鐘瑞 李欣 孫月 張悅 邢月

(沈陽師范大學化學化工學院，遼寧 沈陽 110034)

染料敏化太陽能電池碳對電極研究進展

鐘瑞 李欣 孫月 張悅 邢月

(沈陽師范大學化學化工學院，遼寧 沈陽 110034)

對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、高性能的對電極一直是國內外染料敏化太陽能電池研究的重點。本文介紹了染料敏化太陽能電池的結構及對電極的功用，闡述了近年來碳材料對電極的研究成果，并對幾種新型碳對電極進行了重點綜述。

染料敏化太陽能電池；對電極；碳材料

0 引言

1991年，瑞士科學家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新的大門。過去的二十多年里，人們對影響轉化效率的因素如光陽極、染料敏化材料、電解質、對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化效率已突破13%。對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電極材料。雖然鉑電極的電池性能最佳，但其價格高昂，限制了其大規(guī)模產業(yè)化應用。碳材料具有催化活性較好、價格低廉、來源廣泛、制備簡便等突出的優(yōu)勢，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦蛯﹄姌O材料。本文重點綜述了近年來碳對電極在DSSC研究中的新進展。

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、電解質和對電極構成。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帶中去，隨后通過導電玻璃襯底向外電路輸出，最終電子被對電極收集，然后將電解質中的I3-還原為I-離子，完成一個循環(huán)。其中，對電極除了收集并傳遞給電解質電子外，還具有吸附并催化還原電解質的重要作用。

2 石墨和碳黑對電極

石墨和碳黑是最早使用的碳對電極材料。1996年Kay等人利用絲網印刷將石墨和碳黑在導電玻璃上制備對電極。高電導率的石墨與高比表面積的碳黑相結合，具有良好的催化效果，這種復合材料電極組裝的電池獲得了6.67%的光電轉換效率。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電玻璃襯底上制備電池對電極，光電轉換效率可達9.1%。

3 富勒烯和碳納米管對電極

富勒烯和碳納米管具有獨特的電化學特性，其電導率更高、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有廣泛的應用，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，富勒烯也可以作為DSSC的對電極使用。但是，有研究發(fā)現，用單純的富勒烯作為對電極其光電轉換效率較低，如商用富勒烯為對電極，電池效率僅為2.81%?？梢酝ㄟ^將富勒烯與其他碳材料摻雜制備復合電極來提高電池效率。近年來，碳納米管對電極的研究十分活躍。Velten等采用多壁碳納米光作為DSSC的對電極，實現了6.62%的光電轉換效率。Yang等制備了定向碳納米管陣列電極，提高了載流子輸運能力和分離效率，其電池效率可達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，其電化學特性甚佳，而催化性能良好，組裝的電池光電效率可達8.6%。

4 石墨烯對電極

石墨烯(Graphene)是一種新型二維平面碳納米材料，具有質地輕薄、機械強度大、電子傳輸率高、導熱性強、比表面積大等諸多優(yōu)勢，是非常理想的太陽能電池的對電極材料。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合材料，以獲得高電導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合材料電極，其光電轉換效率為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7%。

5 其它碳材料對電極

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域受到越來越多的關注。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電極，其組裝的DSSC電池轉換率可達7.5%。此外，一些新型復合材料也取得了良好的實驗結果，如Zhao等制備了新型碳凝膠復合材料，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應用，即通過建立光伏發(fā)電系統(tǒng)為社會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和使用過程中造成的嚴重的環(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)化應用，在生產和運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，由于硅本身價格較高，加之制備工藝復雜，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，遠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，電池的成本會進一步降低。從而推進整個太陽能電池行業(yè)的產業(yè)化進程。不過，非鉑電極的染料敏化太陽能電池還存在著光電轉換效率較低、長期工作穩(wěn)定性較差等問題，需要學術界進一步探索碳材料等新型電極材料。

7 結語

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

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鐘瑞(1994-)，女，本科，沈陽師范大學化學師范專業(yè)，大學三年級，研究方向：精細化工。

項目資助：沈陽師范大學“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”項目(201610166300083)