染料敏化太陽能電池碳對(duì)電極研究進(jìn)展

鐘瑞 李欣 孫月 張悅 邢月

(沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽 110034)

染料敏化太陽能電池碳對(duì)電極研究進(jìn)展

鐘瑞 李欣 孫月 張悅 邢月

(沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽 110034)

對(duì)電極是染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells,DSSC)的重要組成，而低成本、高性能的對(duì)電極一直是國內(nèi)外染料敏化太陽能電池研究的重點(diǎn)。本文介紹了染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)及對(duì)電極的功用，闡述了近年來碳材料對(duì)電極的研究成果，并對(duì)幾種新型碳對(duì)電極進(jìn)行了重點(diǎn)綜述。

染料敏化太陽能電池；對(duì)電極；碳材料

0 引言

1991年，瑞士科學(xué)家Gr?tzel教授在染料敏化太陽能電池方面的開拓性研究，給新型太陽能電池的研究打開了一個(gè)新的大門。過去的二十多年里，人們對(duì)影響轉(zhuǎn)化效率的因素如光陽極、染料敏化材料、電解質(zhì)、對(duì)電極等開展了廣泛深入的研究，目前該種類型電池的光電轉(zhuǎn)化效率已突破13%。對(duì)電極是電池的核心部件之一，其中鉑金屬是目前最廣泛采用的對(duì)電極材料。雖然鉑電極的電池性能最佳，但其價(jià)格高昂，限制了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。碳材料具有催化活性較好、價(jià)格低廉、來源廣泛、制備簡(jiǎn)便等突出的優(yōu)勢(shì)，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦蛯?duì)電極材料。本文重點(diǎn)綜述了近年來碳對(duì)電極在DSSC研究中的新進(jìn)展。

1 染料敏化太陽能電池的工作原理

DSSC通常由載有染料敏化劑的二氧化鈦光陽極、電解質(zhì)和對(duì)電極構(gòu)成。在太陽光的照射下，吸附在光陽極上的染料分子吸收一定波長(zhǎng)的光子后，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，并將電子注入到光陽極的導(dǎo)帶中去，隨后通過導(dǎo)電玻璃襯底向外電路輸出，最終電子被對(duì)電極收集，然后將電解質(zhì)中的I3-還原為I-離子，完成一個(gè)循環(huán)。其中，對(duì)電極除了收集并傳遞給電解質(zhì)電子外，還具有吸附并催化還原電解質(zhì)的重要作用。

2 石墨和碳黑對(duì)電極

石墨和碳黑是最早使用的碳對(duì)電極材料。1996年Kay等人利用絲網(wǎng)印刷將石墨和碳黑在導(dǎo)電玻璃上制備對(duì)電極。高電導(dǎo)率的石墨與高比表面積的碳黑相結(jié)合，具有良好的催化效果，這種復(fù)合材料電極組裝的電池獲得了6.67%的光電轉(zhuǎn)換效率。采用類似的方法，Li等采用碳漿制備多孔碳電極，獲得了6.1%的電池效率。Murakami等直接將碳黑涂覆在導(dǎo)電玻璃襯底上制備電池對(duì)電極，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)9.1%。

3 富勒烯和碳納米管對(duì)電極

富勒烯和碳納米管具有獨(dú)特的電化學(xué)特性，其電導(dǎo)率更高、比表面積更大，是極具發(fā)展?jié)摿Φ娜S納米材料。富勒烯在太陽能電池中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，主要作為電子受體材料使用。研究表明，采用合適的制備技術(shù)，富勒烯也可以作為DSSC的對(duì)電極使用。但是，有研究發(fā)現(xiàn)，用單純的富勒烯作為對(duì)電極其光電轉(zhuǎn)換效率較低，如商用富勒烯為對(duì)電極，電池效率僅為2.81%。可以通過將富勒烯與其他碳材料摻雜制備復(fù)合電極來提高電池效率。近年來，碳納米管對(duì)電極的研究十分活躍。Velten等采用多壁碳納米光作為DSSC的對(duì)電極，實(shí)現(xiàn)了6.62%的光電轉(zhuǎn)換效率。Yang等制備了定向碳納米管陣列電極，提高了載流子輸運(yùn)能力和分離效率，其電池效率可達(dá)8.46%。Arman等通過在多壁碳納米管中摻雜鉑制備了混合型電極，其電化學(xué)特性甚佳，而催化性能良好，組裝的電池光電效率可達(dá)8.6%。

4 石墨烯對(duì)電極

石墨烯(Graphene)是一種新型二維平面碳納米材料，具有質(zhì)地輕薄、機(jī)械強(qiáng)度大、電子傳輸率高、導(dǎo)熱性強(qiáng)、比表面積大等諸多優(yōu)勢(shì)，是非常理想的太陽能電池的對(duì)電極材料。不過，目前石墨烯電極存在的主要問題是如何在合適的襯底上制備高質(zhì)量的大面積薄膜。此外，與富勒烯電極類似，石墨烯電極通過與其它碳材料復(fù)合，或者摻雜改性，可以獲得較高的電池性能。如Miao等將石墨烯與碳黑制成復(fù)合材料，以獲得高電導(dǎo)率和高比表面積的電極材料，其電池效率將近6%。Yen等用石墨烯和多壁碳納米管混合制備復(fù)合材料電極，其光電轉(zhuǎn)換效率為6.11%。而Wang等制備了氮摻雜石墨烯電極，具有更高的催化活性，其電池效率可達(dá)7%。

5 其它碳材料對(duì)電極

介孔碳材料(孔徑：2 nm ～50 nm)具有孔道有序性好、比表面積高、孔隙率高和摻雜性好等特性，在太陽能電池研究領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。Peng等利用模板法制備了高度有序的介孔碳電極，其電池效率為6.39%。而Wu等采用“一步法”制備了有序介孔碳材料對(duì)電極，其組裝的DSSC電池轉(zhuǎn)換率可達(dá)7.5%。此外，一些新型復(fù)合材料也取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如Zhao等制備了新型碳凝膠復(fù)合材料，具有良好的催化性能，組裝的DSSC電池效率超過了9%。

6 展望

無論何種類型的太陽能電池，研究開發(fā)的最終目的都是為了社會(huì)應(yīng)用，即通過建立光伏發(fā)電系統(tǒng)為社會(huì)提供清潔可再生能源。目前，人類使用的能源仍然是以石油、煤炭和天然氣等為代表的化石能源為主，這類化石能源主要存在著供給不足以及在生產(chǎn)和使用過程中造成的嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題。太陽能發(fā)電系統(tǒng)要想大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，在生產(chǎn)和運(yùn)行成本上至少要做到接近水電和火電的水平。以硅為原材料的傳統(tǒng)太陽能電池，由于硅本身價(jià)格較高，加之制備工藝復(fù)雜，這就使得電池的整體制作成本占到光伏發(fā)電系統(tǒng)的45%左右。目前，硅電池的供電成本在1.0-1.5元/千瓦時(shí)，遠(yuǎn)高于水電和火電的成本。而染料敏化太陽能電池，由于其原材料較為低廉，制作簡(jiǎn)單，特別是如果采用碳材料等低成本電極替代貴金屬鉑電極后，電池的成本會(huì)進(jìn)一步降低。從而推進(jìn)整個(gè)太陽能電池行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。不過，非鉑電極的染料敏化太陽能電池還存在著光電轉(zhuǎn)換效率較低、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性較差等問題，需要學(xué)術(shù)界進(jìn)一步探索碳材料等新型電極材料。

7 結(jié)語

染料敏化太陽能電池方興未艾，正處于產(chǎn)業(yè)化的前夜。常用的鉑對(duì)電極由于價(jià)格昂貴，限制了電池的大規(guī)模生產(chǎn)，今后對(duì)電極今后研究趨勢(shì)是開發(fā)價(jià)格低廉、催化性能好、制備工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性優(yōu)異的非鉑對(duì)電極材料。從目前的研究進(jìn)展來看，種類繁多的碳材料對(duì)電極恰好符合這一發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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鐘瑞(1994-)，女，本科，沈陽師范大學(xué)化學(xué)師范專業(yè)，大學(xué)三年級(jí)，研究方向：精細(xì)化工。

項(xiàng)目資助：沈陽師范大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(201610166300083)