炭黑復(fù)合對電極的制備及其性能研究

【摘 要】文章從染料敏化太陽能電池（DSSC）及其對電極的概括性介紹入手，以實驗的方法對聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極的制備進(jìn)行論述，最后對該對電極的性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極比傳統(tǒng)的鉑電極更具應(yīng)用優(yōu)勢。期望通過本文的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)DSSC的推廣應(yīng)用有所幫助。

【關(guān)鍵詞】DSSC；炭黑；復(fù)合對電極；性能

1.染料敏化太陽能電池及其對電極

1.1染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池簡稱DSSC，其歸屬于有機(jī)太陽能電池的范疇，雖然它沒有薄膜太陽能電池的效率高，但是DSSC的理論轉(zhuǎn)化效率卻是其它類型太陽能電池?zé)o法比擬的，從而使其在效率提升方面具有較大的空間。同時，DSSC的制作成本較低且制備工藝簡單，業(yè)內(nèi)專家通過估算后得出如下結(jié)論：DSSC實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的成本僅為晶體硅的10%左右。作為新一代的有機(jī)太陽能電池，DSSC除了制作成本低、重量輕、環(huán)境友好、性能穩(wěn)定之外，其對光照還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在陰雨天或是光強(qiáng)不充足時，DSSC的效率不僅不會降低，反而還會比平時有所提升。DSSC主要是由以下幾個部分組成：吸附了敏化染料的二氧化鈦薄膜、電解質(zhì)以及對電極等。其中吸附了敏化染料的二氧化鈦薄膜是整個電池的核心部分，又被稱為光陽極；電解質(zhì)的主要作用是確保電池的性能穩(wěn)定，它的選擇尤為重要，除了要考慮到與染料分子能級的匹配性之外，還要合理選用與之搭配的有機(jī)溶劑；對電極通常都是由鍍鉑的導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，它的主要作用是收集和輸送電子。

1.2對電極

DSSC對電極又被稱之為陰極，其最為主要的作用是接收電子，并以較快的速度將電子傳給電解質(zhì)，為了滿足這一要求，對電極材料必須具備較高的導(dǎo)電性和催化性。對電極除了具備接收和傳遞電子的作用之外，還具有鏡面反射作用，它能夠?qū)⒐怅枠O未能完全吸收的太陽光反射回去進(jìn)行再利用，正是基于這一原因，使得DSSC的光電轉(zhuǎn)化率大幅度提升。通常情況下，對電極主要是由催化材料和導(dǎo)電襯底構(gòu)成，前者多數(shù)為貴重金屬鉑，后者主要用于對外電路中電子的收集。

2.炭黑復(fù)合對電極的制備方法及其性能分析

目前，業(yè)內(nèi)對DSSC的研究雖然比較多，但絕大部分都處于實驗室階段，并未獲得推廣和應(yīng)用。導(dǎo)致這一問題的原因較多，如液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)泄漏、光電轉(zhuǎn)換效率不高等等。從具體應(yīng)用的層面上講，鉑電極的效果最佳，但是鉑本身是一種貴重金屬，其價格比較昂貴，并且容易受到電解質(zhì)的腐蝕，從而嚴(yán)重影響了電池的使用壽命。鑒于此，探尋一種能夠替代鉑作為電極的材料成為重要課題。在不斷地研究中發(fā)現(xiàn)，可作為對電極的材料主要有三大類，即碳材料、導(dǎo)電聚合物材料以及金屬材料，其中碳材料不僅導(dǎo)電率較高，而且性能較為穩(wěn)定，而導(dǎo)電高分子聚合物的價格比較低廉，質(zhì)量輕，與玻璃基底的接觸性較好。為此，可將碳材料與導(dǎo)電高分子聚合物進(jìn)行簡單的機(jī)械混合，制備導(dǎo)電聚苯胺基碳復(fù)合對電極。

2.1炭黑復(fù)合對電極的制備

2.1.1實驗材料

FTO（導(dǎo)電玻璃）、導(dǎo)電聚苯胺、導(dǎo)電炭黑、二氧化鈦、PVP（聚乙烯吡咯烷酮）、OP乳化劑、異丙醇和無水乙醇、N-甲基吡咯烷酮等等。

2.1.2實驗內(nèi)容與方法

先將聚苯胺和炭黑根據(jù)不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合，并向混合物中加入0.2ml的N-甲基吡咯烷酮以及0.5ml的OP乳化劑，然后將0.4g的PVP加入至裝有10ml蒸餾水的燒杯內(nèi)，并將燒杯置于超聲波清洗機(jī)當(dāng)中進(jìn)行振蕩，時間控制在5min左右，通過該過程使PVP完全溶解；隨后，倒入盛有聚苯胺與炭黑混合物的器皿當(dāng)中，攪拌均勻后，放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行振蕩，時間控制在5min左右，借此來使配料混合充分；最后倒入球磨罐中，球磨10h左右得到漿料，采用絲網(wǎng)印刷法在FTO上成膜，待其自然干燥后，以70℃左右的溫度進(jìn)行熱處理，時間約為30min，由此便可獲得聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極。

2.1.3 SEM表征

在掃描電子顯微鏡（SEM）下，制備的聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極的微觀形貌如圖1所示。

圖1 SEM下不同放大倍數(shù)的復(fù)合對電極橫斷面

由圖1中能夠清楚的看到，采用本文提出的方法制備出來的復(fù)合對電極較為均為，表面平整度較高，基本無開裂現(xiàn)象，薄膜的厚度在7-10μm左右，呈枝狀交錯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)之間存在較大的孔洞，在結(jié)構(gòu)長鏈上附著了大量的炭黑顆粒，由于這些顆粒本身具有催化活性作用，從而顯著增加了對電極的催化活性，也使對電極對I-3/I-氧化還原電對的催化能力大幅度增強(qiáng)。在此必須著重闡明的一點(diǎn)是，由于孔洞過大，會對外電路電子在對電極內(nèi)部的傳遞速度造成一定程度的影響，由此會對電池的導(dǎo)電性產(chǎn)生影響。

2.2復(fù)合對電極的性能

對復(fù)合對電極性能的分析主要是研究其光電性能，具體做法是利用實驗中制備出的聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極組裝成DSSC，并采用氤燈光源作為模擬太陽光的入射光源，對電池的整體性能進(jìn)行測試，同時采用輻照計對光源進(jìn)行標(biāo)定。

2.2.1 J-V分析

采用不同炭黑含量（1%、3%、5%、10%）的復(fù)合對電極與制備好的光陽極組裝成DSSC，并在標(biāo)準(zhǔn)的光源下對DSSC進(jìn)行光電性能測試，結(jié)果如下：炭黑含量為3%時，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最高，約為7.77%。不僅如此，在該炭黑含量的條件下，DSSC的開路電壓達(dá)到了0.762V，短路電流則達(dá)到了25.14mA/c㎡；當(dāng)炭黑含量增加至5%和10%時，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率不升反降，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是少量的炭黑能夠有效粘附在聚苯胺表面上，而隨著炭黑含量的增大，過多的炭黑顆粒便會散落到聚苯胺較大的孔洞中，從而將孔洞填滿，由此一來，造成了液態(tài)電解質(zhì)的吸附機(jī)會大幅度降低，外電路電子的傳遞也受到影響?？梢?，在制備炭黑復(fù)合對電極時，必須對炭黑含量進(jìn)行合理選擇。

2.2.2循環(huán)伏安分析

通常情況下，處于負(fù)電位的峰值多數(shù)都與還原反應(yīng)相對應(yīng)，而正電位的峰值則與氧化反應(yīng)相對應(yīng)。當(dāng)氧化還原電流的密度越大時，I-3/I-在對電極表面的反應(yīng)速度就越快，此時復(fù)合對電極的轉(zhuǎn)移電阻就越小。由于聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極具有較強(qiáng)的催化還原特性，故此炭黑顆粒附著在聚苯胺長鏈上能夠使對電極的催化活性顯著增強(qiáng)。聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極之所以具有較高的還原電流密度，是因為聚苯胺借助自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給外電路電子提供了一個在對電極上快速傳遞的通道，同時，炭黑顆粒在聚苯胺上附著后，能夠為聚苯胺提供更多的催化活性枝點(diǎn)，這樣一來便可使I-3/I-在聚苯胺表面發(fā)生快速反應(yīng)，從而有效減小電子被復(fù)合的幾率。此外，聚苯胺本身為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為I-3/I-的有效吸附提供了更大的空間。故此，與傳統(tǒng)鉑電極相比，聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極的優(yōu)勢更加明顯。

3.結(jié)論

綜上所述，本文針對當(dāng)前DSSC中鉑電極價格昂貴、制備復(fù)雜的情況，提出了一種能夠替代鉑電極的聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極，并對其制備方法進(jìn)行了簡要介紹，同時分析了該復(fù)合對電極的性能，結(jié)果表明，聚苯胺/炭黑復(fù)合對電極無論是在性能還是價格上，都比鉑電極更具應(yīng)用優(yōu)勢。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]焦星劍，林紅，莊東填.Ti02納米線薄膜的MgO包覆及其在染料敏化太陽能電池中的性能[J].稀土金屬材料與工程，2011（11）.

[2]尹艷紅，許澤輝，馮磊碩.染料敏化太陽能電池對電極的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2012（9）.

[3]范樂慶，吳季懷，黃昀.陰極修飾對染料敏化Ti02太陽能電池性能的改進(jìn)[J].電子元件與材料，2013（10）.