染料敏化太阳能电池对电极无机非金属固溶体催化材料的构筑与催化性能

The storage and utilizing of solar energy by Dye-sensitized Solar Cells (DSSC) is one of the most important technology to improve the energy efficiency and protect the environment. This project is aimed at constructing inorganic non-metallic solid solution of Pt-free catalytic materials and applying to the counter electrode of dye-sensitized solar cell. In order to cut the content of Pt, reduce the cost of DSSC, improve the cell stability. The MoxW1-xA (x=0-1, A= C, N, O) solid solution materials will be synthesized, the morphology, microstructure, crystal structure of each solid solution system and basic chemical thermodynamics data will be determined by phase analysis, differential thermal analysis (DTA), X-ray diffraction (XRD) and IR techniques. The phase equilibrium process and the formation conditions of the solid solution will be analysed, the relationship of the structure and composition for the eutectoid will be established. The experimental data were further optimized and evaluated by the CALPHAD technology. It is used to predicting the thermodynamic properties of the solid solution catalytic material. The selected solid solution catalyst on the counter electrodes are determined by electrocatalysis and photoelectric conversion performance by the electrochemical technique in the encapsulation of DSSC battery. The relationship between chemical thermodynamics and electrochemical performance will be established, and it will be apllied to selecte in line with the catalytic conditions, low cost of DSSC electrode solid solution catalyst materials and extend the selecting range of catalyst.

基于染料敏化太阳能电池（DSSC）实现太阳能的储存和利用，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术之一。本项目拟构筑无机非金属固溶体非Pt催化材料MoxW1-xA（x=0-1，A= C、N、O），应用于DSSC对电极。以减少Pt的用量，降低DSSC成本，提高电池稳定性。首先制备固溶体，采用物相分析、差热、红外及XRD等技术，确定体系形貌、显微组织、晶体结构及基础化学热力学数据。分析固溶体相平衡过程和固熔体形成条件，确立共析物、中间化合物及固熔体结构与组成的关系。采用电化学技术，测定固溶体电催化和光电转换性能，从而确立化学热力学数据与电化学性能之间的对应关系。以期筛选出符合催化要求、成本适宜的DSSC对电极固溶体催化剂，拓展催化剂的选择范围。

项目构筑了无机非金属化合物MoxW1-xA（x=0-1，A= C、N、O）固溶体和四卤合金属二烷基铵系列化合物(CnH2n+1NH3)2MX4(M=Cu，Mn，Zn…，X=Cl，Br)二元共析物，应用于DSSC对电极。以减少Pt的用量，降低DSSC成本，提高电池稳定性。.采用不同的实验方法合成了钼酸镧La2Mo2O9系列化合物，并采用X-射线衍射、循环伏安、电化学交流阻抗和塔菲尔极化等表征手段，对材料进行了结构测定和电化学催化性能分析。材料的催化性能除了与材料本身特性相关外，还与材料形貌有着密切的关系。本项目合成了不同形貌的无机非金属过渡金属化合物，包括碳化钼(Mo2C)纳米管、纳米球和纳米棒。研究发现，Mo2C纳米球、纳米棒和纳米管对电极的电池效率，分别为8.70%、6.97%和6.22%。这些廉价的对电极材料有望取代昂贵的Pt电极。.利用循环伏安法电化学合成了四卤合金属聚苯胺M2+(Ni2+、Co2+、Mn2+、Cu2+)复合对电极，以及碳纳米管负载聚苯胺- M2+复合对电极。采用物相分析、红外及XRD等技术，确定了材料的形貌、显微组织、晶体结构及相关基础化学热力学数据。基于PANI-Ni2+ ,PANI-Co2+,PANI-Mn2+和PANI-Cu2+ 对电极的电池效率PCE分别是4.70 ，4.57 %，3.94 %和3.56 %。为了拓宽染料敏化太阳能电池对电极材料的范围，将两种四卤合金属二烷基铵系列化合物按不同比例混合，构筑二元体系温度-组成相图。利用相图确定二元体系中材料共析物、中间固态化合物以及各种固熔体存在的可能性和条件。从相图中确定适应不同性能要求的多元(CnH2n+1NH3)2MX4催化剂材料。.将选定的固溶体催化剂应用于对电极封装DSSC电池，采用电化学技术，测定固溶体电催化和光电转换性能。筛选出了符合催化要求、成本适宜的DSSC对电极固溶体催化剂材料，拓展了催化剂的选择范围。