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石墨烯基对电极：染料敏化太阳能电池性能提升的关键路径

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的飞速发展，能源需求持续攀升，传统化石能源的日益枯竭与环境污染问题愈发严峻，能源危机已成为全球亟待解决的关键挑战。传统化石能源如煤炭、石油和天然气，不仅储量有限，且在开采、运输和使用过程中会对环境造成严重污染，引发温室效应、酸雨等一系列环境问题。因此，开发清洁、可再生的新能源迫在眉睫。在众多新能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、清洁无污染等显著优势，成为了最具潜力的替代能源之一。

太阳能电池作为将太阳能直接转化为电能的关键装置，近年来受到了广泛关注和深入研究。其发展历程可追溯至20世纪50年代，贝尔实验室成功研制出第一块实用型硅基太阳能电池，开启了太阳能电池的新纪元。此后，太阳能电池技术不断演进，从最初的单晶硅太阳能电池，到多晶硅、非晶硅太阳能电池，再到如今的新型太阳能电池，如有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池（DSC）等，其光电转换效率不断提高，成本逐渐降低。

染料敏化太阳能电池（DSC）作为一种新型的光电转换器件，自1991年被瑞士洛桑联邦理工学院的M.Gr?tzel教授首次报道以来，凭借其独特的优势备受关注。与传统的硅基太阳能电池相比，DSC具有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等显著特点。其原材料如纳米二氧化钛、光敏染料等来源广泛，成本低廉，且制备工艺无需复杂的高温、高真空等条件，易于实现大规模工业化生产。此外，DSC还具有良好的柔韧性和可加工性，可制备成各种形状和尺寸，满足不同应用场景的需求。同时，DSC的生产过程无毒无污染，部分材料还可回收利用，符合可持续发展的理念，在建筑一体化光伏、便携式电子设备等领域展现出广阔的应用前景。

在DSC中，对电极作为电池结构的重要组成部分，起着至关重要的作用。对电极的主要功能是催化氧化还原电解质的还原反应，使从外电路流入的电子能够顺利地与氧化态的电解质发生反应，实现电荷的循环，从而保证电池的正常工作。对电极的性能直接影响着DSC的光电转换效率、稳定性和寿命等关键性能指标。目前，传统的DSC对电极材料主要是铂（Pt），Pt具有优异的催化活性和导电性，能够高效地催化电解质的还原反应，使DSC在一定程度上取得了较好的性能。然而，Pt是一种贵金属，资源稀缺，价格昂贵，这在很大程度上限制了DSC的大规模商业化应用。此外，Pt在某些电解质环境中还存在稳定性问题，容易发生腐蚀和溶解，影响电池的长期稳定性和使用寿命。

为了解决传统Pt对电极存在的问题，寻找一种性能优异、成本低廉的替代材料成为了DSC研究领域的热点。近年来，石墨烯作为一种具有独特二维结构和优异性能的新型纳米材料，引起了科研人员的广泛关注，并被逐渐应用于DSC对电极的研究中。石墨烯由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的导电性，其电子迁移率高达200,000cm2/(V?s)，能够快速传输电子，降低电极的电阻，提高电池的性能。同时，石墨烯还具有高比表面积，理论比表面积可达2630m2/g，这使得它能够提供更多的活性位点，促进电解质与电极之间的反应，提高催化效率。此外，石墨烯还具备良好的化学稳定性和机械性能，在各种环境条件下都能保持稳定的性能，为DSC的长期稳定运行提供了保障。

将石墨烯应用于DSC对电极，有望解决传统Pt对电极存在的成本高和稳定性差等问题，显著提升DSC的性能，推动太阳能电池技术的发展，加速太阳能的广泛应用。通过对石墨烯基对电极的研究，可以深入了解石墨烯的结构与性能之间的关系，探索其在DSC中的作用机制，为开发高性能、低成本的DSC提供理论基础和技术支持。因此，开展染料敏化太阳能电池石墨烯基对电极的研究具有重要的现实意义和广阔的应用前景，对于缓解能源危机、推动可持续发展具有深远的影响。

1.2国内外研究现状

染料敏化太阳能电池（DSC）作为一种极具潜力的新型太阳能电池，其石墨烯基对电极的研究在国内外都受到了广泛关注，取得了众多研究成果。

在制备方法上，国内外科研人员探索了多种途径来制备高质量的石墨烯基对电极。化学气相沉积（CVD）法是一种常用的制备方法，国外如美国麻省理工学院的研究团队通过CVD法在铜箔基底上生长出高质量的石墨烯薄膜，然后将其转移到导电玻璃上作为对电极，该方法制备的石墨烯薄膜具有较高的结晶度和导电性，但制备过程复杂，成本较高。国内也有不少团队采用CVD法进行研究，如清华大学的研究人员通过优化CVD工艺参数，实现了大面积、高质量石墨烯薄膜的制备，并应用于DSC对电极，有效提高了电池的性能。还原氧化石墨烯（rGO）法也是常见的制