硫化物纳米薄膜的制备及其电催化性能

论文总字数：20833字

摘 要

超高效率的太阳能电池（第三代太阳能电池）的技术发展，除了利用新式的结构设计来尝试突破物理限制，也有可能通过新材料的提出，从而达到大幅度增加转换效率的目的。染料敏化太阳能电池的制作原材料十分丰富而且制作成本较为低廉，制作工艺也相对简单，在大规模的工业生产中具有相当大的优势。在已经研究过的二维半导体材料中，MoS₂是其中光电性质最优秀的之一。本文主要研究MoS₂的电催化性能以及在太阳能电池中对电极的应用，以寻求廉价和高效的对电极材料。我们先使用电镀法制备氧化钼薄膜，再使用化学气相沉积法（CVD）使氧化钼薄膜硫化得到硫化钼薄膜。用刮涂法制备二氧化钛，并浸染染料，充当阳极。中间填充电解液，和已经制备的二硫化钼薄膜组成三明治结构，完成电池的组装。将组装好的电池在模拟太阳光下测试，得到I-V特性，同时与铂（Pt）作为对电极材料的性能形成对比。

关键词：MoS₂ 电镀法 化学气相沉积 染料敏化太阳能电池

Abstract

The technological development of ultra-efficient solar cells (third-generation solar cells), in addition to using new structural design to try to break through the physical limitations, may also achieve the purpose of greatly increasing conversion efficiency due to the introduction of new materials. Dye-sensitized solar cells are rich in raw materials, low in production cost, relatively simple in production process, and have considerable advantages in large-scale industrial production. Among the known two-dimensional semiconductor materials, MoS₂ is one of the most excellent materials for photoelectric properties. This paper focuses on the electrocatalytic performance of MoS₂ and the application of electrodes in solar cells to find inexpensive and efficient counter electrode materials. We first prepare a molybdenum oxide film by electroplating, and then vulcanize the molybdenum oxide film by chemical vapor deposition (CVD) to obtain a molybdenum sulfide film. Titanium dioxide is prepared by knife coating and impregnated with a dye to act as an anode. The middle filled electrolyte and the already prepared molybdenum disulfide film form a sandwich structure to complete the assembly of the battery. The assembled battery was tested under simulated sunlight to obtain I-V characteristics while contrasting with the performance of platinum (Pt) as a counter electrode material.

Keywords: MoS₂ Plating CVD DSSC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 染料敏化太阳能电池简介 2

1.2.1 染料敏化太阳能电池的发展 2

1.2.2 基本结构及工作原理 3

1.3 过渡金属硫族化合物纳米材料 4

1.4 MoS₂简介 8

1.5 电催化简介 10

第二章 样品的制备 11

2.1 实验试剂和仪器 11

2.1.1 试剂简介 11

2.1.2 仪器简介 11

2.2 MoS₂薄膜的制备 12

2.2.1 电镀法制备氧化钼薄膜 13

2.2.2 化学气相沉积法硫化制备MoS₂薄膜 14

2.3 电池的组装和测试 16

2.3.1 材料准备工作 16

2.3.2 电池的组装 17

2.3.3 电池的测试 18

第三章 结果与讨论 19

3.1 X射线衍射（XRD）结构表征 19

3.2 扫描电子显微镜（SEM）形貌分析 21

3.3 电池效率的计算 21

3.4 结论 24

结论 25

参考文献 26

致 谢 28

绪论

• 1. 引言

近几年中，因为纳米材料具有其独特的尺寸结构，导致其和传统材料的性能有较大的差异，纳米材料因此成为了研究热点，同时也被称为“二十一世纪最有前途的材料”^[1]。

随着时代的发展，工业化进程的推进，世界性的能源环境污染问题愈发的严重，但这同时也促进了新能源产业的发展。在众多领域中，新型能源领域尤其受人瞩目。而新能源领域中，最能引起人们广泛关注的自然是太阳能电池。但是，目前市场上普遍售卖的太阳电池多为单晶硅电池，平均效率约在15%上下。换句话说，剩下的85%都会被浪费掉。

按照太阳能使用材料结构的不同，其发展历程大致可分为三个阶段：第一代太阳能电池主要以单晶半导体为原料制备，光电转换效率较高，但制作成本也较高。第二代太阳能电池主要使用薄膜型材料，虽然成本低廉，却不能保证转换效率，而且有较为严重的光致衰退效应。第三代太阳能电池即综合前两代电池的优点，具有较长的使用寿命、价格低廉的制造成本以及高光电转换效率。因为纳米结构比表面积大、光学带隙宽等优良特性，可以使电池获得更高的光电转换效率，各种纳米结构材料受到科学家们的广泛关注。

在半导体中，带隙的存在使得只有能量大于或等于特定能量的光子，才能产生电流。这种效应限制了硅太阳能电池的效率。目前普通的硅太阳能电池的效率大约可以达到15%，而实验室所制电池的效率最高可达25%，理论上，单带隙太阳能电池的最大效率可以达到33.16%^[2]。

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