碳纳米材料具有独特的结构特点与物理化学性质,如高比表面积,高导电性,高催化活性,而且低成本,因此可以用来替代染料敏化太阳能电池中传统的铂对电极,具有良好的应用前景。本论文从以下几个方面研究了纳米碳材料的制备及其在染料敏化太阳能电池对电极中的应用。(1)研究了一种简单且低成本的制备分层多孔的纳米碳对电极的方法。制备过程只是用到了简单的旋涂法与火焰合成法。制备出的纳米碳材料为碳纳米管与碳纳米纤维的复合物。在制备过程中,前驱物中的硫酸镍作为碳复合物的生长催化剂,十二烷基硫酸钠作为造孔剂。生成的碳复合物具有分层多孔的结构,拥有致密层和多孔层,其中致密层作为快速通道在多孔层与基底间快速传输电子,从而减少对电极的串联电阻,多孔层提供大的催化表面积,从而增加对电极的催化活性。用这种纳米碳材料作为对电极的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到了6.5%,这个效率接近传统的使用铂对电极的电池。此外,文中建立了一个质量传输模型用来研究载流子的传输,研究发现这种对电极的结构有益于载流子的输运。这种纳米碳材料的制备方法简单且有效,因而具有较好的应用前景来大规模的制备染料敏化太阳能电池对电极。(2)为了进一步提高纳米碳对电极的性能,从而提高染料敏化太阳能电池的效率,使这种纳米碳结构更加导电且催化活性更高,这里对前一章的研究进行了改进。相比于前部分制备纳米碳材料的步骤,在涂覆硫酸镍与十二烷基硫酸钠的混合溶液之前,先在钛基底上依次沉积锡和镍的薄膜。这样形成的前驱体,在火焰法制备纳米碳对电极的过程中,低熔点的锡会融化且重铸形成三维框架结构,镍层会在这个三维结构上铺开,生长得到纳米碳材料。这种纳米碳材料为碳纳米管与碳纳米纤维的复合物。接着,硫酸镍与十二烷基硫酸钠会填充三维结构的空隙,且作为催化剂进一步生长这种碳复合物。总体而言,制备出的碳复合材料显示出优良的导电性和大的催化活性。用它作为染料敏化太阳能的对电极,电池效率达到6.79%,超过了传统的铂作为催化剂的染料敏化太阳能电池的效率6.65%。这种方法尽管工序较为复杂,但是可以制备高效率的染料敏化太阳能电池对电极。(3)研究了一种使用二氧化钛镶嵌的氯化镍胶体催化剂来制备粘合的,厚的且多孔的纳米碳颗粒的方法,且用于染料敏化太阳能电池对电极。传统制备碳纳米颗粒的方法中用的是固体或液体催化剂。而这里使用的是胶体催化剂。依靠嵌入其中的二氧化钛成份,这种凝胶催化剂可以粘附足够的镍成份在基底上,从而使生成的碳纳米颗粒层较厚。同时,二氧化钛成份有效分隔了镍成份,这样增强了镍成份的活性,使制备的纳米碳颗粒更加多孔。另外,二氧化钛适量的粘合了这些多孔的纳米碳颗粒产物,使其更导电。研究发现,用这种方法制备出的对电极具有高的催化能力和导电性。使用这种对电极的染料敏化太阳能电池,其光电转换效率达到了6.6%,超过了使用铂对电极电池的效率6.5%。这种碳纳米颗粒的结构进一步被证明有利于载流子输运。这种简单有效的制备方法有潜力被应用在一般的纳米材料的制备中。(4)通过振动测试方式研究了基于弹性钛基底的纳米碳复合物对电极的弹性稳定性。这种测试方式不同于传统的弯曲试验方法,它更接近于真实的振动,所以能够更直接地研究电极的弹性稳定性。对电极的弹性稳定性由其组装的染料敏化太阳能电池的光电转化效率来衡量。对电极上的催化层为碳纳米管与镍颗粒形成的多孔的碳纳米复合物。稳定性研究分别从催化层形貌,对电极电化学参量和电池的性能参数角度进行了讨论。此外,采用有限元方式建立了接触力学模型研究了催化层形貌对稳定性的影响。研究结果表明,对电极的稳定性主要取决于总的内部阻抗值的稳定性。更薄的催化层厚度和更大的催化层交联程度有利于对电极的弹性稳定性。当催化层具有合适的复合结构时,即使对电极经受1000个振动周期,且最大振幅为20毫米,其总内部阻抗的变化小于10%,从而染料敏化太阳能电池的光电转换效率能保持在原来的80%左右。这个实验结果可以对一般的附着有多孔材料的电极的弹性稳定性研究提供参考。