微纳结构钴薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用
目 录
1 引言 1
1.1 钴薄膜特性简介 1
1.2 钴薄膜制备方法 1
1.3 钴薄膜应用 2
1.4 本论文主要研究内容与研究意义 3
2 钴薄膜制备与表征 4
2.1 实验药品与实验仪器 4
2.2 实验过程 5
2.3 实验结果与讨论 6
3 染料敏化太阳能电池组装与测试 8
3.1 实验部分 8
3.2 实验结果与讨论 11
结论 17
致谢 19
参考文献 20
1 引言
目前，随着经济和社会的迅速发展，能源需求成为人们关注的焦点，因此,开发新能源就变得尤为重要。在众多新能源领域之中，最具有发展潜力的是太阳能，然而染料敏化太阳能电池也因此被认为是光伏器件中最具有发展潜力的一种新型太阳能电池。染料敏化太阳电池的工作原理是模仿植物的光合作用，进而研究出来的一种新的太阳能电池。这种新的太阳能电池有很多的优势：原材料丰富、工艺简单、成本低低廉，可以大面积的生产。同时这种太阳能电池的生产流程都是科学合理的，其所需原材料都是环保的，其中部分材料可以能够得到有效的回收，对人类环境的保护具有重要意义。
然而在染料敏化太阳能电池的组成中，对电极[3]是一个不可缺少的重要组成部分。对电极的催化活性、导电性能以及化学稳定性等性能都对染料敏化太阳能电池的光电性能有着重要影响。目前染料敏化太阳能电池最常见对电极是铂电极。然而，铂电极的资源非常有限、成本高，且在碘电解质体系中容易被腐蚀。因此，探寻一种新型、电催化性能优异、成本低廉的对电极就显得至关重要。
1.1 钴薄膜简介
钴是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
具有光泽的钢灰色金属，化学元素符号为Co，原子量58.93。钴熔点1493℃，比重8.9，比较硬而脆。钴具有磁性，在抗拉强度、硬度、热力学性质、电化学行为方面与铁和镍相似，加热到1150℃的时候磁性会消失。钴的化合价为二价和三价，在常温下不和水发生作用，在潮湿的空气中也比较稳定。钴的物理、化学性质决定了它是生产电池材料、硬质合金、高温合金、磁性材料和色釉料等材料的重要原料。
钴薄膜在空气中的稳定性很好，而且由于钴具有很强的钝化能力，在其表面上能迅速生成一层极薄的钝化膜，能够抵抗大气和酸碱的腐蚀。钴薄膜结晶极其微小，而且具有优良的抛光性能。经抛光过钴薄膜可得到镜面般的光泽表面，同时在空气中可以长期保持光泽。
1.2 钴薄膜制备方法[4]
1)电化学沉积法
电化学沉积法，亦为电沉积法，是指在直流电场的作用下，利用电化学原理进行电沉积，在一定的电解质溶液中，由阳极和阴极构成一个回路。通过在工作电极上发生一系列氧化还原反应，最终得到沉积物。电化学沉积的主要参数包括溶液的组分，pH值，温度，阴极电位等。其主要包括以下的3个过程：在外电场的作用下离子（通常为带正电的阳离子）在溶液中定向的扩散；离子在电极的表面上还原沉积；电极表面上的沉积物间发生氧化还原反应。
2)高压氢还原法
先高压釜内把钴溶液转配置成硫酸钴氨溶液或者用氨水把Co2+沉淀转变为氢氧化钴，然后在高压条件下，用氢气还原成钴薄膜材料。
3)草酸钴氢气还原法
草酸钴氢气还原法是指在氢气环境下，将草酸盐转化为金属钴薄膜材料，其本质就是氧化物的还原以及草酸盐直接热分解的混合过程，是最早制备钴薄膜材料的工艺之一。为了获得到纯净的草酸钴，在生产过程中，首先用酸溶液浸泡钴片和钴粒，使得钴溶于酸溶液中。在溶解过程之中，Fe、Mn等杂质也被盐酸溶解进入溶液，经过萃取除杂获得到纯净的CoCl2溶液，经过草酸或者草酸铵沉淀转变为草酸钴。
1.3 钴薄膜应用
目前，利用多种技术手段可以制备出钴薄膜，具有很大应用前景。例如：电池材料、高温合金、光子晶体、医疗行业、染料敏化太阳能电池等等。
1) 电池材料：
在过去几年内充电电池的需求量迅速增加，充电电池历经了铅酸电池、镍镉电池以及镍氢电池阶段，现在已经发展到以锂离子电池为主流的时代。目前金属钴的消耗量接近40%用于充电电池材料，如用于锂离子电池的钴酸锂，用于镍氢电池的氧化亚钴等。钴最主要用途就是用于锂电池中，而它的正极材料就是锂离子电池的核心之一，其中要用到钴酸锂。钴酸锂属于固体电解质，具有高的环保安全性和高能量密度。以钴酸锂为正极材料的锂离子电池和锂聚合物电池在手机等数码电子产品以及电动工具中得到了广泛使用。
2) 合金：
高温合金是金属钴的重要应用领域，在钢中添加钴对增强耐磨强度和高温性能有着很大的作用，其性能被广泛应用于喷气发动机、火箭的耐热、耐磨部件。
钴是硬质合金的重要原料之一，其与钨构成的硬质合金硬度比工具钢要高好几倍，主要应用于切削刀具、钻头等。
3) 磁性材料：
金属钴被磁化一次就能保持磁性。在热作用下，铁的居里点为769℃，镍的居里点为358℃，然而钴的居里点可以达1150℃。含有60%左右钴的磁性钢比普通磁性钢的矫顽磁力增加2.5倍。振动环境下，普通的磁性钢失去大约1/3的磁性。而钴钢仅仅较少2%-3.5%的磁性。由于钴优越的磁特性，被大量使用于高性能磁性材料的制造。
4) 能源存储：
在制备染料敏化太阳能电池中用钴薄膜作为对电极。
5) 其他行业：
钴在轮胎粘结剂、油漆干燥剂、饲料添加剂、PTA?催化剂、天然气液化催化剂等领域也有很多的应用。
1.4 本论文主要研究内容与研究意义
在染料敏化太阳能电池的组成机构中，对电极自身的导电性能、电催化活性以及化学稳定等性能都影响着染料敏化太阳能电池的光电性能。因此开发出具有高性能对电极显得至关重要。目前染料敏化太阳能电池常用的对电极是铂电极。然而，铂电极的资源有限、成本高，且在碘电解质体系中容易被腐蚀。因此，很多研究者正在努力探究一种新型的，制作简单的，成本低廉的对电极来解决此问题。本文将考虑直接在导电玻璃上，采用电化学沉积法制备钴薄膜，从而研究其应用于染料敏化太阳能电池中的性能，并与常用铂电极应用于染料敏化太阳能电池中的性能进行对比。
自1991年染料敏化太阳能电池被发现以来，受到了全世界的广泛关注，染料敏化太阳能电池一直是太阳能电池领域中的一个热点。目前研究重点是在降低制备成本、进一步提高其光电性能、使其能够投入大规模的量产。一旦实现染料敏化太阳能电池的大规模量产，不仅仅能够从根本上减缓能源危机，还可以有效的改善能源结构，从而对日渐恶化的环境起到保护作用。
(5)在烧杯中加入1.0ml的H2SO4水溶液，调节溶液的PH值，使得溶液的PH值维持在3到4之间；
(6) 将上述溶液在室温下磁力搅拌至均匀。
表3 药品配比
样品 六水硫酸钴 氯化钴 硼酸 十二烷基硫酸钠 蒸馏水
样品1 1.4058g 0 0.6184g 0.0865g 50ml
1 引言 1
1.1 钴薄膜特性简介 1
1.2 钴薄膜制备方法 1
1.3 钴薄膜应用 2
1.4 本论文主要研究内容与研究意义 3
2 钴薄膜制备与表征 4
2.1 实验药品与实验仪器 4
2.2 实验过程 5
2.3 实验结果与讨论 6
3 染料敏化太阳能电池组装与测试 8
3.1 实验部分 8
3.2 实验结果与讨论 11
结论 17
致谢 19
参考文献 20
1 引言
目前，随着经济和社会的迅速发展，能源需求成为人们关注的焦点，因此,开发新能源就变得尤为重要。在众多新能源领域之中，最具有发展潜力的是太阳能，然而染料敏化太阳能电池也因此被认为是光伏器件中最具有发展潜力的一种新型太阳能电池。染料敏化太阳电池的工作原理是模仿植物的光合作用，进而研究出来的一种新的太阳能电池。这种新的太阳能电池有很多的优势：原材料丰富、工艺简单、成本低低廉，可以大面积的生产。同时这种太阳能电池的生产流程都是科学合理的，其所需原材料都是环保的，其中部分材料可以能够得到有效的回收，对人类环境的保护具有重要意义。
然而在染料敏化太阳能电池的组成中，对电极[3]是一个不可缺少的重要组成部分。对电极的催化活性、导电性能以及化学稳定性等性能都对染料敏化太阳能电池的光电性能有着重要影响。目前染料敏化太阳能电池最常见对电极是铂电极。然而，铂电极的资源非常有限、成本高，且在碘电解质体系中容易被腐蚀。因此，探寻一种新型、电催化性能优异、成本低廉的对电极就显得至关重要。
1.1 钴薄膜简介
钴是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
具有光泽的钢灰色金属，化学元素符号为Co，原子量58.93。钴熔点1493℃，比重8.9，比较硬而脆。钴具有磁性，在抗拉强度、硬度、热力学性质、电化学行为方面与铁和镍相似，加热到1150℃的时候磁性会消失。钴的化合价为二价和三价，在常温下不和水发生作用，在潮湿的空气中也比较稳定。钴的物理、化学性质决定了它是生产电池材料、硬质合金、高温合金、磁性材料和色釉料等材料的重要原料。
钴薄膜在空气中的稳定性很好，而且由于钴具有很强的钝化能力，在其表面上能迅速生成一层极薄的钝化膜，能够抵抗大气和酸碱的腐蚀。钴薄膜结晶极其微小，而且具有优良的抛光性能。经抛光过钴薄膜可得到镜面般的光泽表面，同时在空气中可以长期保持光泽。
1.2 钴薄膜制备方法[4]
1)电化学沉积法
电化学沉积法，亦为电沉积法，是指在直流电场的作用下，利用电化学原理进行电沉积，在一定的电解质溶液中，由阳极和阴极构成一个回路。通过在工作电极上发生一系列氧化还原反应，最终得到沉积物。电化学沉积的主要参数包括溶液的组分，pH值，温度，阴极电位等。其主要包括以下的3个过程：在外电场的作用下离子（通常为带正电的阳离子）在溶液中定向的扩散；离子在电极的表面上还原沉积；电极表面上的沉积物间发生氧化还原反应。
2)高压氢还原法
先高压釜内把钴溶液转配置成硫酸钴氨溶液或者用氨水把Co2+沉淀转变为氢氧化钴，然后在高压条件下，用氢气还原成钴薄膜材料。
3)草酸钴氢气还原法
草酸钴氢气还原法是指在氢气环境下，将草酸盐转化为金属钴薄膜材料，其本质就是氧化物的还原以及草酸盐直接热分解的混合过程，是最早制备钴薄膜材料的工艺之一。为了获得到纯净的草酸钴，在生产过程中，首先用酸溶液浸泡钴片和钴粒，使得钴溶于酸溶液中。在溶解过程之中，Fe、Mn等杂质也被盐酸溶解进入溶液，经过萃取除杂获得到纯净的CoCl2溶液，经过草酸或者草酸铵沉淀转变为草酸钴。
1.3 钴薄膜应用
目前，利用多种技术手段可以制备出钴薄膜，具有很大应用前景。例如：电池材料、高温合金、光子晶体、医疗行业、染料敏化太阳能电池等等。
1) 电池材料：
在过去几年内充电电池的需求量迅速增加，充电电池历经了铅酸电池、镍镉电池以及镍氢电池阶段，现在已经发展到以锂离子电池为主流的时代。目前金属钴的消耗量接近40%用于充电电池材料，如用于锂
2) 合金：
高温合金是金属钴的重要应用领域，在钢中添加钴对增强耐磨强度和高温性能有着很大的作用，其性能被广泛应用于喷气发动机、火箭的耐热、耐磨部件。
钴是硬质合金的重要原料之一，其与钨构成的硬质合金硬度比工具钢要高好几倍，主要应用于切削刀具、钻头等。
3) 磁性材料：
金属钴被磁化一次就能保持磁性。在热作用下，铁的居里点为769℃，镍
4) 能源存储：
在制备染料敏化太阳能电池中用钴薄膜作为对电极。
5) 其他行业：
钴在轮胎粘结剂、油漆干燥剂、饲料添加剂、PTA?催化剂、天然气液化催化剂等领域也有很多的应用。
1.4 本论文主要研究内容与研究意义
在染料敏化太阳能电池的组成机构中，对电极自身的导电性能、电催化活性以及化学稳定等性能都影响着染料敏化太阳能电池的光电性能。因此开发出具有高性能对电极显得至关重要。目前染料敏化太阳能电池常用的对电极是铂电极。然而，铂电极的资源有限、成本高，且在碘电解质体系中容易被腐蚀。因此，很多研究者正在努力探究一种新型的，制作简单的，成本低廉的对电极来解决此问题。本文将考虑直接在导电玻璃上，采用电化学沉积法制备钴薄膜，从而研究其应用于染料敏化太阳能电池中的性能，并与常用铂电极应用于染料敏化太阳能电池中的性能进行对比。
自1991年染料敏化太阳能电池被发现以来，受到了全世界的广泛关注，染料敏化太阳能电池一直是太阳能电池领域中的一个热点。目前研究重点是在降低制备成本、进一步提高其光电性能、使其能够投入大规模的量产。一旦实现染料敏化太阳能电池的大规模量产，不仅仅能够从根本上减缓能源危机，还可以有效的改善能源结构，从而对日渐恶化的环境起到保护作用。
(5)在烧杯中加入1.0ml的H2SO4水溶液，调节溶液的PH值，使得溶液的PH值维持在3到4之间；
(6) 将上述溶液在室温下磁力搅拌至均匀。
表3 药品配比
样品 六水硫酸钴 氯化钴 硼酸 十二烷基硫酸钠 蒸馏水
样品1 1.4058g 0 0.6184g 0.0865g 50ml
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