染料敏化太阳能电池用聚苯胺电解质及对电极的制备与性能分析-材料加工工程专业论文.docx

摘要染料敏化太阳能电池（DSSCs）的研究对解决我国能源紧缺局面和新能源材料的研究开发有着重要的现实意义。然而，常用的液态电解质，由于其易挥发，流动性大，导致电解质易泄漏，影响电池的使用寿命。而传统的对电极是导电玻璃基的镀铂电极，其制造成本昂贵，玻璃基体易碎，限制了染料敏化太阳能电池的生产应用。针对上述问题，本论文工作采用导电聚苯胺（PANI）制备染料敏化太阳能电池用固态电解质和对电极，对于液态电解质的封装难问题和对电极的生产成本的降低提供了新的解决方案。利用扫描电镜、红外光谱分析和电导率测试等手段分别对聚苯胺电解质和对电极的微观形貌、分子结构和导电性能进行了表征，分析了不同基体材料上聚苯胺生长速度和形貌对该对电极结构和性能的影响，最后初步探讨了聚苯胺的生长机理。主要研究内容如下：（1）采用化学氧化法在染料敏化的TiO2光阳极表面原位合成聚苯胺固态电解质，并对组装的固态染料敏化太阳能电池进行光电性能测试。结果表明，樟脑磺酸掺杂、0℃聚合2h的聚苯胺电解质电导率最高，掺杂效果最佳，具有理想的开路电压，其电池的光电转换效率达到液态DSSC 的33%。并且该电解质可充分填充到TiO2 光阳极中，有效增加了电解质与光阳极的接触性。（2）制备一种新型聚苯胺/乙炔黑复合电解质，以进一步提高聚苯胺电解质与对电极的接触性。研究表明，通过加入乙炔黑粒子，不仅可以提高固态电解质的空穴迁移率，而且改善了电解质的浸润性，加强了电解质与两电极间的界面接触，从而获得更高的固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率。当加入50wt%乙炔黑时，聚苯胺复合电解质DSSC 电池的光电转换效率最优，达到了液态DSSC 的47%，为固态电解质的制备提供了一条新途径。（3）分别研究以恒电位法在ITO导电玻璃、导电PET塑料和不锈钢（SS）基体表面合成聚苯胺对电极。结果表明，在不同基体表面电化学聚合聚苯胺的最佳工艺参数均为1.0V恒电位下聚合500s，可获得一层与基体结合紧密的聚苯胺致密膜，其导电性和电催化性能最佳。随着聚合电位的升高和聚合时间的延长，聚苯胺逐步形成大的颗粒球和一维纳米棒的疏松膜，其导电性及电池光电性能也明显下降。（4）基体材料的性质不同，影响了聚苯胺的生长速度和电极的界面接触电阻，导致电池光电转换效率各不相同。以导电PET塑料为基体可制备透光性较好的聚苯胺柔性对电极，但是基体电阻较大，组装的DSSC 电池光电转换效率不高，仅为传统铂电极效率的78%。而不锈钢材料成本低、柔性好、面电阻小，以不锈钢为基体的聚苯胺对电极不但可以降低生产成本，而且获得了比铂电极（4.51%）更好的光电转换效率，最高达6.08%。因此，聚苯胺/不锈钢对电极有望在未来的染料敏化电池产业中，取代传统铂电极，成为最具发展潜力的低成本、柔性对电极。关键词：聚苯胺，染料敏化太阳能电池，固态电解质，对电极，恒电位法ABSTRACTDyesensitizedsolarcells(DSSCs)hasagreatpracticalsignificancetosolvethe energyshortageproblemanddevelopnewenergymaterials.However,theuseofconventionalliquidelectrolytein DSSCsowingtothedisadvantagesoffluidityandvolatilityresultsintheleakageofelectrolyte,which limitsthelong-termperformanceofdevices.Inaddition,thetraditionalcounterelectrodeiscomposed ofaplatinumthinfilmformedonatransparentconductiveglasssubstrate,whichisrelativelyexpensive andfrangible.Considering theseproblems, the preparation ofconducting polyaniline(PANI)usedasasolidelectrolyteandcounterelectrodeforDSSCswasstudiedinthiswork.Then, themorphology,moleculestructureandconductivepropertiesofPANIwerecharacterized respectivelybyScanningElectronMicroscopy,FourierTransformInfraredspectroscopy,andfour probeinstrument.Thegrowthrate