[01162883]染料敏化太阳能电池高效低成本复合对电极的研制

本项目按照合同书的计划进行,针对染料敏化太阳能电池传统铂电极价格昂贵且储量稀缺的问题,开发高效低成本对电极。在本项目中,我们研制了多种新型低成本染料敏化太阳能电池对电极（菱柱状CoS纳米棒阵列对电极、NiCo2S4纳米片薄膜对电极,CoS/NiS核壳结构阵列对电极、CoS/rGO复合对电极、NiS/rGO复合对电极、CZTS/rGO复合对电极以及MoSe2/rGO复合对电极）,为制备高效低成本染料敏化太阳能电池提供了一条有效的途径。我们还根据研究组研究方向和目前的前沿研究热点,增加了钙钛矿太阳能电池和电化学储能方面的研究。相关的研究工作共申请发明专利13项,其中已获得授权的发明专利5项,发表SCI收录的学术论文共18篇,培养硕士研究生6人,较好的完成了项目的既定任务。 主要成果总结如下：1,探索了绿色、低温、廉价、可控合成金属硫化物的技术,开发了一系列过渡金属硫化物对电极。包括菱柱状的CoS纳米棒阵列薄膜对电极,NiCo2S4纳米片薄膜对电极,CoS/NiS核壳结构阵列对电极。实验开发的制备过渡金属硫化物的方法具有合成方法简单、绿色环保、成本低廉等优点,有望成为一种非常理想的替代Pt对电极的材料。2,系统研究了直立有序石墨烯片以及三维多孔石墨烯网络在导电玻璃（FTO）衬底上的可控生长技术。A,以H2/Ar/CH4 为反应源,采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备了垂直石墨烯阵列电极。B,采用改进的Hummer法,引入了超声辅助和球磨剥离方法,有效的将氧化石墨还原得到少层/单层石墨烯,并将它们配置成石墨烯浆料通过丝网印刷法在FTO导电玻璃上印刷并热处理后得到三维多孔石墨烯网络薄膜。3,利用金属硫化物高的催化活性以及石墨烯的优异导电性,研发了一系列过渡金属硫化物/石墨烯复合对电极。通过循环伏安特性（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、塔菲尔极化曲线Tafel–polarization),电池的J-V测试等手段,对所制备的复合对电极的催化性能进行考察。由详实的实验数据分析,研究复合对电极形貌和结构参数对催化性能的影响规律。通过优化实验方案,得到具有高效催化性能的复合对电极材料。采用密度泛函（DFT）理论,蒙特卡罗（MonteCarlo）和分子力学（MD）等计算方法对复合催化材料电子结构、态密度、吸附特性等进行理论计算,对协同催化机理进行了探索。对器件结构进行了优化设计。4,研制了基于碳电极的无空穴传输层钙钛矿太阳能电池。在传统的一步溶液法制备钙钛矿吸收层的基础上,引入乙酸乙酯作为反溶剂,从而在空气中制备了高覆盖率和高结晶性的钙钛矿吸收层,解决了原本呈“树枝状”形貌的钙钛矿层导致器件短路电流密度较低的问题,并制备了结构为FTO/TiO2致密层/TiO2介孔层/CH3NH3PbI3/碳电极的钙钛矿太阳能电池。5,在锂离子电池领域,针对钛酸锂电子电导率不良和离子传输率较低带来的倍率性能较差的问题,我们利用原子层沉积-锂化技术和化学聚合技术,在泡沫镍基底上合理构建了含有钛酸锂纳米管核（LTO）和氮掺杂碳壳层（N-C）的LTO/N-C核壳纳米管阵列。这种独特的核壳阵列设计成功的提高了LTO的导电性和结构稳定性,改善了LTO的高倍率性能。该薄膜电极可以在5C下达到153mAhg-1的比容量,并能够在40C的大电流密度下循环1600次后保持130mAhg-1的可逆容量,展现了优异的电化学性能。6,在锂硫电池领域,构建了无粘结剂的镍@氮掺杂碳纳米球薄膜,并将其作为硫载体。研究发现氮掺杂的碳和镍层共同作用抑制多硫化物的穿梭。镍@氮掺杂碳球/硫电极展示了较高的倍率性能和良好的循环寿命。