改性炭气凝胶对电极和聚合物光伏器件的制备与性能研究-高分子化学与物理专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 本论文首先对染料敏化太阳能电池(DSSCs)及聚合物太阳能电池(PSCs)的研 究进展作出简单介绍。最近，价格低廉的炭气凝胶对电极用于DSSCs中，显示出 取代铂对电极的潜力。本论文通过KOH活化及氮掺杂两种途径制备出多种不同孔 结构的炭气凝胶，并研究了炭气凝胶孔结构对其催化性能的影响。同时，本论文 使用钛酸四异丙酯(TTIP)作为阴极界面修饰层，首次制备出器件结构为ITO(氧化 铟锡)/TTIP/P3HT：PCBM(聚(3-己基噻吩)：[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)/MoO3/Al的 反式PSCs，并初步探讨了TTIP层对反式PSCs的光电性能的影响。其主要内容如下： 331、采用不同含量的十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂制备了两种炭气 凝胶：CA3 和 CA4。在最优实验条件下，CA4 对电极的催化还原性能接近同等实 验条件下的铂对电极。以不同量的 KOH 活化处理 CA4 制得活化炭气凝胶(ACAs)。 N2 吸附-解吸附测试结果表明，KOH 活化会大幅度提高微孔含量和比表面积。我 们发现 ACAs 对电极的性能都远低于未活化的 CA4 对电极。EIS 测试结果表明， ACAs 电极的串联电阻和电荷转移电阻大于 CA4 电极，这说明 ACAs 电极的催化 还原活性低于 CA4 电极。研究结果表明，微孔结构及微孔所致比表面积不能有 效提高对电极催化还原 I- 离子的活性。这可能是由于活化后，炭气凝胶表面生成 了更多的羟基等功能团，导致炭气凝胶对 I- 离子的有效吸附减少，且活化导致 3 3 ACAs 的导电率下降。 2、通过在有机气凝胶前驱体中引入不同含量的三聚氰胺制备出具有不同孔 结构的氮掺杂炭气凝胶(NCAs)。各种测试结果表明：随着掺氮量的增加，NCAs 的平均孔径减小，但中孔含量会随之增加，这将降低NCAs对电极的电荷传输电 阻，并增加其电催化活性。由于氮的掺入增加了NCAs的极性，因此使用聚偏氟 乙烯粘结剂制备的NCAs对电极，其电催化活性优于基于聚四氟乙烯的NCAs对电 极。在对NCAs对电极的衬底及厚度进行优化后，基于NCA8的DSSC的光电转换 效率(PCE)达到8.83%，是同等实验条件下基于铂对电极的DSSC的102.6%。 3、将可溶液处理的TTIP作为阴极界面修饰层制作基于P3HT/PCBM的反式 PSCs，在对TTIP层的厚度、退火氛围及退火温度各种优化后，最终制得的反式 PSC的PCE达到3.54%，相比于基于同种活性层的传统结构PSC的PCE(2.34%)提高 了近52%。研究结果表明，当TTIP膜在空气中或高温下退火时，其化学结构发生 一定程度的变化，导致TTIP膜的透光率下降，且TTIP膜LUMO能级上升，使得 PSCs器件的光伏性能发生明显降低。 关键词：炭气凝胶；KOH活化；掺氮；TTIP；阴极界面修饰层 I Abstract In this dissertation, the basic structure, working principle and the latest research progress of the dye-sensitised solar cells (DSSCs) and polymer solar cells (PSCs) were briefly introduced. Recently, our study results indicated that the low-cost carbon aerogel electrode was an excellent substitute for Pt counter electrode of DSSC. In this dissertation, carbon aerogels (CAs) with different pore structure