作为第3代新型薄膜太阳能电池的代表之一，染料敏化太阳能电池(DSSCs)是近年来光伏领域的一个研究热点。对电极是DSSCs的一个关键组成部分，其功能是收集来自外电路的电子并实现电解质中I3-的催化还原。通常，DSSCs的对电极为贵金属铂(Pt)，但Pt的储量有限、价格高昂、在电化学环境中稳定性差，这些缺点很大程度上增加了DSSCs的成本并限制了其规模化应用。开发廉价、高效、稳定性好的对电极材料，是克服这些瓶颈性难题的有效对策。碳材料具有低成本、高导电性和良好稳定性等优点，有望取代昂贵的Pt对电极。介绍近年来碳基对电极的研究进展，包括多孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨炔和MOF衍生碳等材料，分析比较各种功能碳材料的结构特点，详述其制备方法；归纳总结碳材料的原子/电子性质、限域结构、表界面物性、缺陷位等对质量传递、电荷传递、电催化活性的调变规律。最后，展望了功能碳材料对电极现存的问题及未来发展的方向。
图 1 染料敏化太阳能电池的结构示意图
本综述对碳材料对电极进行了全面的讨论，包括多孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、石墨炔、MOF衍生碳、碳量子点和碳球，电池的详细参数见表 2。综上所述，由碳原子经sp2杂化形成的π键共轭结构，决定了碳材料对电极有着高导电性、高化学稳定性的优点，但也由于其化学惰性的表面而导致催化活性相对较弱。常规的碳材料对电极的光电转换效率并不高，提高效率的关键是调控其导电性和催化活性之间的平衡。近年来大多数的研究集中在提升碳材料的电催化性能，通过结构设计、缺陷工程、表面功能化、杂原子掺杂、与其他催化剂复合等方式增加催化反应活性位点，取得了不错的成效。但同时也存在着许多挑战：
表 1 配备碳对电极的染料敏化太阳能电池的参数一览表
1) 如何构筑理想的碳基催化剂是一大难题。例如，制备单一掺杂构型的石墨烯、有序孔道结构的多孔碳、单原子金属/碳复合材料等仍具有难度，未来在前驱体的选择、实验条件的控制上需要进一步探索。
2) 对于结构和成分复杂的碳材料，如煤基、生物质基碳材料，IRR催化反应机理尚不明确，有待于进一步的研究与讨论。现在，原位技术日渐成熟，结合原位XRD、原位拉曼、原位电镜揭示碳对电极的构效关系是未来发展的趋势。同时，DFT计算发展迅速，已经成为理解复杂催化现象的常规方法和重点实验。未来的方向将是实验与计算相结合，充分利用理论计算指导碳基催化剂的设计和筛选，以及探究碳材料的催化反应机理。
3) 碳材料与FTO之间的黏附性也存有问题，这会影响整个电池的导电性和长期稳定性。未来一方面要对碳材料功能化改性，提高与FTO基底的结合力；另一方面还要发展无FTO的碳材料对电极。目前已有研究采用碳布代替昂贵的FTO作为导电基底，制备整体对电极材料。这类电极不仅能够表现出不错光电转换效率，而且降低了电池制造成本，这对于日后的产业化有着重要意义。
4) 针对F-DSSCs的碳纤维基底，如何提高其电催化活性仍是主要工作。负载Pt纳米颗粒的碳纤维对电极虽表现出较好的电催化性能，但其高成本制约了可穿戴电池器件的商业化应用。通过表面改性、负载非贵金属催化剂等方法制备高性能碳基对电极材料，是提升F-DSSCs效率、早日实现可穿戴电池器件规模化生产的重要趋势。
作为Pt对电极的替代物，碳材料有着极大的发展潜力，在碘基以及钴基电解质下表现出不错的电化学性能。相信在不远的未来，有关碳材料电催化剂的研究不断被完善，涌现出一批高性能的染料敏化太阳能电池。
成果发表在化学工业与工程 (DOI:10.13353/j.issn.1004.9533.20206005)。
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