量子点敏化太阳能电池对电极研究进展

对电极(CE)是量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的重要组成部分之一,改进对电极的综合性能是提高QDSSCs能量转换效率(PCE)的有效手段。本文简要介绍了对电极应具备的性能,并按不同材料的使用,分类阐述了金属、导电聚合物、碳、无机金属化合物以及它们的复合材料对电极的制备方法和研究进展。其中,以铜、钴、铅的硫化物等为主的无机金属化合物对电极催化活性高,成本低,研究最为广泛;导电聚合物、新型碳材料以及各类复合材料对电极也因其各自的优势在量子点敏化太阳能电池中的研究越来越成熟。     

量子点敏化太阳电池

基于量子限域效应的新型太阳电池——量子点敏化太阳电池(QD-SSCs),由于其最大理论转化效率超过了传统的Shockley-Queisser极限效率,已经成为目前最具研究潜力的太阳电池之一。本文综述了近几年来QD-SSCs领域的研究进展,主要从半导体氧化物纳米材料,特别是其低维纳米结构下的特殊性能;金属硫族化合物纳米晶;电解质;对电极等几个方面评述了电池材料的研究进展。另外,从量子点材料的制备和组装方面简述了目前电池光阳极的研究情况,并介绍了提高量子点光敏化性能的几个新途径。最后,从开路电压和短路电流角度分析了影响电池性能的几个关键因素,并对QD-SSCs今后的发展进行了展望。     

高活性硫化铅电极的制备及在量子点敏化太阳能电池中的应用

为了提高量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池的光电转换效率,我们通过连续在酸和多硫溶液中处理铅片制备了对多硫电解液具有高电催化活性的硫化铅电极. 通过电化学阻抗谱测试评价所制备硫化铅电极的催化活性,从而确定制备高效硫化铅电极的最佳条件. 以在最佳条件下制备的硫化铅为对电极、CdSe量子点敏化TiO₂纳晶薄膜为工作电极和多硫电解液组装成量子点敏化太阳能电池. 光电性能测试结果表明所制备的电极具有良好的催化活性和光电转换性能. 与已报导的方法相比,新方法大幅度地减少制备过程所需的时间,但却提高了所制备的硫化铅对电极的催化活性. 通过X射线衍射和扫描电镜测试表征了硫化铅的生成过程,探讨了催化活性提高的原因.     

高活性硫化铅电极的制备及在量子点敏化太阳能电池中的应用

为了提高量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池的光电转换效率,我们通过连续在酸和多硫溶液中处理铅片制备了对多硫电解液具有高电催化活性的硫化铅电极.通过电化学阻抗谱测试评价所制备硫化铅电极的催化活性,从而确定制备高效硫化铅电极的最佳条件.以在最佳条件下制备的硫化铅为对电极、CdSe量子点敏化TiO2纳晶薄膜为工作电极和多硫电解液组装成量子点敏化太阳能电池.光电性能测试结果表明所制备的电极具有良好的催化活性和光电转换性能.与已报导的方法相比,新方法大幅度地减少制备过程所需的时间,但却提高了所制备的硫化铅对电极的催化活性.通过X射线衍射和扫描电镜测试表征了硫化铅的生成过程,探讨了催化活性提高的原因.     

三种CuS对电极的制备及其对量子点敏化太阳能电池光电性能的影响

近几年,量子点敏化太阳能电池因其具有低成本、易合成、高的光电转换效率等优点而广受关注. 半导体金属硫化物具有良好的物理和化学性质,被广泛应用于各个领域,其中,铜硫化物凭借其优异的电化学催化活性,而成为量子点敏化太阳能电池良好的对电极材料. 本文通过3种不同的方法在FTO表面生长CuS纳米阵列（依次记为CuS-1、CuS-2、CuS-3）,并对样品进行晶相表征、表面形貌分析、电化学性能测试以及相应量子点敏化太阳能电池器件组装,最终发现CuS-3样品具有最优的光电性能.     

耦联剂辅助吸附法制备CuInS2量子点敏化太阳电池

分别以CuI 和InAc3 作为铜源和铟源, 十二硫醇(DDT)作为硫源, 采用直接加热法合成不同尺寸的CuInS₂ (CIS)量子点. 运用X射线衍射(XRD), 拉曼光谱(Raman), 高分辨率透射电镜(HRTEM), 紫外-可见(UVVis)吸收光谱表征其相结构、形貌及光学性能. 结果表明: 制备的CIS量子点为黄铜矿结构, 且随着时间的延长, 量子点逐渐长大, 吸收光谱的激子吸收峰逐渐红移, 表现出量子尺寸效应. 采用巯基乙酸为双功能耦联剂辅助吸附法制备CIS敏化的TiO₂薄膜. 通过衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析得出, 巯基乙酸上的羧基与TiO₂表面羟基连接, 另一端上的巯基代替长链的DDT与CIS 耦联, 将CIS 成功锚定在TiO₂表面. 该方法不仅操作简单, 而且容易实现CIS在TiO₂表面的吸附. 太阳电池光电性能测试表明, 粒径大小约为3.6 nm的CIS量子点表现出最优的吸附能力以及光电转换性能. 进一步采用连续离子吸附层法对CIS敏化的TiO₂薄膜进行CdS包覆, 光电转换性能大大提高, 其效率达到2.83%, 这主要源于CdS的包覆钝化了CIS 的表面缺陷, 有效地降低了电子复合.     

CoSe/TiN同轴纳米管阵列在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究

以钛网作为基底,采用阳极氧化、氨气氮化的方法制备了TiN纳米管,随后电沉积CoSe,制备了CoSe/TiN/Ti同轴纳米管阵列电极。循环伏安结果表明,CoSe/TiN/Ti电极对I-3具有高的电催化还原性能,这归因于高催化活性的CoSe和高导电的TiN的协同效应。以CoSe/TiN/Ti电极作为对电极组装染料敏化太阳能电池,电池的能量转换效率高达9.25%,比传统Pt/FTO对电极组装的电池(8.09%)高1%。这一结果为非Pt对电极纳米结构的设计提供了一个很好的思路。     

基于量子点涂料的柔性光阳极及碳基对电极的制备和优化

首先制备出量子点(QDs)/TiO_2涂料,分别采用丝网印刷法与刀刮法将涂料涂覆于ITO/PET柔性基底上,结果表明刀刮法制备量子点敏化太阳电池(QDSCs)效果更佳,且具有普适性。基于铜片对电极所组装的ZnCuInSe,CdSe和CdSeTe量子点半柔性QDSCs最高效率分别达2.83%,2.46%和1.99%。另外,我们对石墨纸进行表面化学修饰以提高亲水性,再通过简单的连续离子交换吸附法(SILAR)在石墨纸上负载Cu_xS纳米粒子,制备出Cu_xS/GP柔性对电极,进一步组装成全柔性QDSCs,获得了2.13%光电转化效率。     

基于量子点涂料的柔性光阳极及碳基对电极的制备和优化

首先制备出量子点（QDs）/TiO₂涂料,分别采用丝网印刷法与刀刮法将涂料涂覆于ITO/PET柔性基底上,结果表明刀刮法制备量子点敏化太阳电池（QDSCs）效果更佳,且具有普适性。基于铜片对电极所组装的ZnCuInSe,CdSe和CdSeTe量子点半柔性QDSCs最高效率分别达2.83%,2.46%和1.99%。另外,我们对石墨纸进行表面化学修饰以提高亲水性,再通过简单的连续离子交换吸附法（SILAR）在石墨纸上负载Cu_xS纳米粒子,制备出Cu_xS/GP柔性对电极,进一步组装成全柔性QDSCs,获得了2.13%光电转化效率。     

SO4-和I-共掺杂的聚苯胺对电极在染料敏化太阳电池中的应用

采用循环伏安法(CV)在掺杂氟的二氧化锡(FTO)导电玻璃上, 成功聚合了SO₄^-和I^-共掺杂的聚苯胺(PANI)对电极. 利用扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、傅里叶红外(FT-IR)吸收光谱、CV和电化学阻抗谱(EIS)等测试方法详细研究了I^-作为第二种掺杂离子及LiI掺杂浓度对所制备的PANI对电极的表面形貌, 结构和对I^-/氧化还原电对的催化活性的影响. SEM结果显示在聚合电解液中引入LiI改变了所制备的PANI对电极的形貌, 可提供更多的催化反应活性位点, 同时还改善了薄膜的孔隙性. 值得注意的是, 引入I^-共掺杂可在一定程度上使3I^-↔ +2e^-反应在相应的PANI电极上更容易进行. 在反应体系中 LiI浓度为0.02 mol·L^-1时得到的PANI对电极, 组装成电池时获得的电池效率最高可达6.52%, 相当于Pt对电极6.95%的93.8%, 比基于只掺杂 的PANI对电极的光电转换效率提高了16%, 说明 和I^-共掺杂的PANI对电极可以提高相应染料敏化太阳电池的光电转换性能, 有望在未来成为Pt对电极的替代材料.     

简易合成Cu2SnSe3作染料敏化太阳能电池对电极

采用简易溶剂热法合成直径为150-250 nm的Cu2SnSe3纳米颗粒.以Cu2SnSe3"墨水"为前驱体采用滴落涂布法在掺氟二氧化锡基板上沉积Cu2SnSe3薄膜作为染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极.利用场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、能谱仪(EDS)等对Cu2SnSe3纳米颗粒的形貌、结构和组成进行表征.结果表明:产物纯净无杂项且符合化学计量比.以Cu2SnSe3为对电极的DSSC转化效率为7.75%,与铂对电极DSSC效率相当(7.21%).研究表明,DSSC的光电流密度和影响因子与Cu2SnSe3薄膜厚度密切相关,这是由于不同厚度的Cu2SnSe3薄膜作对电极所对应的催化位置数目和电阻值不同.电化学阻抗谱研究说明,Cu2SnSe3因具有类似铂良好的电催化性能而适合用作染料敏化太阳能电池对电极材料.本文以Cu2SnSe3代替贵金属铂,提供了一种廉价制备高效染料敏化太阳能电池对电极的新方法.     

表面Cu2O纳米颗粒修饰高效促进γ-Bi2MoO6的可见光催化活性

采用水热法在γ-Bi₂MoO₆光催化剂表面修饰了纳米级Cu₂O, 得到了具有高效可见光响应的复合光催化材料, 并利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)等技术对其相结构、微观形貌和光吸收性能进行了表征. 在可见光条件下(λ>400 nm)考察了Cu₂O表面修饰对γ-Bi₂MoO₆光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的促进作用. 结果表明, 纳米级Cu₂O(~10 nm)颗粒均匀地修饰于γ-Bi₂MoO₆的表面, 使γ-Bi₂MoO₆的可见光吸收带发生明显红移, 且吸收强度大幅提高, 增强了复合材料光生电子-空穴对的分离效率, 从而使复合材料表现出较高的光催化活性. 当Cu₂O的表面修饰量为1.5%(w)时, 复合光催化剂降解MB的活性与纯γ-Bi₂MoO₆相比提高了6.4倍.     

简易模板剂法制备多级介孔TiO2微球及其在染料敏化太阳能电池中的性能

采用模板剂法一步合成分级结构的介孔TiO₂微球, 考察了烷基胺类模板剂中烷基链长度对介孔TiO₂微球合成及性能影响. 将其应用于染料敏化太阳能电池的光阳极半导体薄膜中, 得到了9.5%-10.1%的高能量转换效率. X射线衍射(XRD)、物理吸附仪(BET)、扫描电镜(SEM)等的分析结果表明: 分级结构介孔TiO₂微球的晶相为纯锐钛矿型; 介孔TiO₂微球表面粗糙, 的纳米粒子堆积形成, 使微球具有介孔性质和较适宜的比表面积. 介孔TiO₂微球堆积形成了利于物质扩散的通道并具有良好的光散射效果; 同时微球介孔粗糙表面保证了染料的大量吸附, 从而提高了电池的光电流. 通过电化学阻抗分析结果验证了分等级结构介孔TiO₂微球光阳极有利于电解液的传输和物质扩散的优异性能.     

SnO2/石墨纳米片复合电极及其在超级电容器中的应用

在电场的作用下对石墨棒进行电化学剥离, 使其表面形成相互平行排列, 且垂直于石墨棒基底的二维(2D)石墨纳米片阵列(GNSA). 然后通过阴极还原电沉积法制备SnO₂/石墨纳米片阵列(SnO₂/GNSA)复合电极.采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱对其形貌和结构进行了表征.电化学测试表明该复合电极具有优异的超电容性能, 在0.5 mol·L^-1 LiNO₃电解质中, 扫描速率为5 mV·s^-1, 电位窗口为1.4 V时, 比电容达4015 F·m^-2. 由SnO₂/GNSA复合电极和相同电解质组装成的对称型超级电容器, 在扫描速率为5 mV·s^-1时, 其电位窗口可增至1.8 V, 能量密度达到0.41 Wh·m^-2, 循环5000 圈后其比电容仍保持为初始比电容的81%.     

偏硼酸锶催化剂光催化还原CO2合成CH4

采用溶胶-凝胶法制备出偏硼酸锶(SrB₂O₄)光催化剂. 紫外光催化还原CO₂合成CH₄(在液相水中)的实验证明: SrB₂O₄催化剂的光催化活性略高于TiO₂(P25). 利用X射线电子衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、荧光(PL)光谱和紫外-可见(UV-Vis)漫反射吸收光谱等技术, 研究了SrB₂O₄ 催化剂的晶体结构、形貌和能带结构. 结果表明: SrB₂O₄ 的价带为2.07 V (vs normalhydrogen electrode (NHE)), 低于(H₂O/H⁺)的氧化还原电位E_redox^o (0.82 V (vs NHE)); 而导带为-1.47 V (vsNHE), 高于(CO₂/CH₄)的氧化还原电位E_redox^o (-0.24 V (vs NHE)). 因此, SrB₂O₄催化剂可以有效地光催化还原CO₂生成CH₄. 与TiO₂(P25)相比, SrB₂O₄催化剂具有相对较高导带, 光生电子的还原能力强于TiO₂(P25), 更有利于CH₄的生成, 从而决定了SrB₂O₄催化剂光催化还原CO₂合成CH₄具有较高的光催化活性.     

TiO2柱撑海泡石负载Ni2P的噻吩加氢脱硫性能

以氢氧化镍为镍源, 亚磷酸为磷源, TiO₂柱撑海泡石(Ti-Sep)为载体, 采用浸渍法制备了含磷化镍前驱体的样品, 然后采用程序升温还原法制备了Ni质量分数(w)为5%-25%的Ni₂P/Ti-Sep催化剂, 并考察了其噻吩加氢脱硫性能. 采用X射线衍射(XRD)、N₂吸附-脱附、热重分析(TGA)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶变换红外(FTIR)光谱对催化剂样品进行了表征. 结果表明, 海泡石经TiO₂柱撑之后层间距增大, 比表面积和孔容都明显变大, 热稳定性增强, 活性组分Ni₂P能很好地分散在海泡石层间及表面, 并且没有破坏海泡石的层状结构. 上述原因导致Ni₂P/Ti-Sep催化剂的噻吩加氢脱硫活性明显优于Ni₂P/Na-Sep(NaCl改性海泡石)和Ni₂P/HCl-Sep(HCl改性海泡石)催化剂. 当Ni负载量为15% (w)时, Ni₂P/Ti-Sep催化剂具有最好的噻吩加氢脱硫性能; 在反应温度为400℃时, 噻吩转化率达100%.     

CO2在Na2Cr2O7溶液中的平衡溶解度模型

为研究重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)对CO₂溶解的影响, 本文在带有搅拌的气液相高压平衡釜内, 采用静态法测定了温度在313.2-333.2 K, 压力在0.1-1.9 MPa 范围内, 重铬酸钠浓度分别为0、0.361、0.650、0.901 mol·kg^-1 时, CO₂ 在Na₂Cr₂O₇溶液中的溶解度. 结果表明: (1) Na₂Cr₂O₇对CO₂ 的溶解有盐析效应; (2) CO₂ 在Na₂Cr₂O₇溶液中的溶解符合亨利定律, 并且CO₂溶解度是温度和Na₂Cr₂O₇浓度的函数, 且用改进的Setschenow方程和Peng-Robinson-Pitzer (PR-Pitzer)方程拟合了在此温度、压力及重铬酸钠浓度范围内的实验数据, 拟合效果较好, 并且其平均相对误差分别为4.24%和3.32%.     

TiO2微球的合成及其作为散射层在量子点敏化太阳能电池中的应用

以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂,通过TiCl₄在乙醇水溶液中的直接水解,制备了介孔TiO₂微球. X射线衍射（XRD）结果表明所制备的微球晶型为金红石,扫描电镜（SEM）结果显示微球的直径大约为700 nm,由粒径约为16 nm的小颗粒堆积而成. 通过刮涂法制备了在TiO₂小颗粒层上涂覆有作为散射层的TiO₂微球和未涂覆微球的薄膜. 并通过化学浴沉积（CBD）的方法在膜上生长CdS/CdSe量子点,得到了量子点敏化太阳能电池（QDSCs）. 紫外吸收和漫反射结果表明,这种微球结构有利于量子点的沉积,具有较强的光散射作用,有效地增加了光线的收集,从而提高了电池的光电流,最终得到了4.5%的光电转换效率,比不加散射层的电池的效率高27.7%,也比利用传统散射层（由20 nm TiO₂ 小颗粒和400 nm TiO₂ 固体颗粒组成）的电池效率高10.2%. 我们把电池效率的提升归因于较强的光散射作用和较长的电子寿命.     

氧化钌/石墨纳米片复合阵列电极的制备及其电容性能

通过电化学剥离法在石墨棒表面构筑了层数不等、彼此平行且垂直于基底的二维石墨纳米片(GNS)阵列, 而后采用阴极还原电沉积法在GNSs 表面均匀地包覆了一层氧化钌(RuO₂·xH₂O)薄膜, 形成了RuO₂·xH₂O/GNS 复合阵列电极. 电化学测试表明, RuO₂·xH₂O/GNS 复合阵列电极具有优良的超电容性能, 在0.5mol·L^-1 H₂SO₄电解质溶液中, 扫描速率为5 mV·s^-1, 电位窗口为0.9 V时, 其比电容高达4226 F·m^-2, 并且具有优异的循环性能, 经过20000圈充放电循环后, 电容保持率高达94.18%.