No 4 夏锐等:量子点敏化太阳能电池对电极研究进展 675 图5(a) N-HCNPS”,(b) CSCNPs,(c)CNF,(d) VASWCNTS”,(e)C60°和( HCMSC“的SEM图 Fig 5 SEM images of (a)N-HCNPs"(b)CSCNPs"(c)CNF ,(d) VASWCNTs",(e)C60, and(f HCMSCS N-HCNPs: nitrogen-doped hollow carbon nanoparticles, CSCNPs: core-shell carbon nanoparticles, CNF: carbon nanofibers, VASWCNTs: vertically aligned single-walled carbon nanotubes, HCMSC: hollow core-mesoporous shell carbon single- walled carbon nanotubes (VASWCNTs,图烯酸甲酯( polymethylmethacrylate,PMMA严等材 5d)2,C60(图5e)3, hollow core-mesoporous shell料作为模板制备的多孔碳对电极在 QDSSCS的使用 arbon( HCMSC,图5f)“等作为 QDSSCs对电极都中也都取得了不错的进展 取得了不错的成果 碳材料具有大的比表面积和高的导电性,将 模板法能对材料表面形貌、尺寸、结构等进其作为基底生长高催化活性的材料制备复合对电 行有效地调控,在多孔碳对电极的制备中是一项极是近年来碳材料对电极的研究热点。其中,石 很有特色的研究5。Yu等“使用酚醛树脂作为碳墨纸( graphite paper凭借其巨大的比表面积和良好 源,氧化铝膜( anodic aluminium oxide,AAO)作为的导电性能,成为最常用的碳基底,研究者们使 硬模板,获得介孔碳纳米纤维( mesoporous carbon用水热法( hydrothermal)°、DPR"、热分解法°等在 nanofibers, MANEs)(图6),将所得材料分解在乙石墨纸上沉积了催化活性较高的材料如CuS 醇中搅拌获得浆料,通过刮片法涂在FTO上制成AuPt的纳米颗粒作为对电极,传输阻抗明显降 对电极,组装 QDSSCs获得了481%的效率。Seol低,相比仅用石墨纸的对电极,性能都有了很大 等3使用使用介孔泡沫硅石( mesocellular foam sili-提升。除了石墨纸外,Yong等使用喷雾热解法将 ca)作为共模板模板,获得有序介孔碳泡沫( ordered Pt纳米颗粒沉积在CNIs和还原氧化石墨烯(re mesocellular carbon foam,MsU-F-C)粉末并制成对 duced graphene oxide,RGO)的混合物上,综合了 电极。MSU-F-C具有有序的孔状结构,并且其内金属的催化性能和碳材料的良好导电性,配合同 部结构联系紧密,比表面积很高,对电解质中氧样的三维结构的光阳极,获得了590%的高效率 化还原反应的传递与扩散起到促进作用,从而使(图7) 得其电荷转移电阻较低,光电性能优异,组装的 碳材料在价格和原料来源上有很大的优势 QDSSCs效率达到了36%。此外固态介孔硅壳(sol-其种类及结构更是数不胜数,其主要优势在于具 id core/mesoporous shell slica,SCMS)3、聚甲基丙有对电极所需的高导电性和大的比表面积的特
No.4 夏 锐等：量子点敏化太阳能电池对电极研究进展 single-walled carbon nanotubes (VASWCNTs， 图 5d)52，C60 (图 5e)53，hollow core-mesoporous shell carbon (HCMSC，图5f)54等作为QDSSCs对电极都 取得了不错的成果。 模板法能对材料表面形貌、尺寸、结构等进 行有效地调控，在多孔碳对电极的制备中是一项 很有特色的研究 55。Yu 等 56使用酚醛树脂作为碳 源，氧化铝膜(anodic aluminium oxide，AAO)作为 硬模板，获得介孔碳纳米纤维(mesoporous carbon nanofibers，MCNFs) (图 6)，将所得材料分解在乙 醇中搅拌获得浆料，通过刮片法涂在 FTO 上制成 对电极，组装QDSSCs获得了4.81%的效率。Seol 等 28使用使用介孔泡沫硅石(mesocellular foam silica)作为共模板模板，获得有序介孔碳泡沫(ordered mesocellular carbon foam，MSU-F-C)粉末并制成对 电极。MSU-F-C具有有序的孔状结构，并且其内 部结构联系紧密，比表面积很高，对电解质中氧 化还原反应的传递与扩散起到促进作用，从而使 得其电荷转移电阻较低，光电性能优异，组装的 QDSSCs效率达到了3.6%。此外固态介孔硅壳(solid core/mesoporous shell slica，SCMS)57、聚甲基丙 烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)58 等材 料作为模板制备的多孔碳对电极在QDSSCs的使用 中也都取得了不错的进展。 碳材料具有大的比表面积和高的导电性，将 其作为基底生长高催化活性的材料制备复合对电 极是近年来碳材料对电极的研究热点。其中，石 墨纸(graphite paper)凭借其巨大的比表面积和良好 的导电性能，成为最常用的碳基底，研究者们使 用水热法(hydrothermal)59、DPR60、热分解法61等在 石墨纸上沉积了催化活性较高的材料如 Cu2S、 AuPt 的纳米颗粒作为对电极，传输阻抗明显降 低，相比仅用石墨纸的对电极，性能都有了很大 提升。除了石墨纸外，Yong等62使用喷雾热解法将 Pt 纳米颗粒沉积在 CNTs 和还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)的混合物上，综合了 金属的催化性能和碳材料的良好导电性，配合同 样的三维结构的光阳极，获得了 5.90%的高效率 (图7)。 碳材料在价格和原料来源上有很大的优势， 其种类及结构更是数不胜数，其主要优势在于具 有对电极所需的高导电性和大的比表面积的特 图5 (a) N-HCNPs49，(b) CSCNPs50，(c) CNF51，(d) VASWCNTs52，(e) C60 53和(f) HCMSC54的SEM图 Fig.5 SEM images of (a) N-HCNPs49, (b) CSCNPs50, (c) CNF51, (d) VASWCNTs52, (e) C60 53, and (f) HCMSC54 N-HCNPs: nitrogen-doped hollow carbon nanoparticles, CSCNPs: core-shell carbon nanoparticles, CNF: carbon nanofibers, VASWCNTs: vertically aligned single-walled carbon nanotubes, HCMSC: hollow core-mesoporous shell carbon 675
Acta Phvs. -Chim. Sin. 2017 Vol 33 O 700°C AAO NT icaAAO polymer/silica NF MCNF 图6(a)模板法制备介孔碳材料示意图;(b)介孔碳纳米纤维的表面SEM图;(c)组装 QDSSCs的电流密度-电压(J-曲线 Fig 6 (a) Schematic diagram for mesoporous carbon materials synthesized by templates; (b) SEM images of mesoporous carbon nanofibers, MCNFs;(c)current density-voltage(J-b curves of the assembled QDSSCs metal ions sonication FT hydrogen metal source Go metal FTO oOw ta 图7 PU/CNT-RGO复合对电极的(a)制备方法;(b)侧面SEM图;(c)催化和传输机理 Fig. 7 (a) Synthetic strategies for preparing the metal/CNT-RGO counter electrode;(b)cross-sectional SEM images of the metal/CNT-RGO counter electrode; (c) schematic diagram showing the charge transfer mechanisms at the counter electrode GO: graphene oxide, CNT: carbon nanotube; RGO: reduced graphene oxide; NPs: nanoparticles; FTO: fluorine-doped tin oxide 点,但是,单一的碳材料对多硫电解质的整体催的研究应主要集中在作为基底生长高催化活性的 化活性有待提高,并且存在与基底的接触不够理材料上。 想的诟病。因此,笔者认为碳材料在未来对电极
Acta Phys. -Chim. Sin. 2017 Vol.33 点，但是，单一的碳材料对多硫电解质的整体催 化活性有待提高，并且存在与基底的接触不够理 想的诟病。因此，笔者认为碳材料在未来对电极 的研究应主要集中在作为基底生长高催化活性的 材料上。 图6 (a)模板法制备介孔碳材料示意图；(b)介孔碳纳米纤维的表面SEM图；(c)组装QDSSCs的电流密度－电压(J－V)曲线56 Fig.6 (a) Schematic diagram for mesoporous carbon materials synthesized by templates; (b) SEM images of mesoporous carbon nanofibers，MCNFs; (c) current density－voltage (J－V) curves of the assembled QDSSCs56 图7 Pt/CNT-RGO复合对电极的(a)制备方法；(b)侧面SEM图；(c)催化和传输机理63 Fig.7 (a) Synthetic strategies for preparing the metal/CNT-RGO counter electrode; (b) cross-sectional SEM images of the metal/CNT-RGO counter electrode; (c) schematic diagram showing the charge transfer mechanisms at the counter electrode63 GO: graphene oxide; CNT: carbon nanotube; RGO: reduced graphene oxide; NPs: nanoparticles; FTO: fluorine-doped tin oxide 676