染料敏化太阳能电池碳纳米管阵列膜光阴极的电催化性能研究

染料敏化太阳能电池以其制作简单，性价比高等优势正成为人们研究的热点。光阴极材料作为收集从光阳极经外电路传输过来的电子并催化电解质还原反应的关键材料，其性能的优劣是影响染料敏化太阳能电池性能的主要因素之一。常用的光阴极材料铂资源匮乏，而传统碳材料与电解质之间的电荷转移效率低、内阻大、与基底结合力差而难以获得理想的光电转换性能。本项目通过化学气相沉积的方法，在耐腐蚀金属基底上控制生长碳纳米管阵列膜，用于染料敏化太阳能电池光阴极，探索不同长径比和微结构的碳纳米管阵列膜对液态电解质催化还原活性的影响，同时考察该光阴极材料在(准)固态电解质中的的电荷转移特性，分析电解质还原动力学的控制因素，提出光阴极与电解质间的电荷转移机制，揭示微结构与催化性能以及光电转换性能之间的内在联系和规律，为发展取代铂的新型光阴极乃至更具实用价值的染料敏化太阳能电池提供理论和实验依据。

针对传统碳材料光阴极在催化过程中碳膜内面积利用率低、内阻大、易剥落的问题，本项目研究主要以碳纳米管阵列为研究对象，采用化学气相沉积的方法在耐腐蚀金属基材上制备出具有不同微结构的碳纳米管阵列，用于染料敏化太阳能电池光阴极，开展了系统的材料制备与物性调控等方面研究，取得的重要研究结果有：1）通过改变制备工艺，研究了不同微结构的碳纳米管阵列的生长条件，认识了制备工艺、微结构以及对电催化性质的影响与在液态电解质中的界面电荷转移机制。碳纳米管阵列光阴极在含I-/I3-电解质中的电化学催化过程中所发生的氧化还原反应为：I3- + 2e- → 3I-。当碳纳米管ID：IG值为1.14时，在光阴极/电解质界面处有大的交换电流密度，低的电荷转移电阻，与Pt相当，表现出高的电化学催化活性。当多壁碳纳米管阵列厚度为1.8微米时，光电转换效率能够大于7%，此时的膜厚比普通碳基电极膜厚薄20-30倍。2）在对光电池的性能优化中，研究了复合TiO2/ZnO纳米棒阵列、ZnO纳米荷叶状结构、分级多孔ZnO球以及SnO2纳米片膜为基的光阳极的光电性能和电化学性能。TiO2纳米颗粒复合ZnO纳米棒阵列改善了其吸附染料的性能；制备了具有大比表面积、超薄片状的ZnO纳米荷叶结构以及直径为500-650nm具有分级微纳米复合结构的多孔ZnO球，用作光阳极提高了膜的染料吸附性能及对入射光的利用；在FTO上制备了SnO2纳米片层并进行TiO2修饰，SnO2纳米片层提供了电子快速传输通道。3）研究了磁场条件下对染料敏化太阳能电池光电性能的影响及其磁场对样品光电性能的调控作用与机理。项目研究工作为发展取代铂的新型光阴极乃至更具实用价值的染料敏化太阳能电池提供理论和实验依据。通过本工作的开展，我们已在SCI收录的期刊上发表论文4篇，EI收录1篇；申请发明专利2项；培养硕士研究生2名。