丝网印刷多壁碳纳米管对电极实现高性能染料敏化太阳能电池
摘要
本研究证明纳米结构碳复合材料,特别是多壁碳纳米管(MWCNTs)及其混合物,可替代铂(Pt)作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)的对电极(CE)材料。采用简单的丝网印刷工艺,将碳纳米颗粒(CNPs)、石墨烯片(GFs)及各类复合材料(CNP/MWCNT、MWCNT/GF、CNP/MWCNT/GF)沉积在氟掺锡氧化物(FTO)基底上。电化学分析显示,基于MWCNT的复合材料提供高度网络化、大比表面积的界面,促进三碘化物快速还原。配备这些CE层的DSSCs达到与Pt基器件相当的功率转换效率(PCE),其中CNP/MWCNT复合材料达5.67%,Pt为5.70%。研究确立富含MWCNT的碳复合材料作为下一代DSSCs中Pt的低成本、可规模化替代方案。
背景
染料敏化太阳能电池(DSSCs)是领先的第三代光伏技术,因制造成本低、制备简便、效率具有竞争力而备受青睐。典型DSSC包含FTO玻璃上TiO₂光阳极、光敏染料、碘/三碘液态电解质、以及催化I₃⁻还原为I⁻的对电极(CE)。铂长期作为首选CE材料,因其优异催化活性和导电性。但Pt成本高、在碘基电解质中易腐蚀,限制DSSCs商业化规模。因此研究聚焦于替代低成本催化剂:碳黑、金属合金、金属硫化物、导电聚合物。其中纳米结构碳——CNPs、MWCNTs、GFs——具备高导电性、大比表面积、光化学稳定性,是极具前景的Pt替代品。
传统碳基CE制备方法如化学气相沉积、滴涂、旋涂、喷涂常涉及复杂工艺且成膜不均。丝网印刷提供简单、可规模化、可控的替代方案,通过多次印刷可精准调控膜厚和均匀性。本工作采用丝网印刷在FTO玻璃上制备CNPs、MWCNTs、GFs及其复合材料薄膜,系统评估其对DSSC性能的影响。
方法/实验
DSSCs TiO₂基光电极制备
TiO₂纳米颗粒(NP)浆料通过混合6 g TiO₂ NPs (Degussa P25) 与20 g 松节油、1 ml 醋酸、15 g 乙醇(溶液I)制备。另配3 g 乙基纤维素与27 g 乙醇(溶液II)。两溶液行星混合器混合3 min,加热蒸发乙醇。丝网印刷将浆料沉积于清洁FTO玻璃(0.6 cm × 0.6 cm)厚度~23 µm。500°C烧结30 min去除有机物,再浸入0.3 mM N719染料溶液24 h。
纳米结构碳基CE制备
碳复合材料通过将0.2 g各CNPs、MWCNTs、GFs分散于1 g松节油加0.1 g乙基纤维素,乙醇超声2 h制备。热板蒸发后得粘稠浆料,丝网印刷于FTO玻璃(0.6 cm × 0.6 cm)。七种浆料配方——CNP、MWCNT、GF、CNP/MWCNT、CNP/GF、MWCNT/GF、CNP/MWCNT/GF——均经印刷。400°C热处理15 min去除残留有机物。通过改变印刷次数调节CE厚度。对比用离子溅射沉积Pt CE(1.2 kV, 7 mA)。
a CNP/MWCNT/GF复合材料制备CE示意图;b 本研究组装DSSC照片及组件。
DSSCs制造与表征
光阳极和CE用60 µm热熔聚合物膜封装夹层,120°C加热4 min。注入碘基液态电解质(AN-50, Solaronix),盖玻璃封孔。AM 1.5 (100 mW/cm²) 照明下用PEC-L11太阳模拟器(Si光二极管校准)测试。Keithley SMU 2400记录光照下电流密度-电压(J-V)曲线和电化学阻抗谱(EIS)。结构表征:SEM(日立S-4200, 15 kV)观察形貌厚度;BET(ASAP 2020)测比表面积;拉曼光谱(Ramboss 500i, 532 nm)分析缺陷;三电极体系(Pt对电极、甘汞参比电极)在10 mM LiI、1 mM I₂、0.1 M LiClO₄乙腈中循环伏安(CV)。
结果与讨论
CNPs、MWCNTs、GFs拉曼光谱显特征D峰(~1355 cm⁻¹)和G峰(~1579 cm⁻¹)。D/G强度比分别为0.95(CNPs)、1.01(MWCNTs)、0.97(GFs),表明MWCNTs缺陷密度最高,增强CE-电解质界面催化活性。
CNPs、MWCNTs、GFs拉曼光谱
BET分析显示比表面积:CNPs 24.7 m²/g,MWCNTs 311.8 m²/g,GFs 269.5 m²/g。复合配方随MWCNTs加入比表面积增加,确认MWCNTs是增强界面电荷转移关键。
a 氮吸附/解吸曲线。b CNP、MWCNT、GF、MWCNT/GF、CNP/GF、CNP/MWCNT、CNP/MWCNT/GF粉末孔隙体积分布。
SEM成像(图4)显示CNPs形成大团聚、难粘附FTO;MWCNTs形成多孔互联网络促进离子传输;GFs倾向堆叠成平面层、层间接触有限。复合涂层(CNP/MWCNT、MWCNT/GF、CNP/MWCNT/GF)结合MWCNTs高比表面积与GFs、CNPs力学稳定性,形成均匀、良好粘结的CE表面。
各种碳材料顶视和横截面视图,包括CNP、MWCNT、GF、MWCNT/GF、CNP/GF、CNP/MWCNT、CNP/MWCNT/GF丝网印刷堆叠于FTO玻璃表面(比例尺:顶视0.5 µm,横截面5 µm)
CV测量(图5)显示Pt和基于MWCNT的CE呈现清晰I₃⁻/I⁻氧化/还原峰,而纯GF和CNP CE无此特征,表明催化活性差。峰间距(ΔEₚ)Pt为0.62 V,MWCNT为0.77 V,复合CE高达1.03 V,反映后者电荷转移动力学增强。
a Pt、CNP、MWCNT、GF涂覆CE循环伏安。b Pt和碳复合涂覆CE在50 mV/s下循环伏安(10 mM LiI, 1 mM I₂, 0.1 M LiClO₄乙腈)。
光伏测试(图6)显示CNP基CE产生高短路电流密度(J_sc≈17 mA/cm²)但低开路电压(V_oc≈0.5 V)和填充因子(FF≈0.25),PCE仅0.22%。GFs和CNP/GF CE类似缺陷因表面积受限。相反,基于MWCNT的CE及其复合材料给出J_sc>12 mA/cm²、V_oc≈0.62 V、FF≈0.75、PCE超5%。CNP/MWCNT复合材料达5.67% PCE,几乎等同Pt基准(5.70%)。数据确认高比表面积MWCNT网络对CE-电解质界面高效电子转移至关重要。
各种碳材料和Pt基CE组成的DSSCs光伏性能对比:a J_sc,b V_oc,c FF,d PCE
J-V和EIS数据(图7a-c,表1)进一步说明MWCNT和复合CE展示比Pt更低电荷转移电阻(R_ce),而复合电阻(R_rec)更高,指示电子复合减少、电子寿命(τ_e)更长。Bode图显示复合CE τ_e超50 ms,超过Pt基器件30 ms,转化为更高FF和整体效率。
各种碳材料和Pt基CE组成的DSSCs对比:a 电流密度-电压曲线,b 奈奎斯特图,c Bode图
结论
系统研究证实CNPs单独不适合替代Pt作DSSC对电极,因团聚和界面接触差。相反,富含MWCNT的复合材料——尤其是CNP/MWCNT、MWCNT/GF、CNP/MWCNT/GF——形成高度网络化、大比表面积CE层,促进三碘化物快速还原并抑制复合。因此,配备这些丝网印刷碳复合材料的DSSCs实现与Pt基器件相当的PCE,为商业化DSSC生产提供可规模化、低成本替代方案。
缩写
- BET:
- Brunauer-Emmett-Teller
- CEs:
- 对电极
- CNPs:
- 碳纳米颗粒
- DSSCs:
- 染料敏化太阳能电池
- EIS:
- 电化学阻抗谱
- FF:
- 填充因子
- FTO:
- 氟掺锡氧化物
- GFs:
- 石墨烯片
- MWCNTs:
- 多壁碳纳米管
- PCE:
- 功率转换效率
- SEM:
- 扫描电子显微镜
纳米材料
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