综述：金属氧化物和碳纳米复合材料作为染料敏化太阳能电池的无铂对电极研究进展

这篇综述系统总结了金属氧化物（如TaO、α-Fe2O3、NiCo2O4等）及其碳纳米复合材料（如石墨烯/碳纳米管）在染料敏化太阳能电池（DSSC）中对电极（CE）中的应用进展，重点分析了其替代传统铂（Pt）电极的催化性能、电荷转移电阻（Rct）和光电转换效率（PCE）优化策略，为开发低成本、高稳定性的第三代太阳能电池提供了重要参考。

　　

金属氧化物和碳纳米复合材料作为染料敏化太阳能电池的无铂对电极研究进展

1. 引言

全球能源需求持续增长，传统化石燃料因环境问题面临挑战。太阳能作为清洁能源的代表，其利用技术中染料敏化太阳能电池（DSSC）因结构简单、成本低和室内高效等优势备受关注。然而，DSSC中铂（Pt）对电极的高成本和碘电解质（I^-/I₃^-）腐蚀问题促使研究者探索替代材料。金属氧化物（如TaO、Fe₂O₃）和碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）因其高催化活性和导电性成为研究热点。

2. DSSC的工作原理与性能参数

DSSC工作过程模拟光合作用，分为四步：染料光激发（D→D*）、电子注入TiO₂导带、电解质还原（I₃^-→I^-）和染料再生。性能参数包括短路电流密度（J_SC）、开路电压（V_OC）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE=J_SC×V_OC×FF/P_in）。理想对电极需满足低电荷转移电阻（R_ct<2 Ωcm²）和高比表面积。

3. 金属氧化物对电极的研究进展

• 纯金属氧化物：

  • TaO：通过化学合成法制备，PCE达6.48%（Pt为7.16%），归因于氧空位提升催化活性。
  • NiCo₂O₄纳米花：水热法制备的纳米花结构PCE为8.48%，优于纳米片（6.84%）和纳米棒（低FF）。
  • WO₂纳米棒：电荷转移电阻（R_ct=6.3 Ωcm²）接近铂，PCE达7.25%。

• 挑战：多数金属氧化物R_ct较高（如MnO₂达1350 Ωcm²），导致FF和PCE偏低。

4. 碳基材料对电极的突破

碳材料（如石墨烯、碳纳米管）因高导电性和低成本被广泛研究：

• 石墨烯/碳纳米管（CNT）：3D结构使PCE达10.56%，R_ct仅0.32 Ωcm²，优于铂（7.64%）。
• 介孔碳（MC）：功能化MC的PCE为8.42%，因高比表面积和低R_ct（0.60 Ωcm²）。

5. 金属氧化物/碳纳米复合材料的协同效应

复合材料结合金属氧化物的催化性和碳材料的导电性：

• ZnNb₂O₆/生物碳（BPC）：PCE达8.83%，理论计算表明Nb/Zn原子金属特性促进I₃^-还原。
• Fe₂O₃/碳纳米纤维（CNFs）：PCE为7.48%，Fe₂O₃纳米颗粒均匀分散提升电子传输。

6. 总结与展望

当前，金属氧化物/碳复合材料（如ZnNb₂O₆/BPC）和碳基材料（如CNT-石墨烯）已展现出超越铂的潜力。未来需优化合成方法（如绿色合成）、调控薄膜厚度（8-14 μm最佳）和探索新型复合材料（如双金属氧化物），以推动DSSC商业化应用。