Prog Polym Sci. 云斯宁最新综述：聚合物在染料敏化太阳能电池中的应用

感谢云老师对本文的指导和对材料人网的支持！

引言

由于当前能源短缺问题的日益严重，太阳能电池成为开发新能源行之有效的手段之一。近日，受国际同行的邀请，由西安建筑科技大学功能材料研究所云斯宁教授牵头，由巴西坎皮纳斯大学的Ana F. Nogueira教授、巴西雷纳托阿彻信息技术中心Jilian Nei Freitas博士，西班牙阿文戈亚太阳能公司的Shahzada Ahmad研究员、复旦大学的王忠胜教授等各国科研人员参与共同完成的长篇论文“Dye-sensitized solar cells employing polymers”2016年8月在《Progress in Polymer Science》（期刊缩写Prog Polym Sci）在线发表。论文详细地讨论了聚合物作为电池组件在DSSCs中扮演的角色，分析了影响聚合物DSSC性能的因素及提升电池整体工作性能的策略，对聚合物在新一代太阳能电池中的应用潜能和挑战进行了评估。

研究背景

众所周知，聚合物材料由于其独特的结构特点和广泛的应用潜能，在新能源器件（锂电池、超级电容器、燃料电池、太阳能电池等）中扮演着至关重要的作用，聚合物科学也因此成为新能源领域重要的研究主题。作为备受国际学术界和工业界关注的新一代太阳能电池(DSSCs)，聚合物作为电池组件引起全球科研人员的极大关注。一方面，导电聚合物优异的性能特点有望取代昂贵的铂催化材料而广泛的应用于DSSCs对电极催化材料。这能有效解决贵金属铂材料在新能源领域面临的压力与挑战（成本高、资源有限、易腐蚀等）；另一方面，聚合物作为固态或拟固态电解质有望取代液态电解液应用于固态或全固态太阳能电池，解决液态电解液泄露问题，进而大幅度提高太阳能电池的稳定性和使用寿命。此外，聚合物利用其柔性的特点取代刚性玻璃衬底应用于柔性太阳能电池，进一步拓阔了DSSCs潜在的应用范围（如太阳能窗户、太阳能屋顶、BIPV玻璃、便携式电子设备、内饰件、平板显示、太阳能雨棚、太阳能雨伞、太阳能广告/海报、无线传感器网络、应急电力、集成器件等）。

综述内容

染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种具有较高理论光电转换效率、价格低廉、弱光发电效率高、环境友好的光伏器件受到业界广泛关注。传统金属铂Pt材料是优选的DSSC对电极材料。然而，基于碘电对液体电解液的DSSC金属铂Pt对电极由于稀缺、昂贵、易腐蚀等缺陷仍然面临巨大挑战。此外，液体电解液易挥发、易泄露、较低的化学稳定性也为DSSC的进一步发展带来很大的技术难题。然而，聚合物材料由于其独特的结构特点和性能优势，在DSSC中扮演着重要的作用。聚合物不仅可以在代替Pt电极作为高效的DSSC对电极材料，同时，也可以取代液体电解质作为固态或准固态DSSC中的高分子电解质或空穴运输层。考虑到玻璃衬底的脆弱性和形状的限制，聚合物材料还可以用来代替刚性的玻璃基板以实现柔性的DSSC。本文对DSSC聚合物对电极、聚合物电解质及聚合物基板进行了综述，对聚合物在DSSC中的性能提升的影响因素和策略进行了分析和讨论，对聚合物在DSSC中的优势、缺点、挑战进行了评估，特别关注了聚合物DSSC潜在的应用前景。

图文导读

图一：染料敏化太阳能电池工作原理示意图

染料分子捕获光子由基态变为激发态，激发态的染料分子将电子注入TiO2半导体的导带中，此时，染料分子变为氧化态。注入到TiO2纳米颗粒层的电子富集到导电基板，并扩散通过外部负载流向对电极，形成电流。氧化态的染料分子从电解液的电子给体获得电子，自身转变为还原态，致使染料分子再生。被氧化的电子给体扩散至对电极获得电子而被还原，从而完成一个光电化学循环。

图二：新型的（左），传统的（中），固态的（右）染料敏化太阳能电池的示意图

图中给出聚合物在太阳能电池中的应用示意图。与以碘电对的染料敏化太阳能电池相比，导电聚合物可以作为对电极、柔性玻璃衬底及空穴传输材料应用于不同类型的DSSC器件中。

图三：柔性基底的染料敏化太阳能电池示意图及实物照片

（a）底部金属为光阳极，上面为导电聚合物对电极的DSSC。
（b）两种基底都是聚合物导电薄膜的DSSC。

图四：聚合物对电极染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率PCE

图五：聚合物电解液中PVDF-HFP和NaI相互作用的示意图

图六：静电纺丝构建的PAN聚合物纤维SEM图应用于凝胶聚合物电解液DSSC

图七：基于PAA-g-CTAB/PANI的聚合物电解液结构示意图

图八：多孔结构PAA-PEG聚合物凝胶电解液的SEM图

图九：聚合物衬底DSSC的光伏曲线图

图十：Ppy/f-MWCNT和Pt作为对电极的ITO-PEN柔性基底DSSC光伏曲线

插图为Ppy/f-MWCNT（左）和Pt（右）柔性基底对电极

图十一：聚合物作为对电极和柔性衬底在柔性DSSC中的应用

聚合物EFG衬底弯曲产生裂纹的是实物图和示意图（a）和相应的SEM图（c）；
PEDOT纤维增强EFG弯曲后无裂缝产生（b）和相应的SEM图（d）；
PEDOT/EFG电极应用于柔性器件的示意图（e）及在1.5G光强下用不同对电极的固态聚合物电解质的光伏曲线（f）。

图十二：石墨烯在聚合物柔性DSSC中的应用

（a）在PET柔性衬底上构建石墨烯复合聚合物PEDOT对电极示意图；覆盖石墨烯的PET基底，和用石墨烯/PEDOT对电极在PET基底上的染料敏化太阳能电池的制造工艺的示意图；
（b）柔性衬底PI上还原石墨烯的FESEM图；（c）电解液在FD-RGO/PI电极上的渗透示意图；

图十三：染料敏化太阳能电池的应用领域

图十四：DSSC集成器件结构示意图

（a）-（b）由DSSC和锂离子电池基于双面TiO2纳米管的集成器件示意图；
（c）由DSSC和基于ZnO纳米线结构纳米发电机组成的集成器件；
（d）由DSSC和以氧化钛纳米管阵列为电极的电化学超级电容器组成的堆集成器件。

图十五：柔性染料敏化太阳能电池和柔性超级电容器组成的集成器件

（a）柔性的集成器件机构示意图；（b）柔性超级电容器结构示意图；
（c）柔性染料敏化太阳能电池结构示意图；（d）柔性DSSC和聚合物EDOT超级电容器组成的集成器件结构示意图。
图十六：基于聚合物组件的染料敏化太阳能电池和超级电容器构建集成器件结构示意图和实物照片

总结

全球研究小组已经报道了在DSSCs使用聚合物的最新的相关进展和重要贡献。这些报告将在DSSC组件的设计中应用聚合物材料。关于对电极催化材料，新颖的聚合物体系通过引入多样性和复杂性可能会被开发来用来替代Pt催化材料。替代Pt催化材料的新进展在不久的将来需要应对更多的挑战。这些新奇的聚合物催化材料在燃料电池中、传感器、制氢、储能、有机物分解和污染控制也可能适用。

迄今为止，在大多数发表的论文中，采用聚合物或者凝胶电解质替代液体电解质，主要是起源于聚合物或者凝胶电解质在粘稠的介质中较低的离子迁移率，在纳米TiO2中低的渗透力，增加的电极和电解质界面间的电荷传输阻抗。实际上，在过去几年里，聚合物凝胶电解质染料敏化太阳能电池的效率一直比液态电解质电池的效率低。使用聚合物材料导致离子导电性的增加和使用聚合物材料具备避免电解液泄露的可能，被大量关于报道的高效率DSSC的论文所掩盖。最近，一些课题组已经报道了使用聚合物获得了比用液态电解质更高的DSSC效率，稳定性好就是最明显的优势。为了获得这种重要的突破，需要调控聚合物系统的组成，无机纳米填充剂的引入，低聚物，增塑剂，质子给体，吡啶衍生物和触变性凝胶状态和多孔结构GPE膜的使用已经成为了一个产生聚合物凝胶电解质的基本路线。在这种系统中，每个成份的角色不能被完全理解和解释，这种机制更深入的研究将会得到更加深远的意义。

值得注意的是，当进行长期稳定性测试时，这种电池呈现很好的性能和耐久性。这种突出的性能归于聚合物和凝胶电解质比液态电解质有更好地粘滞性。甚至在凝胶电解质中，聚合物网络是防止液态电解液泄露和挥发的更有效的溶剂。在最初的测试中，其性能低于液态电解质的太阳能电池，但是，经过几天以后，聚合物电解质具有高Voc和Jsc值，并且在很长一段时间保持不变。更系统的稳定性测试需要考虑比在实验室测试更长时间，或在户外模拟测试，或在极端的环境条件测试，这些是走向商业化的必须考量。脆性的局限和聚合物的稳定性导致了发展多样化的光阳极和对电极结构，以确保他们在低温下和柔性衬底的的性能和兼容性。

为了降低成本和增加灵活性，传统染料敏化太阳能电池中的刚性材料和液体电解液一般使用聚合物来替代。用聚合物替代染料敏化太阳能电池的组件是与现代化和商业化息息相关的。这个措施也解决了传统液态染敏电池中所面临的一些问题。将聚合物的优良的加工优势和机械性能与其他材料所需的性能结合起来，适度调控聚合物的性能，能够使其在市场中拥有竞争优势。聚合物多样化的特性和它在在能量转换和存储的广泛应用使得聚合物这个主题在更广泛的科学界是一个长久和创新的研究课题。

论文分析了影响聚合物DSSC性能的因素及提升电池整体工作性能的策略，对聚合物在新一代太阳能电池中的应用潜能和挑战进行了评估。

这篇发表在聚合物科学与工程相关领域的高级综述性论文，对聚合物在太阳能领域的发展具有重要的引领和指导作用。

该研究发表于最新一期的《Progress in Polymer Science》（2016, 59, 1-40）美国科学情报研究机构汤森路透《SCI期刊引用报告》(Thomson Reuters 2015 Journal Citation Reports) 2016年6月14日最新公布的《Progress in Polymer Science》刊物5年影响因子（5-Year impact factor）为33.92。

论文链接：Dye-sensitized solar cells employing polymers (Progress in Polymer Science, 2016, DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2015.10.004)