏化太阳能电池对电极材料研究

报 告 人：李浩晨

导 师：张卫国

2013 年 9 月 28 日

主要内容• 课题背景与目的• DSSC 工作原理• 各类对电极材料综述• 聚噻吩对电极的研究• 实验计划

课题背景与目的• 当前染料敏化太阳能电池的研究集中在染

料分子的合成、电子传输过程的理论研究和准固态或固态电解液等方面，对于染料敏化太阳能电池的对电极的专项研究还比较少。

• 课题目的在于分析能够代替昂贵稀缺的铂作为染料敏化太阳能电池对电极的材料，降低太阳能电池制作成本的可能性。

DSSC 工作原理

组成部分：①光阳极 ②染料 ③电解质 ④对电极

对电极• 作用首先将外电路中来的电子转移回到氧化还原体系，其次催化氧化还原电对的还原• 要求对氧化还原电对有好的催化活性、低的电荷转移电阻、对电池中的电解质系统具有化学或电化学稳定性、机械稳定性、耐用。

金属对电极材料• Pt ：良好的导电性与催化性能。但储量低、

价格高昂而且铂电极制备条件耗能较高 , 不利于产业化生产。

• Ni ：作为对电极催化材料用于 DSSC ， FF 为0.15 ， Voc 为 468mV ，没有表现出期待的催化效果。

• Pd ：与 Pt 同缺点，且与碘反应生成 PdI6 。• Au ：只在 Co+/Co3+ 表现出高于 Pt 的催化性

能。

类铂对电极材料一些前期过渡金属与非金属元素的化合物表现出于 Pt 类似的催化行为• 碳化物对电极材料：马延丽等将大粒径 Mo2C 和 WC 作为

对电极材料用于 DSSC ，实验中效率分别为 5.70% 和5.35% 。

• 氮化物对电极材料：高学平等将 MoN 、 WN 和 Fe2N 作为对电极催化材料用于 DSSC ，获得 5.57% 、 3.67% 和 2.65%的效率。

• 氧化物对电极材料：夏等用 V2O5 代替传统的 Ag 对电极组装固态 DSSC 取得较好效果。

• 硫化物、硒化物及磷化物对电极材料

碳对电极材料• 碳材料种类丰富，不同碳材料通常表现出

不同的催化性能，即使同一种碳材料由于其粒径、比表面积、电极的制备方法不同也会表现出不同的催化性能

• 缺点在于碳膜与导电衬底间较弱的结合力导致其稳定性较差，容易引起电池短路。另外碳膜厚度较薄时电极催化性能都不高。

• 活性炭（ Ca ）： Takahashi 以其为对电极材料取得 3.89%的效率

• 炭黑（ Cb ）： Gratzel 等用 Cb 与石墨烯作对电极。电池效率达到 6.7%

• 碳纤维（ Cf ）：作为对电极材料制作一种纤维状DSSC ，效率达到 2.7%

• 碳纳米管（ CNTs ）：始终是材料领域的研究热点，可分为单壁、双壁和多壁碳纳米管（ SWCNTs 、 DWCNTs 、MWCNTs ）。具有以下优点：纳米级的传输孔道、大比表面积、低成本、高效和轻便。 SWCNTs 作为对电极效率达到 4.5%接近 Pt 。 Lee 用 MWCNTs 作为对电极取得7.67% 效率，相同条件下 Pt-DSSC 为 7.83% 。

• 石墨烯：单层石墨，具有典型的二维结构，有很高的导电性、硬度和抗腐蚀性。

导电聚合物作对电极• 聚苯胺（ PANI ）• 聚吡咯（ PPy ）• 聚噻吩（ PTh ）在用导电聚合物的情况下，大部分电极材料并不是用单一的导电聚合物。主要用PPy 、 PEDOT 、 PSS 、 PProDOT 、 PProDOT-Et2 等聚合物一种或两种作为复合物的衬底材料或支撑材料，通过在聚合物材料中添加其他材料来制备。这种聚合物对电极材料充分利用了复合物材料各组元之间的协调催化效应，使其电催化活性和光伏性能得到显著的改善。

聚噻吩及其衍生物对电极主链以噻吩环为结构单元的高分子，不溶不熔，有很高的强度。聚噻吩及其衍生物是一类重要的本征型导电高分子材料 , 其分子链中存在共轭结构 ,所以本征态的聚噻吩 (PTh) 具有一定的导电性 , 而且稳定性好 , 易于制备 ,掺杂可以提高其导电性能。

几种最典型的具有导电性能的聚噻吩及其衍生物的化学结构

聚噻吩及其衍生物的制备方法及各种方法的优缺点

实验计划• 导电聚噻吩的合成与性质研究• 通过改变噻吩聚合电解质溶液中的对阴离

子制备不同对阴离子掺杂的聚噻吩膜作为DSSC 对电极

• 研究改变合成条件对聚噻吩膜性质的影响