一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法.docxVIP

PAGE

1-

一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法

一、引言

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，清洁能源的开发和利用成为全球关注的焦点。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有巨大的发展潜力。染料敏化太阳能电池（DSSCs）作为一种新型的太阳能转换装置，因其结构简单、成本低廉、环境友好等优点，在太阳能电池领域备受关注。近年来，DSSCs的研究取得了显著进展，但其光电转换效率仍远低于传统的硅基太阳能电池。为了提高DSSCs的光电转换效率，对电极材料的研究成为关键。复合碳基对电极作为一种新型对电极材料，具有优异的电化学性能和力学性能，在提高DSSCs光电转换效率方面具有显著优势。

据相关研究数据显示，复合碳基对电极在DSSCs中的应用可以显著提升电池的光电转换效率。例如，某研究团队采用碳纳米管和石墨烯作为复合碳基材料，制备了对电极，并将其应用于DSSCs中。实验结果表明，该复合碳基对电极在提高DSSCs光电转换效率方面具有显著效果，电池的光电转换效率从原来的5.5%提升至7.2%。这一成果为DSSCs的性能提升提供了新的思路。此外，复合碳基对电极还具有优异的循环稳定性和耐腐蚀性能，使得DSSCs在实际应用中更加可靠。

然而，目前复合碳基对电极的制备方法仍存在一定的挑战。传统的制备方法如化学气相沉积（CVD）和热解等，虽然能够制备出高质量的碳基材料，但制备过程复杂、成本较高。因此，开发一种高效、低成本、环境友好的复合碳基对电极制备方法具有重要意义。近年来，一些新型的制备方法如溶剂热法、微波辅助合成法等逐渐应用于复合碳基对电极的制备，并取得了良好的效果。以溶剂热法为例，该方法具有操作简便、成本低廉、制备周期短等优点，为复合碳基对电极的批量生产提供了新的可能性。

二、复合碳基对电极的结构与性能

(1)复合碳基对电极通常由碳纳米管、石墨烯等碳基材料构成，这些材料具有独特的纳米结构，能够提供高比表面积和丰富的导电通道，从而增强电子传输效率和电化学活性。例如，研究表明，碳纳米管/石墨烯复合电极的比表面积可达500-1000m2/g，而单层石墨烯的比表面积仅为2.26m2/g。这种高比表面积有利于提高DSSCs的充放电容量和循环稳定性。

(2)复合碳基对电极的结构和组成对其性能有着显著影响。以碳纳米管/聚苯胺复合电极为例，聚苯胺的引入不仅可以增加电极的比表面积，还可以提高其电化学活性。相关研究发现，碳纳米管/聚苯胺复合电极在DSSCs中的应用可以使电池的光电转换效率从5.5%提升至6.8%。此外，复合电极的结构设计对于降低电池的内阻、提高电荷传输速度同样至关重要。

(3)复合碳基对电极的力学性能也是其应用中的重要考量因素。碳纳米管和石墨烯的加入可以显著增强电极的机械强度和韧性，使得电极在长时间使用过程中不易发生破裂。例如，一种由碳纳米管和聚乳酸纤维复合而成的电极，其断裂伸长率可达20%，远高于纯碳纳米管或纯聚乳酸纤维的断裂伸长率。这种高机械强度的复合电极在提高DSSCs的可靠性和耐用性方面具有重要意义。

三、复合碳基对电极的制备方法

(1)溶剂热法是制备复合碳基对电极的一种常用方法，通过在特定溶剂中加热碳前驱体，使其在高温下发生化学反应，从而形成碳纳米管或石墨烯等碳基材料。该方法具有操作简便、成本低廉、产率高和可控性好的特点。例如，采用乙二醇作为溶剂，通过溶剂热法制备的碳纳米管/氧化石墨烯复合电极，其比表面积和电化学活性均得到显著提升。

(2)化学气相沉积法（CVD）是一种在高温下利用气态前驱体在催化剂表面进行化学反应，从而生成碳纳米管或石墨烯等碳基材料的方法。CVD法能够精确控制碳基材料的形貌、尺寸和组成，适用于制备高质量的复合碳基对电极。例如，采用CVD法制备的碳纳米管/石墨烯复合电极，其电化学活性位点的密度可达10^11cm^-2，显著提高了DSSCs的光电转换效率。

(3)水热法是一种在高温高压条件下，利用水作为反应介质，通过化学反应制备碳纳米管或石墨烯等碳基材料的方法。水热法具有反应条件温和、环境友好、制备周期短等优点。例如，采用水热法制备的碳纳米管/氧化石墨烯复合电极，其电化学活性位点的密度和比表面积均优于传统方法制备的电极，从而提高了DSSCs的光电转换效率。此外，水热法还可以用于制备其他类型的复合碳基对电极，如碳纳米管/金属氧化物复合电极等。

四、复合碳基对电极在染料敏化太阳能电池中的应用

(1)复合碳基对电极在DSSCs中的应用显著提高了电池的性能。据实验数据显示，使用碳纳米管/石墨烯复合电极作为对电极的DSSCs，其光电转换效率从传统电极的6%提升至超过8%。例如，在一项研究中，研究者利用碳纳米管/氧化石墨烯复合电极构建了DSSCs，电池的光电转换效率达到了9.5%，