利用协同共掺杂的FeCu@MoS2对电极提升染料敏化太阳能电池的光伏性能

《Nano Trends》：Enhanced Photovoltaic Performance of Dye Sensitized Solar Cells using synergistically Co-doped FeCu@MoS 2 counter electrodes

本研究通过水热法合成Fe-Cu共掺杂MoS?纳米复合材料，显著提升其电催化活性和电子传输性能。XRD和FESEM分析表明，共掺杂使晶粒尺寸降至3.3 nm，引入晶格应变并形成高比表面积（137 m2/g）的三维多孔结构。电化学测试显示电荷转移电阻降低至60 Ω，在DSSC中实现12.86%的功率转换效率，较纯MoS?提升近两倍，且20天内保持超90%效率稳定性。

　　在当前全球能源需求不断上升的背景下，开发高效、低成本且环境友好的光电转换材料成为研究的热点。其中，染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs）因其独特的结构设计、较低的制造成本以及在弱光和室内光环境下的良好性能，受到广泛关注。然而，传统DSSCs中的对电极（Counter Electrode, CE）材料，如铂（Pt），虽然具有优异的催化活性和导电性，但其高昂的成本、有限的资源以及在碘离子/三碘离子电解质中的稳定性问题，限制了其大规模应用。因此，寻找一种替代铂的高效对电极材料成为提升DSSCs性能的关键方向。

在此背景下，研究者提出了一种创新的双金属掺杂策略，以改善二硫化钼（MoS?）作为对电极材料的性能。MoS?因其较低的成本和良好的催化潜力，被视为一种有前景的替代材料。然而，其固有的低导电性和有限的活性位点，限制了其在实际应用中的效率。为此，研究团队通过一种简便的水热法合成了铁（Fe）和铜（Cu）共掺杂的MoS?纳米复合材料（FeCu@MoS?），并对其结构、光学、形态特性进行了系统的表征，同时通过详细的电化学分析评估了其作为对电极的性能。研究结果表明，Fe-Cu共掺杂显著改变了MoS?的晶格结构，使晶粒尺寸缩小至3.3纳米，同时减小了带隙至1.40电子伏特，这些变化对提升DSSCs的光电性能具有重要意义。

此外，FeCu@MoS?展现出高度多孔的二维分层结构，其比表面积达到了137平方米/克，远高于原始MoS?的38平方米/克。这种结构不仅增强了材料与电解质的接触面积，还促进了离子的快速扩散和电子的高效传输。在电化学性能方面，FeCu@MoS?表现出优异的催化活性，其对I??/I?氧化还原反应的电荷转移电阻仅为60欧姆，远低于原始MoS?（260欧姆）、Fe@MoS?（160欧姆）和Cu@MoS?（110欧姆）。这表明FeCu@MoS?在促进电子传输和减少电荷复合方面具有显著优势。

在实际应用中，FeCu@MoS?作为对电极材料的DSSC实现了高达12.86%的功率转换效率（PCE），远超使用原始MoS?（5.39%）、Fe@MoS?（8.12%）和Cu@MoS?（9.43%）的DSSC。更令人印象深刻的是，该材料在20天的长期运行后仍能保持超过90%的初始PCE，展现出良好的操作稳定性。这不仅证明了FeCu@MoS?在光电性能上的优势，还突显了其在实际应用中的潜力。

进一步的电化学分析表明，FeCu@MoS?在交流阻抗谱（EIS）和塔菲尔曲线（Tafel plots）中均表现出优异的性能。EIS分析显示，FeCu@MoS?的电荷转移电阻（Rct）最低，仅为60欧姆，而其他材料的Rct分别为260欧姆（MoS?）、160欧姆（Fe@MoS?）和110欧姆（Cu@MoS?）。塔菲尔曲线则显示，FeCu@MoS?具有最高的交换电流密度，表明其对I??/I?氧化还原反应的催化活性最高。这些结果表明，FeCu@MoS?在电荷转移和催化反应方面均优于单金属掺杂或未掺杂的MoS?。

从形态学角度来看，FeCu@MoS?的场发射扫描电镜（FESEM）图像显示其具有高度互联的三维分层结构，由垂直排列的MoS?纳米片和均匀分散的Fe和Cu纳米颗粒组成。这种结构不仅提高了材料的比表面积，还增强了其对电解质的渗透能力，从而改善了电荷传输效率。通过X射线光电子能谱（XPS）分析，进一步确认了Fe和Cu在MoS?基质中的成功掺杂，以及其对电子结构的调控作用。XPS结果表明，FeCu@MoS?中的Fe和Cu主要以Fe3?和Cu?/Cu2?形式存在，这些氧化态的金属离子能够有效促进电子的转移和分离，从而降低电荷复合率，提高DSSC的整体效率。

研究还发现，FeCu@MoS?的光吸收性能得到了显著增强。紫外-可见光谱（UV-Vis）分析表明，FeCu@MoS?的光吸收范围从可见光延伸至近红外区域，其带隙宽度为1.40电子伏特，比原始MoS?（2.00 eV）和单金属掺杂的材料更窄。这意味着FeCu@MoS?能够更有效地捕获太阳光谱中的更多能量，从而提高光生电流（Jsc）和整体的功率转换效率（PCE）。Tauc图进一步支持了这一观点，表明FeCu@MoS?的带隙更窄，有利于在更宽的波长范围内实现高效的光吸收。

在光响应方面，FeCu@MoS?的入射光子到电流效率（IPCE）曲线显示其在可见光范围内具有高达80%的量子效率，显著优于其他材料。这表明FeCu@MoS?在将光能转化为电能方面具有更高的效率。同时，通过统计分析（如箱线图）评估了不同对电极材料在Jsc、Voc、FF和PCE方面的分布情况，FeCu@MoS?在所有参数上均表现出最佳的中位数和最窄的分布范围，说明其在合成和测试过程中具有良好的一致性和可重复性。

此外，FeCu@MoS?在动态光电响应测试中也表现出优异的性能。光电流密度-时间曲线显示，FeCu@MoS?在360秒内能够稳定地维持高达9.2 mA/cm2的光电流密度，而其他材料的光电流密度分别为7.5 mA/cm2（Cu@MoS?）、6.1 mA/cm2（Fe@MoS?）和4.3 mA/cm2（MoS?）。这表明FeCu@MoS?在促进电荷分离和减少复合损失方面具有显著优势，从而提高了DSSC的长期运行稳定性。

综上所述，FeCu@MoS?作为一种双金属掺杂的MoS?纳米复合材料，展现了在DSSC中作为高效、稳定且成本低廉对电极材料的巨大潜力。其优越的结构特性、光吸收能力以及电化学性能，使其在提升DSSC的功率转换效率和操作稳定性方面表现出色。未来的研究可以进一步优化Fe和Cu的掺杂比例及合成条件，以进一步提升其性能，并探索其在其他光电化学应用中的潜力，如氢气析出反应（HER）和金属-空气电池等。这些进展将有助于推动DSSCs向更高效、更可持续的方向发展，为未来的清洁能源技术提供有力支持。