染料敏化太阳能电池中炭对电极的研究进展

孙志岩，刘 妍

（1. 辽宁石化职业技术学院， 辽宁 锦州 121000； 2. 中国石油集团东北炼化工程有限公司锦州设计院， 辽宁 锦州 121000）

染料敏化太阳能电池中炭对电极的研究进展

孙志岩1，刘 妍2

（1. 辽宁石化职业技术学院， 辽宁 锦州 121000； 2. 中国石油集团东北炼化工程有限公司锦州设计院， 辽宁 锦州 121000）

对电极是染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells， SSC）的一个重要组成部分。炭材料以其廉价、高化学稳定性和热稳定性备受研究者们的青睐。近年来，许多研究者将炭材料应用于 DSSC，并探究了炭材料对 I3-还原反应活性和对电池效率的影响。主要针对国内外研究者制备炭对电极所使用的炭材料对 I3-还原反应的催化活性和电池效率的影响进行了综述。

染料敏化太阳能电池；对电极；炭材料；电池效率

太阳能电池是实现光能到电能转换的一种重要的元件。目前已经工业化的硅太阳能电池受硅原料有限和价格因素的影响，其大面积应用已经逐渐受到限制。自上个世纪90年代开始，新型非晶硅薄膜太阳能电池以其成本低、重量轻便于大规模运输、光电能量转换效率较高的优点逐渐吸引了越来越多的研究者。染料敏化太阳能电池就是其中的一种[1]。

1991年，瑞士洛桑高等工业学院的 M.Grätzel教授带领的研究小组于《Nature》上首次发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章。他们采用使用高比表面积的TiO2纳米晶电极作为光阳极，集催化作用和导电作用于一体的 Pt/导电玻璃复合电极作为对电极以较低的成本得到了＞7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径[2]。

1 DSSC的结构及工作原理

DSSC主要分为三部分: 光阳极、对电极和填充在其间的电解液，DSSC具有典型的“三明治”结构，其构造见图1。DSSC的光电转换机理如下：

（1）吸附在 TiO2薄膜表面的染料分子受太阳光照射由基态跃迁至激发态；

（2）处于激发态的染料分子将电子注入到TiO2的导带中；

（3）电子扩散至 TiO2膜与导电玻璃的界面，后流入外电路中；

（4）处于氧化态的染料被I-还原再生，I-失去电子转化成I3-离子；

（5）I3-离子在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环[3,4]。

（6）和（7）分别为注入到TiO2导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合。

图1 DSSC的结构示意图Fig.1 The structure diagram of DSSC

2 DSSC炭对电极的研究进展

早在1996年，Kay等人就尝试制作了炭对电极，他们在催化层的石墨颗粒中加入了20%的炭黑，利用炭黑的高比表面积和高导电性来改善石墨的催化活性，从而大大提高了炭对电极的效率，电池的光电转化效率达到了6.67%。

经研究发现石墨并不是高效DSSC传统对电极Pt催化剂的理想替代材料。虽然石墨具有良好的导电性，但是石墨颗粒相对炭黑等纳米炭材料而言，对I3-还原反应催化活性较差，主要表现为电荷交换过程的阻抗较高，从而影响电池的效率[5]。

此后十几年间，分别有 Imoto[6]、Murakami[7]、Lee[8]、Denaro[9]等分别采用类似方法制备了炭黑/导电玻璃、纳米级碳粉/导电玻璃、碳纳米管/导电玻璃、乙炔黑/导电玻璃等炭对电极，炭黑、纳米级碳粉、碳纳米管等纳米炭材料具有较大的比表面积和较高的粗糙度作为催化剂，有利于催化 I3-还原反应，这些炭对电极组装的太阳能电池的效率最高达到了9.1%。但是这些炭对电极仍然使用导电玻璃作为基底，而导电玻璃的成本约占整个DSSC成本的50%，这就使得 DSSC成本依旧居高不下，同时导电玻璃较大的方块电阻和较差的导电性依旧是制约电池效率进一步提高的重要因素。

2009年，Yen[10]等在制备对电极的过程中掺杂了适量的碳纳米管，他们认为过量的碳纳米管会引起聚合效应，这会降低对电极的导电性。同时这项研究指出使用石墨类材料取代导电玻璃，这种对电极具有高导电性和低成本的双重优点。研究还指出复合极板良好的导电性可能是由于石墨类材料之间能形成更高效的导电网络。

在这个理论基础之上，2011年，Chen等以柔性石墨板为基底，活性炭颗粒作为催化剂，制备了纯炭材料的对电极[11]；Veerappan等使用次微米级胶体石墨作为DSSC的对电极，同时代替导电玻璃和催化剂Pt[12]。这两种纯炭对电极均具有良好的导电性和对 I3-还原反应良好的催化活性，它们组装的DSSC光电转换效率分别达到了6.46%和5.0%。

此后，Wang等采用与以往对电极制备方法完全不同的方法制备了纯炭对电极同时代替导电玻璃和Pt催化层，这种纯炭对电极表现出良好的导电性和对I3-良好的催化活性，电池效率达到了8.16%。值得一提的是他们采用具有高度有序、紧密排列骨架结构的有序介孔炭作为催化剂，这种有序介孔炭高的比表面积和规则有序的孔道结构为催化 I3-还原反应的进行提供良好的基础[13]。

3 结 论

DSSC对电极的研究和开发目前已经取得很大进步，各国研究者对DSSC对电极的制备和性能优化都做出了很大的贡献。目前DSSC对电极的研究焦点主要集中在低成本高效率的炭对电极的制备，炭材料以其良好的催化活性、导电性性、化学稳定性以及价格低廉的优点成为了传统 Pt对电极的良好替代品。目前这方面的研究中依然存在诸多问题，但是随着技术的进步，相信这些问题都能得到有效的解决，在不久的将来DSSC会有着良好的应用前景。

［1］黄振. 碳材料在纳米晶染料敏化太阳能电池对电极研究中的应用[D]. 长春:吉林大学, 2007.

［2］姜奇伟. 染料敏化太阳能电池石墨对电极和电解质研究[D].厦门:华侨大学, 2007.

［3］于哲勋. 染料敏化太阳能电池的研究与发展现状[J]. 中国材料进展, 2009,(Z1):8-15.

［4］南辉. 大面积染料敏化太阳能电池的结构组件设计与性能测试[J].青海大学学报(自然科学版), 2009(6):4-6.

［5］N. P. Counter-electrode function in nanocrystalline photo- electroc hemical cell configurations [J]. Coordination Chemistry Reviews, 20 04, 248(13-14):1421-1446.

［6］IMOTO K, TAKAHASHI K, YAMAGUCHI T, et al. High-performa nce carbon counter electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Sol ar Energy Materials and Solar Cells, 2003, 79(4):459-469.

［7］TAKUROU N, MURKACHI S, Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells Based on Carbon[J]. The Electrochemical Society, 2009, 153(12):A2255-A2261.

［8］LEE W J, RAMASAMY E, LEE D Y, et al. Performance variation of carbon counter electrode based dye-sensitized solar cell[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, 92(7):814-818.

［9］DENARO T, BAGLIO V, GIROLAMO M, et al. Investigation of low cost carbonaceous materials for application as counter electrode in dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Applied Electrochemistry, 2009, 39(11):2173.

［10］YEN M, YEN C, LIAO S, et al. A novel carbon-based nanocomp osite plate as a counter electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Composites Science and Technology, 2009, 69(13):2193-2197.

［11］CHEN J, LI K, LUO Y, et al. A flexible carbon counter electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Carbon, 2009, 47(11):2704-2708.

［12］VEERAPPAN G, BOJAN K, RHEE S. Sub-micrometer-sized Graphite As a Conducting and Catalytic Counter Electrode for Dye-sensitized Solar Cells[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(3):857-862.

［13］CHUNLEI WANG, FANNING MENG, et al. A low-cost bio-inspi red integrated carbon counter electrode for high conversion efficie ncy dye-sensitized solar cells[J]. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15: 14182-14187.

Research Progress in the Counter Electrode for Dye Sensitized Solar Cells

SUN Zhi-yan1，LIU Yan2
（1. Liaoning Petrochemical Vocational and Technology College, Liaoning Jinzhou 121000，China；2. CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.,Ltd. Jinzhou Design Institute, Liaoning Jinzhou 121000，China）

The counter electrode is an important component for dye sensitized solar cells（DSSC）. Carbon material has attracted much attention of researchers because of its low cost, high chemical and thermal stability. Recently, carbon materials were applied in the counter electrodes for DSSC by researchers. Moreover, effect of carbon materials on I3-reduction reaction and the cell efficiency was investigated. In this paper, effect of carbon materials applied in the preparation of counter electrodes on I-3reduction reaction and cell efficiency was analyzed.

DSSC; Counter electrode; Carbon materials; Cell efficiency

TQ 031

A

1671-0460（2014）11-2388-02

2014-04-28

孙志岩（1986-），男，辽宁锦州人，助教，硕士研究生，2013年毕业于辽宁石油化工大学化学工艺专业。E-mail：zhiyan_s@163.com。