Prog Polym Sci. 云斯寧最新綜述：聚合物在染料敏化太陽能電池中的應用

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引言

由于當前能源短缺問題的日益嚴重，太陽能電池成為開發新能源行之有效的手段之一。近日，受國際同行的邀請，由西安建筑科技大學功能材料研究所云斯寧教授牽頭，由巴西坎皮納斯大學的Ana F. Nogueira教授、巴西雷納托阿徹信息技術中心Jilian Nei Freitas博士，西班牙阿文戈亞太陽能公司的Shahzada Ahmad研究員、復旦大學的王忠勝教授等各國科研人員參與共同完成的長篇論文“Dye-sensitized solar cells employing polymers”2016年8月在《Progress in Polymer Science》（期刊縮寫Prog Polym Sci）在線發表。論文詳細地討論了聚合物作為電池組件在DSSCs中扮演的角色，分析了影響聚合物DSSC性能的因素及提升電池整體工作性能的策略，對聚合物在新一代太陽能電池中的應用潛能和挑戰進行了評估。

研究背景

眾所周知，聚合物材料由于其獨特的結構特點和廣泛的應用潛能，在新能源器件（鋰電池、超級電容器、燃料電池、太陽能電池等）中扮演著至關重要的作用，聚合物科學也因此成為新能源領域重要的研究主題。作為備受國際學術界和工業界關注的新一代太陽能電池(DSSCs)，聚合物作為電池組件引起全球科研人員的極大關注。一方面，導電聚合物優異的性能特點有望取代昂貴的鉑催化材料而廣泛的應用于DSSCs對電極催化材料。這能有效解決貴金屬鉑材料在新能源領域面臨的壓力與挑戰（成本高、資源有限、易腐蝕等）；另一方面，聚合物作為固態或擬固態電解質有望取代液態電解液應用于固態或全固態太陽能電池，解決液態電解液泄露問題，進而大幅度提高太陽能電池的穩定性和使用壽命。此外，聚合物利用其柔性的特點取代剛性玻璃襯底應用于柔性太陽能電池，進一步拓闊了DSSCs潛在的應用范圍（如太陽能窗戶、太陽能屋頂、BIPV玻璃、便攜式電子設備、內飾件、平板顯示、太陽能雨棚、太陽能雨傘、太陽能廣告/海報、無線傳感器網絡、應急電力、集成器件等）。

綜述內容

染料敏化太陽能電池（DSSC）作為一種具有較高理論光電轉換效率、價格低廉、弱光發電效率高、環境友好的光伏器件受到業界廣泛關注。傳統金屬鉑Pt材料是優選的DSSC對電極材料。然而，基于碘電對液體電解液的DSSC金屬鉑Pt對電極由于稀缺、昂貴、易腐蝕等缺陷仍然面臨巨大挑戰。此外，液體電解液易揮發、易泄露、較低的化學穩定性也為DSSC的進一步發展帶來很大的技術難題。然而，聚合物材料由于其獨特的結構特點和性能優勢，在DSSC中扮演著重要的作用。聚合物不僅可以在代替Pt電極作為高效的DSSC對電極材料，同時，也可以取代液體電解質作為固態或準固態DSSC中的高分子電解質或空穴運輸層。考慮到玻璃襯底的脆弱性和形狀的限制，聚合物材料還可以用來代替剛性的玻璃基板以實現柔性的DSSC。本文對DSSC聚合物對電極、聚合物電解質及聚合物基板進行了綜述，對聚合物在DSSC中的性能提升的影響因素和策略進行了分析和討論，對聚合物在DSSC中的優勢、缺點、挑戰進行了評估，特別關注了聚合物DSSC潛在的應用前景。

圖文導讀

圖一：染料敏化太陽能電池工作原理示意圖

染料分子捕獲光子由基態變為激發態，激發態的染料分子將電子注入TiO2半導體的導帶中，此時，染料分子變為氧化態。注入到TiO2納米顆粒層的電子富集到導電基板，并擴散通過外部負載流向對電極，形成電流。氧化態的染料分子從電解液的電子給體獲得電子，自身轉變為還原態，致使染料分子再生。被氧化的電子給體擴散至對電極獲得電子而被還原，從而完成一個光電化學循環。

圖二：新型的（左），傳統的（中），固態的（右）染料敏化太陽能電池的示意圖

圖中給出聚合物在太陽能電池中的應用示意圖。與以碘電對的染料敏化太陽能電池相比，導電聚合物可以作為對電極、柔性玻璃襯底及空穴傳輸材料應用于不同類型的DSSC器件中。

圖三：柔性基底的染料敏化太陽能電池示意圖及實物照片

（a）底部金屬為光陽極，上面為導電聚合物對電極的DSSC。
（b）兩種基底都是聚合物導電薄膜的DSSC。

圖四：聚合物對電極染料敏化太陽能電池的光電能量轉換效率PCE

圖五：聚合物電解液中PVDF-HFP和NaI相互作用的示意圖

圖六：靜電紡絲構建的PAN聚合物纖維SEM圖應用于凝膠聚合物電解液DSSC

圖七：基于PAA-g-CTAB/PANI的聚合物電解液結構示意圖

圖八：多孔結構PAA-PEG聚合物凝膠電解液的SEM圖

圖九：聚合物襯底DSSC的光伏曲線圖

圖十：Ppy/f-MWCNT和Pt作為對電極的ITO-PEN柔性基底DSSC光伏曲線

插圖為Ppy/f-MWCNT（左）和Pt（右）柔性基底對電極

圖十一：聚合物作為對電極和柔性襯底在柔性DSSC中的應用

聚合物EFG襯底彎曲產生裂紋的是實物圖和示意圖（a）和相應的SEM圖（c）；
PEDOT纖維增強EFG彎曲后無裂縫產生（b）和相應的SEM圖（d）；
PEDOT/EFG電極應用于柔性器件的示意圖（e）及在1.5G光強下用不同對電極的固態聚合物電解質的光伏曲線（f）。

圖十二：石墨烯在聚合物柔性DSSC中的應用

（a）在PET柔性襯底上構建石墨烯復合聚合物PEDOT對電極示意圖；覆蓋石墨烯的PET基底，和用石墨烯/PEDOT對電極在PET基底上的染料敏化太陽能電池的制造工藝的示意圖；
（b）柔性襯底PI上還原石墨烯的FESEM圖；（c）電解液在FD-RGO/PI電極上的滲透示意圖；

圖十三：染料敏化太陽能電池的應用領域

圖十四：DSSC集成器件結構示意圖

（a）-（b）由DSSC和鋰離子電池基于雙面TiO2納米管的集成器件示意圖；
（c）由DSSC和基于ZnO納米線結構納米發電機組成的集成器件；
（d）由DSSC和以氧化鈦納米管陣列為電極的電化學超級電容器組成的堆集成器件。

圖十五：柔性染料敏化太陽能電池和柔性超級電容器組成的集成器件

（a）柔性的集成器件機構示意圖；（b）柔性超級電容器結構示意圖；
（c）柔性染料敏化太陽能電池結構示意圖；（d）柔性DSSC和聚合物EDOT超級電容器組成的集成器件結構示意圖。
圖十六：基于聚合物組件的染料敏化太陽能電池和超級電容器構建集成器件結構示意圖和實物照片

總結

全球研究小組已經報道了在DSSCs使用聚合物的最新的相關進展和重要貢獻。這些報告將在DSSC組件的設計中應用聚合物材料。關于對電極催化材料，新穎的聚合物體系通過引入多樣性和復雜性可能會被開發來用來替代Pt催化材料。替代Pt催化材料的新進展在不久的將來需要應對更多的挑戰。這些新奇的聚合物催化材料在燃料電池中、傳感器、制氫、儲能、有機物分解和污染控制也可能適用。

迄今為止，在大多數發表的論文中，采用聚合物或者凝膠電解質替代液體電解質，主要是起源于聚合物或者凝膠電解質在粘稠的介質中較低的離子遷移率，在納米TiO2中低的滲透力，增加的電極和電解質界面間的電荷傳輸阻抗。實際上，在過去幾年里，聚合物凝膠電解質染料敏化太陽能電池的效率一直比液態電解質電池的效率低。使用聚合物材料導致離子導電性的增加和使用聚合物材料具備避免電解液泄露的可能，被大量關于報道的高效率DSSC的論文所掩蓋。最近，一些課題組已經報道了使用聚合物獲得了比用液態電解質更高的DSSC效率，穩定性好就是最明顯的優勢。為了獲得這種重要的突破，需要調控聚合物系統的組成，無機納米填充劑的引入，低聚物，增塑劑，質子給體，吡啶衍生物和觸變性凝膠狀態和多孔結構GPE膜的使用已經成為了一個產生聚合物凝膠電解質的基本路線。在這種系統中，每個成份的角色不能被完全理解和解釋，這種機制更深入的研究將會得到更加深遠的意義。

值得注意的是，當進行長期穩定性測試時，這種電池呈現很好的性能和耐久性。這種突出的性能歸于聚合物和凝膠電解質比液態電解質有更好地粘滯性。甚至在凝膠電解質中，聚合物網絡是防止液態電解液泄露和揮發的更有效的溶劑。在最初的測試中，其性能低于液態電解質的太陽能電池，但是，經過幾天以后，聚合物電解質具有高Voc和Jsc值，并且在很長一段時間保持不變。更系統的穩定性測試需要考慮比在實驗室測試更長時間，或在戶外模擬測試，或在極端的環境條件測試，這些是走向商業化的必須考量。脆性的局限和聚合物的穩定性導致了發展多樣化的光陽極和對電極結構，以確保他們在低溫下和柔性襯底的的性能和兼容性。

為了降低成本和增加靈活性，傳統染料敏化太陽能電池中的剛性材料和液體電解液一般使用聚合物來替代。用聚合物替代染料敏化太陽能電池的組件是與現代化和商業化息息相關的。這個措施也解決了傳統液態染敏電池中所面臨的一些問題。將聚合物的優良的加工優勢和機械性能與其他材料所需的性能結合起來，適度調控聚合物的性能，能夠使其在市場中擁有競爭優勢。聚合物多樣化的特性和它在在能量轉換和存儲的廣泛應用使得聚合物這個主題在更廣泛的科學界是一個長久和創新的研究課題。

論文分析了影響聚合物DSSC性能的因素及提升電池整體工作性能的策略，對聚合物在新一代太陽能電池中的應用潛能和挑戰進行了評估。

這篇發表在聚合物科學與工程相關領域的高級綜述性論文，對聚合物在太陽能領域的發展具有重要的引領和指導作用。

該研究發表于最新一期的《Progress in Polymer Science》（2016, 59, 1-40）美國科學情報研究機構湯森路透《SCI期刊引用報告》(Thomson Reuters 2015 Journal Citation Reports) 2016年6月14日最新公布的《Progress in Polymer Science》刊物5年影響因子（5-Year impact factor）為33.92。

論文鏈接：Dye-sensitized solar cells employing polymers?(Progress in Polymer Science, 2016, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2015.10.004)