[论文解读] Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides-Based Counter Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells

Eric J. Singh, Ki Seok Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2017

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 274被引用 3

一句话总结

本综述探讨了二硫化钼（MoS2）、二硒化钨（WS2）和二硒化钻（CoSe2）等二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）作为低成本、无铂对电极（CEs）在染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的应用。研究表明，基于TMD的对电极，特别是沉积在镍泡沫上的CoSe2/碳纳米攀壁结构，实现了10.46%的功率转换效率（PCE），超过传统铂基对电极的8.25%，凸显了其在高性能、低成本DSSCs中的潜力。

ABSTRACT

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are gaining considerable interest as alternatives to the semiconductor-based thin film solar cells. The noble metal platinum (Pt) is conventionally used as counter electrode (CE) material for fabricating DSSCs. Since Pt is expensive and scarce, new materials have been explored to develop cost-effective Pt-free counter electrodes for DSSCs. Two-dimensional (2D) graphene-based counter electrodes have achieved the highest known power conversion efficiency (η) of 13%, which has stimulated research activities in 2D layered transition metal dichalcogenides (TMDs) for developing Pt-free DSSCs. In this review, progress made on alternative counter electrodes for fabricating low-cost Pt-free DSSCs, based on earth-abundant 2D TMDs including MoS2, WS2, TiS2, FeS2, CoS2, NiS2, SnS2, MoSe2, NbSe2, TaSe2, NiSe2, FeSe2, CoSe2, Bi2Se3 and their based composites, are discussed and summarized. Also, the considerable progress made on thin films of MoS2 and MoS2 based carbon, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers (CNFs), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) composites as efficient counter electrodes (CEs) for DSSCs are discussed, in terms of their electrochemical and photovoltaic properties. At present, PCE values higher than that of standard Pt CE have been recorded for a number of TMD-based CEs, which include MoS2 and MoSe2/thin films deposited on Mo foil, MoS2/CNTs, MoS2/graphene, MoS2/carbon, MoSe2/PEDOT:PSS, NbSe2, FeS2, FeSe2 nanosheets, TiS2/graphene, and NiS2/graphene hybrid systems in DSSCs, for the reduction of triiodide (I3-) to iodide (I-). The highest PCE (η=10.46%) versus Pt CE (η=8.25%) at 1 Sun (100 mW/cm2, AM 1.5G) was measured for DSSCs having a low cost and flexible CoSe2/carbon-nanoclimbing wall counter electrode deposited on a nickel foam.

研究动机与目标

• 识别并评估地球储量丰富、二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）作为染料敏化太阳能电池（DSSC）对电极中贵金属铂的可行替代品。
• 通过开发低成本、柔性和高效的无铂对电极，解决铂的高成本和稀缺性问题。
• 分析基于TMD的对电极的电化学和光伏性能，包括与碳材料、石墨烯、碳纳米管（CNTs）及PEDOT:PSS复合材料的性能。
• 总结近年来在薄膜TMD及其复合体系用于DSSC中三碘离子还原方面的研究进展。
• 通过将TMD基对电极的功率转换效率（PCE）与标准铂基对电极进行比较，建立TMD基对电极的性能基准。

提出的方法

• 系统性综述并整合关于二维TMDs（如MoS2、WS2、FeS2、CoSe2、NbSe2）作为DSSC对电极的实验与理论研究。
• 评估基于TMD的对电极的电化学性能，包括催化活性、电荷转移动力学及电化学稳定性。
• 分析在AM 1.5G光照条件下，包括功率转换效率（PCE）、开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）和填充因子（FF）在内的光伏性能指标。
• 研究将TMDs与导电材料（如碳纳米管（CNTs）、石墨烯、碳纳米纤维（CNFs）及PEDOT:PSS）结合的复合结构，以提升导电性和催化活性。
• 采用薄膜沉积技术在柔性基底（如Mo箔和镍泡沫）上制备，以实现柔性且低成本的DSSC制造。
• 在标准测试条件（100 mW/cm²，AM 1.5G）下，将TMD基对电极的PCE值与标准铂基对电极进行基准对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 地球储量丰富的二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）能否在DSSC中实现超越传统铂基对电极的功率转换效率？
• RQ2 基于TMD的对电极的电化学性能——特别是其对三碘离子还原的催化活性——如何影响DSSC的整体光伏性能？
• RQ3 复合结构（如TMDs与石墨烯、CNTs或PEDOT:PSS）对无铂DSSC的效率和稳定性有何影响？
• RQ4 哪种基于TMD的对电极结构表现出最高的功率转换效率？其优异性能的结构或组分特征是什么？
• RQ5 在实际DSSC应用中，柔性、低成本的TMD基对电极在多大程度上可替代刚性、昂贵的铂基对电极？

主要发现

• 在镍泡沫上沉积的CoSe2/碳纳米攀壁对电极在1个太阳光照（100 mW/cm²，AM 1.5G）下实现了创纪录的10.46%功率转换效率（PCE），超过标准铂基对电极的8.25%。
• 在Mo箔上制备的MoS2和MoSe2薄膜对电极也表现出高于铂基对电极的PCE，证实了其作为高效、低成本对电极材料的可行性。
• MoS2/CNTs、MoS2/石墨烯、MoS2/碳、MoSe2/PEDOT:PSS、TiS2/石墨烯和NiS2/石墨烯等复合体系由于TMDs与导电碳材料之间的协同效应，表现出增强的催化活性和更高的PCE。
• NbSe2和FeS2纳米片在特定结构中也表现出有前景的电化学性能，其PCE超过铂基对电极。
• 采用柔性基底（如镍泡沫）可实现轻质、可弯曲的DSSC，展现出在规模化、低成本太阳能电池技术中的巨大潜力。
• 在所研究的TMDs中，CoSe2基复合材料表现出最高效率，归因于其优异的电导率和对I3-还原的高催化活性。