精品伊人久久大香线蕉,开心久久婷婷综合中文字幕,杏田冲梨,人妻无码aⅴ不卡中文字幕

1 石墨烯應(yīng)用于太陽能電池透光電極材料

目前應(yīng)用于透光導(dǎo)電極的材料為金屬氧化物, 如氧化銦錫(indium tinoxide, ITO)、氧化氟錫 (fluorine tin oxide, FTO), 俗稱導(dǎo)電玻璃. 雖然導(dǎo)電玻璃廣泛應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域, 但導(dǎo)電玻璃有一些缺點(diǎn), 如 ITO 里的金屬離子容易自發(fā)擴(kuò)散, 導(dǎo)電玻璃對(duì)紅外光譜有較強(qiáng)的吸收性以及導(dǎo)電玻璃較差的熱穩(wěn)定性. 另外, 導(dǎo)電玻璃在作為太陽能電池對(duì)電極的時(shí)候, 需在其表面鍍一層鉑, 來增強(qiáng)其導(dǎo)電性, 這大大增加了制備成本。上述缺點(diǎn)制約了以導(dǎo)電玻璃作為窗口電極材料的太陽能電池的發(fā)展. 人們急需一種可以替代導(dǎo)電玻璃或是替代鉑金的低成本材料以促進(jìn)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程. 石墨烯作為一種超薄、透光性良好且電性能優(yōu)異的導(dǎo)體材料, 成為金屬氧化物電極比較好的替代材料. 目前已有關(guān)于石墨烯作為透光導(dǎo)電極替代物的研究, 用于替代 DSSC 光陽極的透光 ITO/FTO, 對(duì)電極鍍鉑 ITO/FTO, 以及有機(jī)聚合物太陽能電池(Organic polymer solar cell, OPSC)透光電極 ITO/FTO 等.

以 DSSC 為例說明石墨烯作為透光電極的應(yīng)用情況. DSSC 主要結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分: 工作電極、電解質(zhì)和對(duì)電極, 工作電極的構(gòu)成是在透光導(dǎo)電基底上制備一層多孔半導(dǎo)體晶體薄膜, 然后再將染料分子吸收在多孔薄膜中. 電解質(zhì)一般可以是液態(tài)的, 也可以是固態(tài)或者準(zhǔn)固態(tài). 對(duì)電極通常為鍍鉑的ITO/FTO. DSSC的工作原理是吸附在半導(dǎo)體薄膜上的染料分子吸收太陽光后, 從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài): D +hv→D* ; 激發(fā)態(tài)染料的電子迅速注入到納米半導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶(conductionband, CB)中: D* →D+ +e- (CB); 導(dǎo)帶中的電子經(jīng)外電路到達(dá)對(duì)電極: e- (CB)→e- ; 3 I ? 離子擴(kuò)散到對(duì)電極得到電子:這些反應(yīng)的不斷循環(huán)最終實(shí)現(xiàn)光生伏特效應(yīng). 石墨烯在 DSSC 透光電極材料的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面: 1) DSSC 光陽極, 即使用表面制備有石墨烯薄膜的親水性石英玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 ITO/FTO; 2)DSSC 對(duì)電極, 因?yàn)槭┚哂袃?yōu)異的電流傳導(dǎo)能力, 所以石墨烯被作為鉑金的替代材料涂敷于ITO/FTO表面, 以求達(dá)到進(jìn)一步降低DSSC 的制備成本的目的; 3) DSSC 光陽極工作電極.

石墨烯作為 ITO 或 FTO 替代材料時(shí), 一般需要制成薄膜材料, 其制備方法主要包括以下幾種:

(a) 浸漬提拉法(dip coating)是一種常用的制備薄膜材料的方法, 主要過程包括: (1)將基底材料浸沒于膜材料溶液或前驅(qū)體溶液中; (2)控制速度提拉基底材料使溶液在基底上沉積成膜; (3)對(duì)基底上涂敷的薄膜進(jìn)行烘干或燒結(jié)等工藝處理. Wang 等[5]在 H2 或 Ar 氣氛保護(hù)下 , 用熱還原氧化石墨烯 (graphene oxide, GO)的方法制備石墨烯, 然后使用浸漬提拉法, 通過控制石墨烯溶液的溫度和浸漬的次數(shù)在親水性石英薄片上制備石墨烯薄層材料并測(cè)試性能. 他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯薄膜厚度為(10.1±0.76) nm 時(shí), 薄層電阻為(1.8±0.08) k?/□, 且其在紅外波段仍具有較好的透光性, 這是 ITO/FTO 所不能比擬的. 但使用此種石墨烯作為透光電極的 DSSC 的光電轉(zhuǎn)換效率(0.26%)低于基于 FTO 制備的電池(0.84%). 電池效率低主要是由于石墨烯薄膜電阻較大, 導(dǎo)致電池串聯(lián)電阻過大, 影響了電池的光電轉(zhuǎn)化效率. 雖然該種方法制備的電極材料并沒有提高敏化電池的效率, 但是驗(yàn)證了石墨烯作為透光導(dǎo)電極的可行性.

浸漬提拉法雖然易于操作, 但其操作條件較難控制. 即使勻速提拉情況下, 重力的作用也會(huì)造成膜厚不勻, 給后續(xù)石墨烯薄膜的電性能的研究帶來一定的阻礙.

(b)旋轉(zhuǎn)涂敷法(spin coating)利用高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將滴加在平整基底表面的材料溶液或前驅(qū)體溶液均勻涂敷在整個(gè)基底表面, 經(jīng)烘干或燒結(jié)工藝處理后, 得到涂敷均勻的薄膜. 旋轉(zhuǎn)涂敷法可以通過控制基底的旋轉(zhuǎn)速度來控制薄膜的厚度, 且所得薄膜的平整性和厚度均一性均優(yōu)于浸漬提拉法. 在室溫下使用旋轉(zhuǎn)涂敷的方法將石墨烯與聚苯乙烯磺酸摻雜的乙烯復(fù)合物涂敷在 ITO 玻璃上制備 DSSC 的對(duì)電極, 表面薄膜厚度約為 60 nm, 可見光范圍內(nèi)透光率大于 80%, 且具有較高的電活性. 以該方法制得石墨烯作為對(duì)電極的 DSSC 光電轉(zhuǎn)換效率為 4.5%, 作為對(duì)照的使用鍍鉑 ITO 玻璃作為對(duì)電極的 DSSC 效率為 6.3%. 光電轉(zhuǎn)換效率較低的原因是該方法制得的石墨烯薄膜電性能仍存在一定缺陷, 電子的傳導(dǎo)速度和導(dǎo)電能力還有待進(jìn)一步提高. Watcharotone 將 GO 溶液與硅溶膠混合, 通過旋轉(zhuǎn)涂敷的方法涂敷到經(jīng)過親水性處理的 SiO2/Si 基底上, 再進(jìn)行 GO 的還原及后續(xù)的熱處理, 進(jìn)而得到透光且導(dǎo)電性良好的石墨烯/硅的復(fù)合材料. 該制備方法簡(jiǎn)單、易于操作, 可在絕緣的玻璃基底上制備復(fù)合材料來替代 ITO 材料, 有效地降低了以 ITO 為組成部分的光伏器件的生產(chǎn)成本. 目前也有研究用旋轉(zhuǎn)涂敷法在柔性透明聚合物上涂敷還原氧化石墨烯(Reducedgrapheme oxide, RGO)薄膜, 并將其應(yīng)用于柔性太陽能電池。

旋轉(zhuǎn)涂敷法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行, 條件可控, 可在一定程度上控制復(fù)合材料的膜厚; 缺點(diǎn)在于一般  需要對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾以得到分散性較好的石墨烯溶液, 然而對(duì)石墨烯的修飾處理會(huì)引入更多的官能團(tuán), 增加石墨烯的缺陷. 如果不做進(jìn)一步處理去除大量的官能團(tuán), 石墨烯電極的電性能將會(huì)受到較大的影響.

(c)電泳沉積法(electrophoretic deposition)是一種在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的, 在導(dǎo)電基底材料上制備薄膜的方法. 其原理是溶液或膠體中帶電粒子, 在電場(chǎng)的作用下沉積到電極表面, 形成薄膜.

目前已經(jīng)有很多研究應(yīng)用電化學(xué)方法制備石墨烯薄膜. Hasan 等。發(fā)現(xiàn)當(dāng) GO 膠體溶液的 pH 較低時(shí), 石墨烯材料可以在陰極沉積, 并且陰極沉積和陽極沉積得到的石墨烯薄膜的形貌有所區(qū)別. Ishikawa等。則使用電泳沉積方法在玻璃表面成功制得 RGO 薄膜, 透光率可達(dá)到 83.8%, 且所得玻璃表面 RGO 薄膜材料電阻為 4.59×104 ?/□. Lee 等。以 ITO 為基底, 使用電泳沉積法制備石墨烯薄膜材料, 發(fā)現(xiàn)先沉積再還原得到的石墨烯薄膜的質(zhì)量和平整度都優(yōu)于先還原再沉積得到的薄膜 . Choi 等。使用Mg(NO3)2·6H2O 使電解液中的 GO 帶正電, 再通過電泳沉積的方法將 GO 沉積到陰極 FTO 上, 經(jīng)過 600℃退火對(duì) GO 進(jìn)行還原, 得到表面沉積有 RGO 薄膜的 FTO 材料, 并將其作為 DSSC 的對(duì)電極, 得到不同電泳沉積參數(shù)對(duì) DSSC 光電轉(zhuǎn)換效率的影響. 該方法使用金屬離子對(duì) GO 進(jìn)行表面修飾使得 GO 可沉積在陰極材料上, 給后續(xù)石墨烯薄膜材料的制備, 石墨烯薄膜材料的摻雜, 以及石墨烯復(fù)合材料的制備帶來更廣闊的研究空間. 電泳沉積法制備石墨烯薄膜材料的優(yōu)點(diǎn)是制備的薄膜均勻性好、質(zhì)量較高、沉積效率高、沉積面積和厚度也有較好的可控性, 是一種比較高效的制備石墨烯薄膜材料的方法. 但是, 目前仍未徹底解決石墨烯在電解液中分散性問題和石墨烯在各種電解液中的帶電問題, 如何在保持石墨烯完美的電性能同時(shí), 又能對(duì)電沉積法制備石墨烯薄膜材料有更加深入的定性、定量的分析, 仍是目前學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和方向.

(d)化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)是反應(yīng)物在高溫、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面, 進(jìn)而制得薄膜材料的工藝技術(shù). 研究者嘗試使用 CVD 方法制備石墨烯薄膜以應(yīng)用于太陽能電池透光電極. 有研究將經(jīng) CVD 沉積石墨烯薄膜的玻璃材料應(yīng)用于 OPSC 透光電極, 得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 1.71%。應(yīng)用 CVD 方法在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate, PET)柔性基底上制備石墨烯薄膜, 并應(yīng)用于 OPSC, 得到光電轉(zhuǎn)換效率為 1.18%, 低于以 ITO 作為透光電極的 OPSC. 為了進(jìn)一步改善石墨烯透光薄膜的電性能及材料性能, 學(xué)者們嘗試使用改進(jìn) CVD 設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行石墨烯薄膜材料的制備 ,

同時(shí)人們也嘗試在石墨烯制備過程中對(duì)其進(jìn)行摻雜, 降低石墨烯的薄層電阻以媲美目前常用的透光電極材料. Kasry 等。使用 CVD 技術(shù)制備石墨烯薄膜, 并用 HNO3 對(duì)石墨烯進(jìn)行 P 型摻雜, 得到的 8 層石墨烯的薄層電阻為 90?/□, 透光率為 80%, 已經(jīng)接近傳統(tǒng)應(yīng)用的透光電極, 使得石墨烯替代傳統(tǒng)電極材料的研究工作更進(jìn)了一步. Lee 等。使用 CVD 技術(shù)結(jié)合含氟聚合物對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜, 并將參雜后的石墨烯薄膜材料沉積在柔性塑料基底上, 得到柔性、高透光率、高導(dǎo)電性能的透光電極材料, 給未來柔性電池的研究和發(fā)展提供進(jìn)一步的可能性.

除上述常見制備方法外, 還有其它一些方法可用于制備石墨烯透光電極. 有研究使用自組裝方法得到石墨烯薄膜, 應(yīng)用于有機(jī)物–無機(jī)物雜化太陽能電池. 首先在 SiO2/Si 基底表面接枝, 然后將化學(xué)還原后的RGO吸附到其表面, 得到可替代ITO電極的透光電極材料. 使用自組裝方法在石英基底上制備了含 Ag 石墨烯薄膜, 透光率為 86.3%, 薄層電阻為 97 k?/□, 小于對(duì)比樣品純石墨烯薄膜的薄層電阻. 自組裝方法一般用于制備單層石墨烯材料, 并且較難實(shí)現(xiàn)過程的控制, 限制了該方法的應(yīng)用. 真空過濾法是通過過濾石墨烯溶液, 使石墨烯沉積在濾網(wǎng)上的一種制備石墨烯薄膜材料的方法. 通常利用該方法將液相剝離法或氧化還原法制備的石墨烯溶液沉積在不同濾膜材料上, 得到石墨烯薄膜材料, 是一種簡(jiǎn)單易行但不能精確控制制備過程參數(shù)的石墨烯薄層材料制備方法。使用該方法制備石墨烯透光導(dǎo)電薄膜, 并通過 Cl 摻雜的方法提高其電子傳導(dǎo)能力, 進(jìn)而改善了以其作為透光電極的 OPSC 的電性能. Peng 等，使用該方法在柔性基底上制備碳納米管與石墨烯復(fù)合涂層, 該涂層具有良好的導(dǎo)電率和透光率. 綜上所述, 石墨烯作為透光導(dǎo)電極材料的研究重點(diǎn)主要集中在改進(jìn)石墨烯薄膜的制備方法、提高石墨烯薄膜的電性能、透光性等方面. 石墨烯薄膜作為透光電極有兩點(diǎn)值得注意.

首先, 大部分結(jié)果表明以石墨烯作為透光電極的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率都在一定程度上低于以 ITO/FTO 作為透光電極的太陽能電池. 主要原因在于目前采用各種方法制備的石墨烯透光薄膜的薄層電阻較高, 從而影響了整個(gè)光電池的效率. 所以需要進(jìn)一步改善石墨烯薄膜的制備方法, 得到均勻的、導(dǎo)電性能更好的石墨烯薄膜, 以求在降低成本的同時(shí), 提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率.

其次, 石墨烯作為透光電極時(shí), 也是一種與太陽能電池其它部分直接接觸的界面材料. 如在 DSSC 中, 石墨烯薄膜作為透光導(dǎo)電極與電解質(zhì)及染料接觸; 在異質(zhì)結(jié)電池中, 石墨烯與其它半導(dǎo)體材料接觸. 因此, 石墨烯材料表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)也一定程度上影響了太陽能電池整體電性能的表現(xiàn).  當(dāng)石墨烯作為 DSSC 透光電極時(shí), 不同電解質(zhì)與石墨烯相互作用和匹配的程度不盡相同, 進(jìn)而表現(xiàn)出不同的電池轉(zhuǎn)換效率. 則研究了石墨烯作為 DSSC 透光電極時(shí), 不同氧化還原對(duì)與功能化石墨烯的匹配程度不同. 在未來的研究中, 在關(guān)注改進(jìn)石墨烯薄膜制備方法的同時(shí), 也應(yīng)該關(guān)注石墨烯作為太陽能電池的一部分與電池其它部分的匹配和適應(yīng)情況.

2. 石墨烯應(yīng)用于太陽能電池受體材料

石墨烯作為太陽能電池受體材料, 主要應(yīng)用于 OPSC 中. OPSC 是一種混合異質(zhì)結(jié)電池, 光照射 OPSC 中的電子給體材料產(chǎn)生激子, 即電子空穴對(duì), 激子會(huì)在給體與受體的交界面分離, 從而使電子和空穴分別傳導(dǎo)到兩個(gè)電極上形成電流. 電子給體材料的作用是產(chǎn)生電子空穴對(duì), 目前一般采用共軛聚合物聚 3-己基噻吩(Poly3-hexylthiophene, P3HT) 或聚 3-辛基噻吩(Poly3-octylthiophene, P3OT). 電子受體材料主要是用于電子分離和傳輸. 作為 OPSC 的受體材料必須具備以下性質(zhì): (1)受體材料的功函數(shù)要在給體材料的最高占據(jù)分子軌道和最低未占分子軌道之間, 以實(shí)現(xiàn)電子在不同分子間的傳播; (2) 受體材料應(yīng)具有良好的傳導(dǎo)電子能力, 并且有較好的材料穩(wěn)定性. 受體材料目前主要是富勒烯的派生物 6,6-苯基 C61 丁酸甲酯(6,6-phenyl C61 butyrate, PCBM), 但是 PCBM 作為受體材料的效果不盡如人意. 學(xué)者們嘗試將碳納米管作為電子受體材料,但是由于碳納米管較小的溶解性及其自身結(jié)構(gòu)的限制, 影響了 OPSC 光電轉(zhuǎn)換效率。

石墨烯作為一種電性能可以和碳納米管媲美且可通過功能化改性的碳薄層材料, 可以替代有機(jī)聚合物電池中 PCBM 作為受體材料. 基于石墨烯的 OPSC ，主要結(jié)構(gòu)包括 Al(或 Cu 等)構(gòu)成的金屬電極、給體材料(共軛聚合物 P3 HT/ P3OT)、受體材料(Graphene)及表面涂有一層導(dǎo)電聚合物[聚(3,4-乙烯基二氧噻吩): 聚(苯乙烯)] 為石墨烯應(yīng)用于 OPSC 的工作原理. 過程①光入射到給體材料上, 給體材料 P3HT/P3OT 受光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì), 即產(chǎn)生激子. 過程②電子空穴對(duì)遷移到給體材料與石墨烯受體材料的界面后, 電子轉(zhuǎn)移到石墨烯受體材料的 LUMO 能級(jí), 空穴保留在給體材料的 HOMO 能級(jí)上, 從而實(shí)現(xiàn)電子和空穴對(duì)分離. 電子在石墨烯受體材料中遷移, 最終傳導(dǎo)到 Al 負(fù)極上. 過程③電子空穴對(duì)分離后, 空穴通過導(dǎo)電聚合物聚 PEDOT:PSS傳輸?shù)秸姌OITO/FTO表面. 空穴和電子分別被負(fù)極和正極收集, 產(chǎn)生電勢(shì)差, 實(shí)現(xiàn)光生伏特效應(yīng). 通過對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾或非化學(xué)修飾, 使其和P3HT或P3OT一起溶于有機(jī)溶劑中, 制備成 OPSC, 并對(duì)其進(jìn)行光電性能的研究. 雖然石墨烯的引入并未帶來 OPSC 效率的明顯提升, 但是以上研究成果證明了石墨烯作為 OPSC 受體材料的可行性, 對(duì)未來的柔性太陽電池及透明太陽能電池的設(shè)計(jì)和研究具有一定啟發(fā)性.

需要注意的是, 上述研究使用表面接枝官能團(tuán)的方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯在有機(jī)溶液中的較好的分散性. 但石墨烯材料中的官能團(tuán)越多, 石墨烯的分子結(jié)構(gòu)和電性能受到影響也越嚴(yán)重.  當(dāng)石墨烯作為電子受體材料時(shí), 其結(jié)構(gòu)上的缺陷將會(huì)降低電子傳輸能力, 增加電子復(fù)合, 進(jìn)而無法顯著提高電池光電轉(zhuǎn)換效率. 因此, 除進(jìn)一步優(yōu)化石墨烯制備方法外, 減少石墨烯缺陷, 增加其它元素的摻雜、以及考慮石墨烯與給體材料的相互作用和匹配是后續(xù)研究中應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn).

3 石墨烯應(yīng)用于太陽能電池光陽極材料

石墨烯材料因其優(yōu)異的電學(xué)性能, 也被應(yīng)用到各類太陽能電池的光陽極, 如異質(zhì)結(jié)太陽能電池及 DSSC 等, 旨在通過引入石墨烯提高光電轉(zhuǎn)換效率, 降低生產(chǎn)成本.

在異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究中, 最早應(yīng)用的碳材料為類金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳薄膜材料(a-C), 但由于 a-C 是單極半導(dǎo)體, 很難對(duì)其進(jìn)行摻雜. 目前應(yīng)用較為廣泛的是碳納米管材料, 而碳納米管之間結(jié)電阻較大、電傳導(dǎo)性較低, 在一定程度上限制了碳納米材料在異質(zhì)結(jié)電池的發(fā)展和應(yīng)用. 近年來人們嘗試將石墨烯材料引入異質(zhì)結(jié)電池的研究中.使用 CVD 方法將石墨烯薄膜沉積在 n 型 Si 表面, 用以研究石墨烯薄膜材料在 Si 基肖特基太陽電池中的應(yīng)用, 結(jié)果表明石墨烯有利于 Si 基肖特基電池的表面鈍化、摻雜及異質(zhì)結(jié)的形成, 且使該電池效率提高到 1.5%. 將單分子層石墨烯 (molecularlayer graphene, MLG)通過 HNO3 和 NH3 的摻雜, 得到 p-MLG 和 n-MLG, 并分別與表面具有納米陣列的 n-Si 及 p-Si 反應(yīng), 形成肖特基太陽能電池. 隨后對(duì)石墨烯納米帶與 Si 納米線結(jié)合形成的肖特基太陽能電池進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn) Si 納米線的摻雜程度, 決定了該款電池的光電性能. 也有研究將圖案化的石墨烯和硒化鎘納米帶應(yīng)用于 Si 基肖特基太陽能電池, 意在得到結(jié)構(gòu)可控的太陽能電池. 石墨烯除應(yīng)用于 Si 基異質(zhì)結(jié)太陽能電池外, 也有研究將其應(yīng)用在聚合物異質(zhì)結(jié)太陽能電池, 將石墨烯進(jìn)行金屬摻雜并制備成透明光陽極材料應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)聚合物電池, 得到半透明聚合物太陽能電池. 雖然目前石墨烯材料應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)太陽能電池后并沒有帶來電池效率的顯著提高, 但石墨烯具有其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì), 相對(duì)于其它碳材料制備更簡(jiǎn)單、且易于摻雜, 以石墨烯材料為基礎(chǔ)的異質(zhì)結(jié)太陽能電池將會(huì)得到更大的發(fā)展和應(yīng)用.

DSSC 是一種低成本、工藝過程簡(jiǎn)單的太陽能電池, 可以制成大面積電池和柔性電池, 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛. DSSC 的結(jié)構(gòu)及工作原理前文已做介紹,  其中 DSSC 光陽極材料一般采用結(jié)構(gòu)是一層 10~15 μm 厚的 TiO2 納米多孔顆粒結(jié)構(gòu). 這種結(jié)構(gòu)的主要作用是增加 TiO2 對(duì)染料的吸收. 但是這種結(jié)構(gòu)由于 TiO2 納米顆粒高度的無序性, 增加了注入電子在傳輸?shù)诫姌O過程中被復(fù)合的概率, 進(jìn)而影響 DSSC 的效率. 近年來, 人們將石墨烯材料引入到 DSSC 光陽極的研究中, 以 TiO2-graphene 復(fù)合材料作為光陽極 , 意在充分利用二者的優(yōu)點(diǎn), 改善電子的傳輸速度、降低電子的復(fù)合, 進(jìn)一步增加光陽極對(duì)染料的吸附, 從而提高 DSSC 的光電轉(zhuǎn)換效率，通過低溫互凝結(jié)作用將石墨烯和 TiO2 進(jìn)行復(fù)合,材料復(fù)合狀態(tài)最好, 界面結(jié)合強(qiáng)度高. 使用該復(fù)合產(chǎn)物作為光陽極的 DSSC 效率比同樣條件下僅使用 TiO2 作為光陽極的 DSSC 效率高出 59%. 將具有不同含量的石墨烯和TiO2粉末混合溶液用旋轉(zhuǎn)涂敷法涂敷到 ITO 玻璃上制備光陽極, 發(fā)現(xiàn) TiO2-graphene 復(fù)合材料對(duì)染料的吸收要高于單純的TiO2, 并發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯含量為1%時(shí), 電池效率最高, 達(dá)到 6.86%. 在此類的研究中, 研究者大多使用 GO 還原方法得到石墨烯, 再與 TiO2進(jìn)行復(fù)合. 其中以熱還原法或二步還原法(化學(xué)還原+退火)制備的石墨烯和 TiO2 的復(fù)合物復(fù)合程度較高. 需要注意的是, RGO 很容易在溶液中出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象, 不利于均勻復(fù)合物的形成. 因此, 進(jìn)一步優(yōu)化石墨烯與 TiO2 復(fù)合方法, 仍然是石墨烯應(yīng)用于 DSSC 光陽極的研究重點(diǎn).

此外, 也有研究應(yīng)用電化學(xué)方法及表面接枝方法來制備 TiO2-graphene 復(fù)合材料.在不同程度上保留了RGO的-OH官能團(tuán), 并利用該官能團(tuán)與鈦醇鹽形成化學(xué)吸附, 使鈦醇鹽在石墨烯表面進(jìn)行水解反應(yīng), 形成 TiO2-graphene 復(fù)合物溶液, 最后通過電泳沉積方法, 在 ITO 玻璃上制備 TiO2-graphene 復(fù)合材料,以得到高導(dǎo)電性的 TiO2-graphene 復(fù)合光陽極. 當(dāng) TiO2 和 graphene 形成復(fù)合材料時(shí), TiO2 牢固的鑲嵌在石墨烯二維平面結(jié)構(gòu)上, 石墨烯則成為電子在 TiO2 顆粒間傳播的媒介, 從而增加了電子在 TiO2-graphene 復(fù)合光陽極中的遷移速率. 有研究證明 TiO2-graphene 復(fù)合材料做為光陽極可以加快電子的傳輸, 增加光的吸收, 減少電子復(fù)合, 并在一定程度上提高 DSSC 的光電轉(zhuǎn)換效率. 為了進(jìn)一步提高 TiO2- graphene 復(fù)合材料導(dǎo)電性, 有學(xué)者將 Ag 及 TiO2- graphene 共同制備成復(fù)合材料, 結(jié)果表明該種復(fù)合材料制備的 DSSC 具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率, 且該種復(fù)合材料對(duì)光有更好的吸收性.

量子點(diǎn)染料敏化太陽電池光陽極也可以引入石墨烯材料, Zhu 等[71]用 TiO2-graphene 復(fù)合物作為光陽極材料制備硫化鎘量子點(diǎn)染料敏化太陽能電池, 并比較了不同石墨烯含量時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯含量是 8%時(shí), DSSC 效率最高, 為 1.44%, 比只用 TiO2 作為光陽極的 DSSC 電池高 56%. 在ITO上采用石墨烯與量子點(diǎn)插層排列的薄膜作為受體材料制備量子點(diǎn)太陽電池, 得到了較高的光電轉(zhuǎn)換效率.

綜上所述, 大量的研究證明了石墨烯應(yīng)用于太陽能電池光陽極的優(yōu)越性和可行性. 在未來的研究中, 除光陽極制備工藝的改進(jìn)和優(yōu)化外, 復(fù)合材料作為光陽極時(shí)與電池其它部分的相互作用及適應(yīng)程度也是研究的重點(diǎn)之一, 其中包括石墨烯在復(fù)合物中的含量與染料吸附的關(guān)系, 石墨烯與 TiO2 含量的比例對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響等.

4 展望

石墨烯材料因其優(yōu)異的材料性能而廣泛應(yīng)用于電子、信息、能源、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域, 其在太陽電池領(lǐng)域的應(yīng)用是重要的研究領(lǐng)域之一. 但目前石墨烯在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用和研究還處于初期階段. 石墨烯的制備技術(shù)仍處于工藝較復(fù)雜, 成本較高的階段, 且現(xiàn)有制備方法所制得的石墨烯薄膜都存在較多的缺陷 , 其材料性能遠(yuǎn)低于理論值 . TiO2-graphene復(fù)合材料的研究也處于較初級(jí)的階段, 復(fù)合材料的制備方法, 復(fù)合模式和復(fù)合比例對(duì)材料性能的影響都還沒有得到深入系統(tǒng)的研究. 石墨烯及石墨烯復(fù)合材料制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)仍需要學(xué)者們不懈的努力. 未來對(duì)石墨烯薄膜材料進(jìn)一步的研究應(yīng)集中在改進(jìn)石墨烯薄膜的制備工藝, 尋求簡(jiǎn)單、環(huán)保、成本較低的制備方法等, 并通過工藝過程的控制, 力求解決石墨烯薄膜材料的團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)缺陷等問題. 在此基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)與其它材料復(fù)合, 摻雜其他物質(zhì), 得到復(fù)合涂層, 從而提高太陽電能池光電轉(zhuǎn)換效率。