利用磁控溅射制备固体氧化物燃料电池阴极功能层

【摘要】中温固体氧化物燃料电池(IntermediateTemperatureSolidOxideFuelCell,IntermediateTemperatureSOFC)是一种环境友好型能量转换装置,可以将化学能高效率地转换为电能。为提高电池阴极与电解质层的匹配性,可加入高性能的阴极功能层,其要具备足够高的电子电导率、足够长的三相界面、足够高的孔隙率、良好的热膨胀系数匹配度等等特性。以多孔YSZ薄膜为支架,浸渍高电导率材料(比如Ni,LSM等)进去而制备的薄膜材料可作为阴极功能层的选择之一。磁控溅射具有衬底速率高、衬底温度低、成本低、易操作等优点,因而可作为薄膜制备方法的首选。倾斜沉积技术(GlancingAngleDeposition,GLAD)结合磁控溅射可制备出高空隙率的薄膜,孔隙率最高可达40%,且可根据实验参数进一步提高。用倾斜沉积技术制备的薄膜具有倾斜柱状晶结构,且各柱状晶之间有空隙,因而可形成较高的孔隙率。利用倾斜沉积技术可制备具有各种形状的柱状晶结构,比如之字形、V形,螺旋形等等。用此技术制备的薄膜也广泛应用于各个领域,比如传感器、太阳能电池、燃料电池等等。本文采用反应磁控溅射倾斜沉积技术制备多孔YSZ薄膜,探究不同实验参数对薄膜结构和性能的影响,得到高空隙率的YSZ薄膜。并通过浸渍高电导率材料Ni来制备阴极功能层,并测试其性能。通过实验和分析最终得到如下结论：1.反应磁控溅射倾斜沉积技术制备的薄膜具有倾斜柱状晶结构。不同沉积角下,薄膜的结构和性能会发生变化,主要体现在晶体结构、柱状倾斜角、孔隙率、折射率、透射和反射光谱等上。同时沉积角对薄膜的沉积速率也会产生影响,这主要是由于阴影效应和表面吸附原子的迁移效应共同作用的结果。沉积角为60。时可在相对较高沉积速率下制备较高空隙率YSZ薄膜。2.在沉积角为0。的实验条件下制备多孔YSZ薄膜,并测量其电学性能随着温度的变化而发生的变化,发现其电导随温度变化趋势符合Arrhenius方程,且其电导率与块材YSZ的电导率相差不大或稍高。大角度下在Ag膜上制备的YSZ薄膜容易脱落。3.在阳极片上垂直溅射生长YSZ薄膜,烧结后薄膜变得致密,烧结温度比其他方法制备的YSZ所需的烧结温度要低,因而固体氧化物燃料电池的致密电解质可用磁控溅射来制备。半电池片上生长YSZ薄膜,孔隙率大,可用作固体氧化物燃料电池的阴极功能层,浸渍入高电导率材料后有望提高其电学性能。
【作者】蒋缓缓；
【导师】谢斌；
【作者基本信息】中国科学技术大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】钇稳定的氧化锆；中温固体氧化物燃料电池；阴极功能层；反应磁控溅射倾斜沉积技术；沉积角；孔隙率；电学性能；

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