炭黑復(fù)合對(duì)電極的制備及其性能研究

【摘 要】文章從染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）及其對(duì)電極的概括性介紹入手，以實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極的制備進(jìn)行論述，最后對(duì)該對(duì)電極的性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極比傳統(tǒng)的鉑電極更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。期望通過(guò)本文的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)DSSC的推廣應(yīng)用有所幫助。

【關(guān)鍵詞】DSSC；炭黑；復(fù)合對(duì)電極；性能

1.染料敏化太陽(yáng)能電池及其對(duì)電極

1.1染料敏化太陽(yáng)能電池

染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)稱(chēng)DSSC，其歸屬于有機(jī)太陽(yáng)能電池的范疇，雖然它沒(méi)有薄膜太陽(yáng)能電池的效率高，但是DSSC的理論轉(zhuǎn)化效率卻是其它類(lèi)型太陽(yáng)能電池?zé)o法比擬的，從而使其在效率提升方面具有較大的空間。同時(shí)，DSSC的制作成本較低且制備工藝簡(jiǎn)單，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家通過(guò)估算后得出如下結(jié)論：DSSC實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的成本僅為晶體硅的10%左右。作為新一代的有機(jī)太陽(yáng)能電池，DSSC除了制作成本低、重量輕、環(huán)境友好、性能穩(wěn)定之外，其對(duì)光照還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在陰雨天或是光強(qiáng)不充足時(shí)，DSSC的效率不僅不會(huì)降低，反而還會(huì)比平時(shí)有所提升。DSSC主要是由以下幾個(gè)部分組成：吸附了敏化染料的二氧化鈦薄膜、電解質(zhì)以及對(duì)電極等。其中吸附了敏化染料的二氧化鈦薄膜是整個(gè)電池的核心部分，又被稱(chēng)為光陽(yáng)極；電解質(zhì)的主要作用是確保電池的性能穩(wěn)定，它的選擇尤為重要，除了要考慮到與染料分子能級(jí)的匹配性之外，還要合理選用與之搭配的有機(jī)溶劑；對(duì)電極通常都是由鍍鉑的導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，它的主要作用是收集和輸送電子。

1.2對(duì)電極

DSSC對(duì)電極又被稱(chēng)之為陰極，其最為主要的作用是接收電子，并以較快的速度將電子傳給電解質(zhì)，為了滿(mǎn)足這一要求，對(duì)電極材料必須具備較高的導(dǎo)電性和催化性。對(duì)電極除了具備接收和傳遞電子的作用之外，還具有鏡面反射作用，它能夠?qū)⒐怅?yáng)極未能完全吸收的太陽(yáng)光反射回去進(jìn)行再利用，正是基于這一原因，使得DSSC的光電轉(zhuǎn)化率大幅度提升。通常情況下，對(duì)電極主要是由催化材料和導(dǎo)電襯底構(gòu)成，前者多數(shù)為貴重金屬鉑，后者主要用于對(duì)外電路中電子的收集。

2.炭黑復(fù)合對(duì)電極的制備方法及其性能分析

目前，業(yè)內(nèi)對(duì)DSSC的研究雖然比較多，但絕大部分都處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未獲得推廣和應(yīng)用。導(dǎo)致這一問(wèn)題的原因較多，如液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)泄漏、光電轉(zhuǎn)換效率不高等等。從具體應(yīng)用的層面上講，鉑電極的效果最佳，但是鉑本身是一種貴重金屬，其價(jià)格比較昂貴，并且容易受到電解質(zhì)的腐蝕，從而嚴(yán)重影響了電池的使用壽命。鑒于此，探尋一種能夠替代鉑作為電極的材料成為重要課題。在不斷地研究中發(fā)現(xiàn)，可作為對(duì)電極的材料主要有三大類(lèi)，即碳材料、導(dǎo)電聚合物材料以及金屬材料，其中碳材料不僅導(dǎo)電率較高，而且性能較為穩(wěn)定，而導(dǎo)電高分子聚合物的價(jià)格比較低廉，質(zhì)量輕，與玻璃基底的接觸性較好。為此，可將碳材料與導(dǎo)電高分子聚合物進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械混合，制備導(dǎo)電聚苯胺基碳復(fù)合對(duì)電極。

2.1炭黑復(fù)合對(duì)電極的制備

2.1.1實(shí)驗(yàn)材料

FTO（導(dǎo)電玻璃）、導(dǎo)電聚苯胺、導(dǎo)電炭黑、二氧化鈦、PVP（聚乙烯吡咯烷酮）、OP乳化劑、異丙醇和無(wú)水乙醇、N-甲基吡咯烷酮等等。

2.1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

先將聚苯胺和炭黑根據(jù)不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合，并向混合物中加入0.2ml的N-甲基吡咯烷酮以及0.5ml的OP乳化劑，然后將0.4g的PVP加入至裝有10ml蒸餾水的燒杯內(nèi)，并將燒杯置于超聲波清洗機(jī)當(dāng)中進(jìn)行振蕩，時(shí)間控制在5min左右，通過(guò)該過(guò)程使PVP完全溶解；隨后，倒入盛有聚苯胺與炭黑混合物的器皿當(dāng)中，攪拌均勻后，放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行振蕩，時(shí)間控制在5min左右，借此來(lái)使配料混合充分；最后倒入球磨罐中，球磨10h左右得到漿料，采用絲網(wǎng)印刷法在FTO上成膜，待其自然干燥后，以70℃左右的溫度進(jìn)行熱處理，時(shí)間約為30min，由此便可獲得聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極。

2.1.3 SEM表征

在掃描電子顯微鏡（SEM）下，制備的聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極的微觀形貌如圖1所示。

圖1 SEM下不同放大倍數(shù)的復(fù)合對(duì)電極橫斷面

由圖1中能夠清楚的看到，采用本文提出的方法制備出來(lái)的復(fù)合對(duì)電極較為均為，表面平整度較高，基本無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，薄膜的厚度在7-10μm左右，呈枝狀交錯(cuò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)之間存在較大的孔洞，在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)鏈上附著了大量的炭黑顆粒，由于這些顆粒本身具有催化活性作用，從而顯著增加了對(duì)電極的催化活性，也使對(duì)電極對(duì)I-3/I-氧化還原電對(duì)的催化能力大幅度增強(qiáng)。在此必須著重闡明的一點(diǎn)是，由于孔洞過(guò)大，會(huì)對(duì)外電路電子在對(duì)電極內(nèi)部的傳遞速度造成一定程度的影響，由此會(huì)對(duì)電池的導(dǎo)電性產(chǎn)生影響。

2.2復(fù)合對(duì)電極的性能

對(duì)復(fù)合對(duì)電極性能的分析主要是研究其光電性能，具體做法是利用實(shí)驗(yàn)中制備出的聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極組裝成DSSC，并采用氤燈光源作為模擬太陽(yáng)光的入射光源，對(duì)電池的整體性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用輻照計(jì)對(duì)光源進(jìn)行標(biāo)定。

2.2.1 J-V分析

采用不同炭黑含量（1%、3%、5%、10%）的復(fù)合對(duì)電極與制備好的光陽(yáng)極組裝成DSSC，并在標(biāo)準(zhǔn)的光源下對(duì)DSSC進(jìn)行光電性能測(cè)試，結(jié)果如下：炭黑含量為3%時(shí)，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最高，約為7.77%。不僅如此，在該炭黑含量的條件下，DSSC的開(kāi)路電壓達(dá)到了0.762V，短路電流則達(dá)到了25.14mA/c㎡；當(dāng)炭黑含量增加至5%和10%時(shí)，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率不升反降，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是少量的炭黑能夠有效粘附在聚苯胺表面上，而隨著炭黑含量的增大，過(guò)多的炭黑顆粒便會(huì)散落到聚苯胺較大的孔洞中，從而將孔洞填滿(mǎn)，由此一來(lái)，造成了液態(tài)電解質(zhì)的吸附機(jī)會(huì)大幅度降低，外電路電子的傳遞也受到影響。可見(jiàn)，在制備炭黑復(fù)合對(duì)電極時(shí)，必須對(duì)炭黑含量進(jìn)行合理選擇。

2.2.2循環(huán)伏安分析

通常情況下，處于負(fù)電位的峰值多數(shù)都與還原反應(yīng)相對(duì)應(yīng)，而正電位的峰值則與氧化反應(yīng)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)氧化還原電流的密度越大時(shí)，I-3/I-在對(duì)電極表面的反應(yīng)速度就越快，此時(shí)復(fù)合對(duì)電極的轉(zhuǎn)移電阻就越小。由于聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極具有較強(qiáng)的催化還原特性，故此炭黑顆粒附著在聚苯胺長(zhǎng)鏈上能夠使對(duì)電極的催化活性顯著增強(qiáng)。聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極之所以具有較高的還原電流密度，是因?yàn)榫郾桨方柚陨淼慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)給外電路電子提供了一個(gè)在對(duì)電極上快速傳遞的通道，同時(shí)，炭黑顆粒在聚苯胺上附著后，能夠?yàn)榫郾桨诽峁└嗟拇呋钚灾c(diǎn)，這樣一來(lái)便可使I-3/I-在聚苯胺表面發(fā)生快速反應(yīng)，從而有效減小電子被復(fù)合的幾率。此外，聚苯胺本身為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為I-3/I-的有效吸附提供了更大的空間。故此，與傳統(tǒng)鉑電極相比，聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3.結(jié)論

綜上所述，本文針對(duì)當(dāng)前DSSC中鉑電極價(jià)格昂貴、制備復(fù)雜的情況，提出了一種能夠替代鉑電極的聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極，并對(duì)其制備方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)分析了該復(fù)合對(duì)電極的性能，結(jié)果表明，聚苯胺/炭黑復(fù)合對(duì)電極無(wú)論是在性能還是價(jià)格上，都比鉑電極更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。 [科]

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