硫化镍薄膜制备及其在染料敏化太阳能电池中应用研究
染料敏化太阳能电池的对电极可由多种材料制备，其中Pt材料性能较好，但成本较高，难以实现量产化，因此无法大规模走向社会和生活中。近些年来，研究人员纷纷探寻Pt的替代材料。本文采用计时电流法制备硫化镍对电极，通过扫描电子显微镜观测硫化镍薄膜表面形貌，通过X射线衍射仪观测硫化镍薄膜的衍射图谱，通过循环伏安曲线观测氧化还原情况，通过电化学阻抗谱分析界面阻抗，通过极化曲线测定氧化还原电对传输特性，通过光电流密度-电压表征电池器件的能量转换效率参数。在本论文中，以硫化镍薄膜作为对电极的电池器件的能量转换效率最佳达到3.58%，与基于铂电极的电池效率(6.32%)有一定差距，仍然需要对电镀方法进行改进。关键词 染料敏化太阳能电池，对电极，硫化镍，电催化活性
目录
1 引言 3
1.1 中国环境现状 3
1.2 能源危机及能源变革 3
1.3 太阳能的优势 4
1.4 太阳能电池及其分类 4
2 染料敏化太阳能电池 6
2.1 染料敏化太阳能电池(DSSC)简介 6
2.2 染料敏化太阳能电池对电极 7
3 基于硫化镍薄膜的DSSC制备与表征 13
3.1 实验过程 13
3.2 实验结果与讨论 17
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 中国环境现状
据中国有关部门研究报道，由于能源消耗过程中，大量污染性物质的排放，中国环境所面临的形势极其严峻。中国在经历改革开放迅速发展后，环境问题日益突出。中国是世界人口最多的国家，2010年时成为最大的能源消费国，占全球煤炭消费的一半，主要体现在中国增加了对外国石油和天然气进口的依赖。[1]近几十年来，中国的经济过多的依靠消耗不可再生能源如煤炭、石油等拉动，这导致了中国很多城市成为了污染的重灾区。异常天气状况频发，空气质量难以达标，导致了人民生活幸福感降低。鉴于以上情况，中国环境问题已经到了十万火急的时刻。
目前，国家已经十分重视环境的改善，但取得的效果并不十分理想。主要原因为：一是前期污染较严重导致短期内治理难以取得成效；二是因为能源结构并没有取得根本性改 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
变，新能源如风能、太阳能技术不成熟，无法大规模的使用。要想改变这种现状，必须坚持两步同时走：一是继续深化治理手段，政府部门依旧需要加大对环境污染者的惩治，对于环境污染地区的重点整治，二是加快能源转型，让能源结构有根本性的转变。[2]中国需要金山银山保障生活质量，也需要绿色青山保障生活健康。
1.2 能源危机及能源变革
当今国际社会，能源储存量以及可使用量，是衡量一个国度是否持续发展的重要指标之一,也是能源能否促进一国经济快速增长的重要标志之一，因此石油等能源已经成了各国纷纷争夺的战略物资。[3] 中国，一个为实现伟大复兴梦的国度 ，每天都以惊人的速度消耗不可再生能源，虽然经济总量的不断增长，但随之而来的环境问题令人担忧，中国能源改革已到了不得不进行的地步。
一般情况下，可再生能源(太阳能等)和不可再生能源(煤炭等)合称为能源。在能源改革过程中，我们要减少不可再生能源的使用比例,逐步提高可再生能源的比重。与此同时，也需要综合考虑多方面因素。比如可再生能源获取的技术工艺是否达到标准，可再生能源使用效率是否能够达到较高水准，可再生能源的使 用是否安全等因素。
1.3 太阳能的优势
中国能源变革转型将是一条无比艰辛但具有重大意义的路，改革不仅有利于环境的改善，也有利于中国的供给端的改革，在国际上站在“绿色经济”的制高点。如果无法实现能源的成功变革转型，将无法与欧美大国竞争。因此我们必须更加了解太阳能，更加充分的利用太阳能能源。
太阳能作为一种绿色能源，以下四个方面是其最主要的优点：
(1) 普遍：太阳光照遍地球每一个角落，无论是哪个半球哪个大洲或者是哪个国家，都可以依靠光学器件随时使用，无需购买，无需发掘。
(2) 绿色：太阳能是人类目前为止可使用的最清洁能源，它没有尾气，不会产生颗粒物，因此其污染性极低。
(3) 充裕：太阳每一秒的辐射能等同于燃烧1.28亿吨煤，到达地球表面的为二十二亿分之一，是截止目前勘探到能源中最为巨大的。 因此具有巨大的利用空间。
(4) 无限：据科学家估算，太阳的生命可以达到几十亿年，地球约为几十亿年。在这方面考虑，对于人类社会而言太阳能是无法用完的。
1.4 太阳能电池及其分类
太阳能电池在社会生活、科学技术和军事武器等方面，均有可观的运用。太阳能的广泛使用，极大地便利了我们的社会生活，同时也降低了生活成本以及环境污染。太阳能电池是以光电效应等物理原理为基础，依靠光学器件实现光能到电能转化的装置。其中，晶体硅型和薄膜型为目前最主要的两种太阳能电池。如图 1所示。[4]
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图1 太阳能电池的主要种类
1.4.1 晶体硅型太阳能电池
太阳能电池硅系列中，主要有SCSSC (单晶硅)和PSSC(多晶硅)两种，其中转换效率较高的为SCSSC电池。要想制备出高性能的单晶硅，必须拥有性能较好单晶硅材料和完备的加工处理工艺。目前工业生产中，SCSSC的工艺已经相当完备，制备出性能极佳的单晶硅太阳能电池已经实现。要提高转换效率，一方面是要制备出更好的单晶硅材料，另一方面是要不断改善加工处理工艺。[5]
单晶硅薄膜制备过程中所需要的原硅材料过多，所用衬底材料价格昂贵，且随着时间的推移，光电转换效率会出现一定的衰退。PSSC，虽然效率低于SCSSC，但是其可以有效克服上述缺点。综上所述，PSSC 所具备的商业前景不可估量。
1.4.2 薄膜型太阳能电池
薄膜型太阳能电池可分为：硅薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳能电池。其中硅薄膜太阳能电池，与传统多晶硅、单晶硅并无太多差异，在此不再描述。有机薄膜太阳能电池，即在薄膜太阳能制备过程中加入有机物质，该物质发挥如发酵粉一样的作用，提高效率。化合物薄膜太阳能电池，即利用化合物制备薄膜，薄膜致密均匀，有利于提高转换效率。这三种薄膜太阳电池，都可以在低廉的衬底材料上(陶瓷、石墨等)沉积，且性能较佳。这一类材料，不仅价格低廉易于获得，而且所制备出来的薄膜性能，与理论估计差值极小。[67]
目录
1 引言 3
1.1 中国环境现状 3
1.2 能源危机及能源变革 3
1.3 太阳能的优势 4
1.4 太阳能电池及其分类 4
2 染料敏化太阳能电池 6
2.1 染料敏化太阳能电池(DSSC)简介 6
2.2 染料敏化太阳能电池对电极 7
3 基于硫化镍薄膜的DSSC制备与表征 13
3.1 实验过程 13
3.2 实验结果与讨论 17
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 中国环境现状
据中国有关部门研究报道，由于能源消耗过程中，大量污染性物质的排放，中国环境所面临的形势极其严峻。中国在经历改革开放迅速发展后，环境问题日益突出。中国是世界人口最多的国家，2010年时成为最大的能源消费国，占全球煤炭消费的一半，主要体现在中国增加了对外国石油和天然气进口的依赖。[1]近几十年来，中国的经济过多的依靠消耗不可再生能源如煤炭、石油等拉动，这导致了中国很多城市成为了污染的重灾区。异常天气状况频发，空气质量难以达标，导致了人民生活幸福感降低。鉴于以上情况，中国环境问题已经到了十万火急的时刻。
目前，国家已经十分重视环境的改善，但取得的效果并不十分理想。主要原因为：一是前期污染较严重导致短期内治理难以取得成效；二是因为能源结构并没有取得根本性改 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
变，新能源如风能、太阳能技术不成熟，无法大规模的使用。要想改变这种现状，必须坚持两步同时走：一是继续深化治理手段，政府部门依旧需要加大对环境污染者的惩治，对于环境污染地区的重点整治，二是加快能源转型，让能源结构有根本性的转变。[2]中国需要金山银山保障生活质量，也需要绿色青山保障生活健康。
1.2 能源危机及能源变革
当今国际社会，能源储存量以及可使用量，是衡量一个国度是否持续发展的重要指标之一,也是能源能否促进一国经济快速增长的重要标志之一，因此石油等能源已经成了各国纷纷争夺的战略物资。[3] 中国，一个为实现伟大复兴梦的国度 ，每天都以惊人的速度消耗不可再生能源，虽然经济总量的不断增长，但随之而来的环境问题令人担忧，中国能源改革已到了不得不进行的地步。
一般情况下，可再生能源(太阳能等)和不可再生能源(煤炭等)合称为能源。在能源改革过程中，我们要减少不可再生能源的使用比例,逐步提高可再生能源的比重。与此同时，也需要综合考虑多方面因素。比如可再生能源获取的技术工艺是否达到标准，可再生能源使用效率是否能够达到较高水准，可再生能源的使 用是否安全等因素。
1.3 太阳能的优势
中国能源变革转型将是一条无比艰辛但具有重大意义的路，改革不仅有利于环境的改善，也有利于中国的供给端的改革，在国际上站在“绿色经济”的制高点。如果无法实现能源的成功变革转型，将无法与欧美大国竞争。因此我们必须更加了解太阳能，更加充分的利用太阳能能源。
太阳能作为一种绿色能源，以下四个方面是其最主要的优点：
(1) 普遍：太阳光照遍地球每一个角落，无论是哪个半球哪个大洲或者是哪个国家，都可以依靠光学器件随时使用，无需购买，无需发掘。
(2) 绿色：太阳能是人类目前为止可使用的最清洁能源，它没有尾气，不会产生颗粒物，因此其污染性极低。
(3) 充裕：太阳每一秒的辐射能等同于燃烧1.28亿吨煤，到达地球表面的为二十二亿分之一，是截止目前勘探到能源中最为巨大的。 因此具有巨大的利用空间。
(4) 无限：据科学家估算，太阳的生命可以达到几十亿年，地球约为几十亿年。在这方面考虑，对于人类社会而言太阳能是无法用完的。
1.4 太阳能电池及其分类
太阳能电池在社会生活、科学技术和军事武器等方面，均有可观的运用。太阳能的广泛使用，极大地便利了我们的社会生活，同时也降低了生活成本以及环境污染。太阳能电池是以光电效应等物理原理为基础，依靠光学器件实现光能到电能转化的装置。其中，晶体硅型和薄膜型为目前最主要的两种太阳能电池。如图 1所示。[4]
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图1 太阳能电池的主要种类
1.4.1 晶体硅型太阳能电池
太阳能电池硅系列中，主要有SCSSC (单晶硅)和PSSC(多晶硅)两种，其中转换效率较高的为SCSSC电池。要想制备出高性能的单晶硅，必须拥有性能较好单晶硅材料和完备的加工处理工艺。目前工业生产中，SCSSC的工艺已经相当完备，制备出性能极佳的单晶硅太阳能电池已经实现。要提高转换效率，一方面是要制备出更好的单晶硅材料，另一方面是要不断改善加工处理工艺。[5]
单晶硅薄膜制备过程中所需要的原硅材料过多，所用衬底材料价格昂贵，且随着时间的推移，光电转换效率会出现一定的衰退。PSSC，虽然效率低于SCSSC，但是其可以有效克服上述缺点。综上所述，PSSC 所具备的商业前景不可估量。
1.4.2 薄膜型太阳能电池
薄膜型太阳能电池可分为：硅薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳能电池。其中硅薄膜太阳能电池，与传统多晶硅、单晶硅并无太多差异，在此不再描述。有机薄膜太阳能电池，即在薄膜太阳能制备过程中加入有机物质，该物质发挥如发酵粉一样的作用，提高效率。化合物薄膜太阳能电池，即利用化合物制备薄膜，薄膜致密均匀，有利于提高转换效率。这三种薄膜太阳电池，都可以在低廉的衬底材料上(陶瓷、石墨等)沉积，且性能较佳。这一类材料，不仅价格低廉易于获得，而且所制备出来的薄膜性能，与理论估计差值极小。[67]
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