1991年, 瑞士科学家Grätzel教授在染料敏化太阳能电池方面的开拓性研究, 给新型太阳能电池的研究打开了一个新的大门。过去的二十多年里, 人们对影响转化效率的因素如光阳极、染料敏化材料、电解质、对电极等开展了广泛深入的研究, 目前该种类型电池的光电转化效率已突破13%。对电极是电池的核心部件之一, 其中铂金属是目前最广泛采用的对电极材料。虽然铂电极的电池性能最佳, 但其价格高昂, 限制了其大规模产业化应用。碳材料具有催化活性较好、价格低廉、来源广泛、制备简便等突出的优势, 是一种发展潜力巨大的新型对电极材料。本文重点综述了近年来碳对电极在DSSC研究中的新进展。
DSSC通常由载有染料敏化剂的二氧化钛光阳极、电解质和对电极构成。在太阳光的照射下, 吸附在光阳极上的染料分子吸收一定波长的光子后, 由基态跃迁到激发态, 并将电子注入到光阳极的导带中去, 随后通过导电玻璃衬底向外电路输出, 最终电子被对电极收集, 然后将电解质中的I3-还原为I-离子, 完成一个循环。其中, 对电极除了收集并传递给电解质电子外, 还具有吸附并催化还原电解质的重要作用。
石墨和碳黑是最早使用的碳对电极材料。1996年Kay等人利用丝网印刷将石墨和碳黑在导电玻璃上制备对电极。高电导率的石墨与高比表面积的碳黑相结合, 具有良好的催化效果, 这种复合材料电极组装的电池获得了6.67%的光电转换效率。采用类似的方法, Li等采用碳浆制备多孔碳电极, 获得了6.1%的电池效率。Murakami等直接将碳黑涂覆在导电玻璃衬底上制备电池对电极, 光电转换效率可达9.1%。
富勒烯和碳纳米管具有独特的电化学特性, 其电导率更高、比表面积更大, 是极具发展潜力的三维纳米材料。富勒烯在太阳能电池中已经有广泛的应用, 主要作为电子受体材料使用。研究表明, 采用合适的制备技术, 富勒烯也可以作为DSSC的对电极使用。但是, 有研究发现, 用单纯的富勒烯作为对电极其光电转换效率较低, 如商用富勒烯为对电极, 电池效率仅为2.81%。可以通过将富勒烯与其他碳材料掺杂制备复合电极来提高电池效率。近年来, 碳纳米管对电极的研究十分活跃。Velten等采用多壁碳纳米光作为DSSC的对电极, 实现了6.62%的光电转换效率。Yang等制备了定向碳纳米管阵列电极, 提高了载流子输运能力和分离效率, 其电池效率可达8.46%。Arman等通过在多壁碳纳米管中掺杂铂制备了混合型电极, 其电化学特性甚佳, 而催化性能良好, 组装的电池光电效率可达8.6%。
石墨烯 (Graphene) 是一种新型二维平面碳纳米材料, 具有质地轻薄、机械强度大、电子传输率高、导热性强、比表面积大等诸多优势, 是非常理想的太阳能电池的对电极材料。不过, 目前石墨烯电极存在的主要问题是如何在合适的衬底上制备高质量的大面积薄膜。此外, 与富勒烯电极类似, 石墨烯电极通过与其它碳材料复合, 或者掺杂改性, 可以获得较高的电池性能。如Miao等将石墨烯与碳黑制成复合材料, 以获得高电导率和高比表面积的电极材料, 其电池效率将近6%。Yen等用石墨烯和多壁碳纳米管混合制备复合材料电极, 其光电转换效率为6.11%。而Wang等制备了氮掺杂石墨烯电极, 具有更高的催化活性, 其电池效率可达7%。
介孔碳材料 (孔径:2 nm~50 nm) 具有孔道有序性好、比表面积高、孔隙率高和掺杂性好等特性, 在太阳能电池研究领域受到越来越多的关注。Peng等利用模板法制备了高度有序的介孔碳电极, 其电池效率为6.39%。而Wu等采用“一步法”制备了有序介孔碳材料对电极, 其组装的DSSC电池转换率可达7.5%。此外, 一些新型复合材料也取得了良好的实验结果, 如Zhao等制备了新型碳凝胶复合材料, 具有良好的催化性能, 组装的DSSC电池效率超过了9%。
无论何种类型的太阳能电池, 研究开发的最终目的都是为了社会应用, 即通过建立光伏发电系统为社会提供清洁可再生能源。目前, 人类使用的能源仍然是以石油、煤炭和天然气等为代表的化石能源为主, 这类化石能源主要存在着供给不足以及在生产和使用过程中造成的严重的环境污染等问题。太阳能发电系统要想大规模商业化应用, 在生产和运行成本上至少要做到接近水电和火电的水平。以硅为原材料的传统太阳能电池, 由于硅本身价格较高, 加之制备工艺复杂, 这就使得电池的整体制作成本占到光伏发电系统的45%左右。目前, 硅电池的供电成本在1.0-1.5元/千瓦时, 远高于水电和火电的成本。而染料敏化太阳能电池, 由于其原材料较为低廉, 制作简单, 特别是如果采用碳材料等低成本电极替代贵金属铂电极后, 电池的成本会进一步降低。从而推进整个太阳能电池行业的产业化进程。不过, 非铂电极的染料敏化太阳能电池还存在着光电转换效率较低、长期工作稳定性较差等问题, 需要学术界进一步探索碳材料等新型电极材料。
染料敏化太阳能电池方兴未艾, 正处于产业化的前夜。常用的铂对电极由于价格昂贵, 限制了电池的大规模生产, 今后对电极今后研究趋势是开发价格低廉、催化性能好、制备工艺简单、稳定性优异的非铂对电极材料。从目前的研究进展来看, 种类繁多的碳材料对电极恰好符合这一发展方向, 具有广阔的应用前景。
摘要：对电极是染料敏化太阳能电池 (Dye-sensitized solar cells, DSSC) 的重要组成, 而低成本、高性能的对电极一直是国内外染料敏化太阳能电池研究的重点。本文介绍了染料敏化太阳能电池的结构及对电极的功用, 阐述了近年来碳材料对电极的研究成果, 并对几种新型碳对电极进行了重点综述。
关键词：染料敏化太阳能电池,对电极,碳材料
[1] 孙善富, 孙明轩, 方亚林, 王莹.染料敏化太阳能电池碳材料对电极的研究进展[J].现代化工, 2016, 36 (6) :24-27.
[2] 王璟, 尚兴记, 张增明, 谢荣艳, 胡勇, 丁雨田.染料敏化太阳能电池新型对电极材料研究进展[J].材料导报A:综述篇, 2014, 28 (6) :14-21.
[3] 林松竹, 柴文, 张凌云, 贾若琨, 张瑛洁, 刘春光.染料敏化太阳能电池对电极的研究进展[J].化工新型材料, 2016, 44 (2) :4-5.
[4] 肖俊莹, 崔彤, 太优一, 李晓苇, 李玲.染料敏化太阳能电池碳对电极研究进展[J].河北大学学报 (自然科学版) , 2015, 35 (5) :552-560.
[5] 孙惠成, 罗艳红, 李冬梅, 孟庆波.染料敏化太阳能电池基础研究及产业化新进展.硅酸盐学报, 2011, 39 (7) :1045-4052.
[6] 刘保松, 刘晓光, 刘庆超.我国光伏发电经济性分析.华电技术, 2015, 37 (6) :72-73.
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