English

• 0.   引言

  化石燃料的过度开采和利用导致了严重的环境问题和能源危机。染料敏化太阳能电池(DSSCs) 作为第三代太阳能电池的杰出代表，以其卓越的光伏性能和低廉的生产成本引起了研究人员的极大兴趣^[1-4]。到目前为止，DSSCs的研究已经取得了显著的成果，能量转换效率(PCE)从7.1% 提高到了14.3%^[5-6]。DSSCs的工作原理如图 1所示(E_VB和E_CB分别为价带和导带电势)。当光子照射在光阳极时，吸附在半导体氧化物上的染料分子吸收光子从基态(Dye)跃迁到激发态(Dye*)，然后，激发态染料分子快速将激发电子注入到半导体导带中，激发态的染料分子变为氧化态；进入半导体导带中的电子经导电玻璃和外电路进入对电极(CE)产生电流，而CE材料将电解液中的I₃^-催化还原为I^-；同时，氧化态的染料分子在电解液中I^-的作用下还原为基态。因此，CE是DSSCs重要的组成部分，它可以从外电路中收集光生电子并催化I₃^-还原反应(IRR)以确保染料的还原再生^[7]。由于贵金属铂(Pt)对I^-的生成具有高催化活性，因此，其通常被用于DSSCs的CEs。然而，Pt资源有限，价格昂贵，在电化学环境中不稳定，严重限制了其在DSSCs中的广泛应用^{[1, 8-13]}。因此，寻找储量丰富、成本低廉和稳定性好且具有高导电性和高催化活性的CE材料已成为一个重要课题^[14-17]。

  图 1

  

  图 1.  DSSCs的工作原理图

  Figure 1.  Schematic diagram of the working principle of DSSCs

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  在理想电催化剂的设计中，提高材料的催化活性主要有2个方法：增加活性位点和提高本征活性，这都可以通过使用单原子催化剂(SACs)来实现。SACs能最大限度地提高原子的利用率，暴露出最多的活性位点，在很多领域已经被大量报道，如氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢/析氧反应等^[18-21]。而关于SACs在DSSCs中的研究虽然很少，但都取得了不错的PCE。Zhang和Deng等^[22]通过在石墨烯中引入了N原子锚定的单一金属活性中心，制备了一系列基于不同金属的MN4/GN(M=Mn、Fe、Co、Ni、Cu，GN为石墨烯纳米片)复合材料用于DSSCs中，其中CoN₄/GN作为CE时的PCE最高(8.40%)，优于Pt (7.98%)。Shi等^[23]将FeO_x负载的单Pt原子(Pt/FeO_x-SAC) 作为CE应用于DSSCs，该器件的PCE为9.03%，与标准溅射Pt(9.44%)相近。Li等^[24]合成含原子分散的Co—N_x—C基团的富N中空炭球(Co-N-hCSs)，其作为CE用于DSSCs时的PCE为7.71%，略优于Pt基DSSCs(7.65%)。Shi等^[25]首次通过还原氧化石墨烯表面氧原子锚定的原子级分散的Ti单原子合成催化剂，其用于DSSCs的最高PCE为8.83%，与Pt(8.92%)的性能相当。

  我们通过分子笼封装前驱体而后热解的策略，制备了具有高催化活性的氮掺杂多孔碳负载孤立的单个Fe原子(Fe-ISAs/NPC)电催化材料，并作为CE用于DSSCs。通过喷涂法制备了不同厚度的电极。然后，研究不同厚度电极对组成的DSSCs电化学性能的影响，获得最佳膜厚值，为研究CE的最佳制备条件奠定了基础。

  1.   实验部分

  1.1   Fe-ISAs/NPC的制备

  首先，通过溶剂热反应制备Fe(acac)₃@ZIF-8。2.628 g 2-甲基咪唑在搅拌条件下溶于15 mL甲醇中(记为溶液A)。2.380 g Zn(NO₃)₂·6H₂O和0.282 g Fe(acac)₃溶于30 mL甲醇，超声20 min(记为溶液B)。然后将溶液B倒入溶液A中在室温下强烈搅拌1 h。随后将溶液转入100 mL高压釜中，120 ℃下加热4 h，自然冷却至室温。所得产物离心分离，先用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)清洗3次，再用甲醇清洗2次，70 ℃真空干燥一夜获得Fe(acac)₃@ZIF-8。最后，将Fe(acac)₃@ZIF-8在Ar气氛的管式炉中900 ℃加热3 h，加热速率为5 ℃·min^-1，得到Fe-ISAs/NPC。

  1.2   CE的制备

  将0.1 g Fe-ISAs/NPC、10 mL异丙醇和0.05 g二氧化钛粉末以及10 g镐珠放入玛瑙罐中，用球磨机(QM-QX04，南京南大仪器厂)研磨4 h。然后超声30 min得到均匀Fe-ISAs/NPC浆料。用喷枪将制备的Fe-ISAs/NPC浆料喷在FTO玻璃上。最后，在N2环境中500 ℃下加热30 min，得到Fe-ISAs/NPC-x(x µm为电极活性材料的膜厚，x=6、10、16、20、25)。

  1.3   电池的组装

  DSSCs主要由3部分组成，包括光阳极、电解质和CE。其中光阳极是约15 µm厚且吸附N719染料的TiO₂薄膜，I₃^-/I^-电解质由0.03 mol·L^-1碘、0.06 mol· L^-1碘化锂、0.6 mol·L^-1 1-丙基-3-甲基咪唑碘化物、0.5 mol·L^-1 4-叔丁基吡啶和0.1 mol·L^-1硫氰酸胍溶于乙腈获得。将光阳极与CE用沙林膜封装，从小孔注入电解液并用无影胶封住小孔，电池的有效面积为0.36 cm²。对称的虚拟电池是由2个相同的CEs以三明治形式组装，用于交流阻抗谱(EIS)和Tafel极化测量。

  1.4   测试仪器

  使用扫描电子显微镜(SEM，S-4800，Hitachi，日本，工作电压为10 kV)、透射电子显微镜(TEM，Tecnai G2 F20 S-TWIN，FEI，美国，工作电压为200 kV)和高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM，JEM ARM200CF，工作电压为200 kV)对材料的形貌进行表征。采用X射线衍射仪(XRD，D/Max 2400，Rigaku，日本)对材料进行晶体结构分析，测试条件：Cu Kα射线(λ=0.154 18 nm)，工作电压为40 kV，工作电流40 mA，扫描范围2θ=0°~140°。采用X射线光电子能谱仪(XPS，ESCALAB250，Thermo VG，美国，激发光源为Al Kα(1 486.6 eV)，功率为150 W，光斑大小为500 µm)进行成分分析。采用探针式表面轮廓仪(Dektak XT，Bruker，美国)对膜厚进行测试。用电化学工作站(CHI 660E，Chenhua，上海)测试循环伏安(CV)曲线、Tafel极化曲线和EIS谱图。DSSCs电流密度-电压(J-V)曲线由电化学工作站和PEC-L01型太阳光模拟器(I=100 mW·cm^-2，AM 1.5，Peccell，Yokohama，日本)共同测量。

  2.   结果与讨论

  2.1   材料表征

  通过SEM和TEM对Fe-ISAs/NPC的形貌进行表征。图 2a和2b表明热解后Fe-ISAs/NPC保留了沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)的十二面体形貌，与之前的研究结果相似^[26]。同时，可以发现Fe-ISAs/NPC的表面粗糙，有利于活性位点的暴露。在HAADF-STEM图中可以清楚地看到单个重原子。因此，利用HAADF-STEM进一步对Fe-ISAs/NPC进行表征。通过图 2c、2d可以发现铁原子(红色圆圈标出的亮点)在碳层上分布均匀，没有团聚成铁粒子。图 2e~2g表明C、N、Fe元素均匀分布在Fe-ISAs/NPC结构中。

  图 2

  

  图 2.  Fe-ISAs/NPC的(a) SEM图、(b) TEM图、(c) 放大的HAADF-STEM图(单个Fe原子被红色圆圈标出)、(d) HAADF图和(e~g) 对应的映射图

  Figure 2.  (a) SEM image, (b) TEM image, (c) magnified HAADF-STEM image (individual Fe atoms were highlighted in red circles), (d) HAADF-STEM image and (e~g) corresponding mappings of Fe-ISAs/NPC

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  图 3为样品Fe-ISAs/NPC的XRD图。XRD的结果表明Fe-ISAs/NPC仅在约27.9°和42.0°处有2个宽衍射峰，分别对应于碳的(002)和(100)面衍射峰。没有发现Fe或Fe的化合物的特征峰，表明Fe是高度分散或无定型结构，与HAADF-STEM的结果一致。

  图 3

  

  图 3.  Fe-ISAs/NPC的XRD图

  Figure 3.  XRD pattern of Fe-ISAs/NPC

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  图 4为Fe-ISAs/NPC的XPS谱图。图 4a显示了清晰的C、N和O元素特征峰。对C1s进行拟合(图 4b)，获得C=C(284.7 eV)、C=N(285.9 eV)和C—N (288.5 eV)三个特征峰，表明存在许多官能团，这些官能团有利于电解液中离子的吸附。N1s的高分辨XPS谱图表明石墨N (401.5 eV)、吡咯N(400.4 eV)和吡啶N(398.4 eV)共存(图 4c)，可以作为铁原子的锚定位点^[27]。Fe2p的高分辨谱图中的2个峰分别对应于Fe2p_3/2(710.8 eV)和Fe2p_1/2(723.0 eV)。

  图 4

  

  图 4.  Fe-ISAs/NPC的XPS谱图

  (a) Survey; (b) C1s; (c) N1s; (d) Fe2p

  Figure 4.  XPS spectra of Fe-ISAs/NPC

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  2.2   J-V分析

  为了研究Fe-ISAs/NPC CE膜厚对DSCCs性能的影响，对不同膜厚的CE基DSCCs进行了J-V曲线测试，如图 5所示。表 1为相应的光电性能参数。由表 1可知，随着Fe-ISAs/NPC CE膜厚的增加，DSCCs的PCE呈现先增加后减小的趋势，并在16 µm时达到最大值8.03%，且优于Pt基DSCCs (7.74%)。其中，开路电压(V_oc)和填充因子(FF)基本相同；短路电流密度(J_sc)也是先增加后减小。图 6为不同CE基DSCCs的入射光子-电子转换效率(IPCE)光谱和积分电流密度图。由图可知，整体上IPCE呈先增后减趋势，与PCE变化一致。由于光阳极相同，IPCE的变化是由对电极引起的。积分电流密度与J_sc基本一致。这是由于CE材料的催化性能对DSCCs内的电子传输具有显著影响。当CE的膜厚较小时，催化活性位点较少，I₃^-的还原反应受到限制，从而使得电子大量复合；随着膜厚的增加，催化活性位点也随之增多，加速了CE与电解液界面电子的转移，从而减少了电子的复合；当膜厚超出一定范围时，虽然催化活性位点增加，但是电极内部电阻也随之增加，且薄膜内部缺陷也逐渐增多，增加了电子的复合，使得CE的催化性能降低。因此，DSCCs中CE的膜厚有一个最佳值。研究表明Fe-ISAs/NPC CE的膜厚最佳值约为16 µm。

  图 5

  

  图 5.  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的J-V曲线

  Figure 5.  J-V curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  表 1

  

  表 1  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs基DSCCs的光电性能参数

  Table 1.  Photovoltaic parameters of the DSSCs based on Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  CE	Voc/V	Jsc/(mA·cm-2)	FF	PCE/%
  Fe-ISAs/NPC-6	0.787	12.30	0.66	6.37
  Fe-ISAs/NPC-10	0.765	13.04	0.66	6.57
  Fe-ISAs/NPC-16	0.799	14.81	0.68	8.03
  Fe-ISAs/NPC-20	0.797	13.98	0.68	7.59
  Fe-ISAs/NPC-25	0.769	13.01	0.66	6.63
  Pt	0.772	14.49	0.69	7.74

  图 6

  

  图 6.  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs基DSSCs的IPCE和积分电流密度曲线

  Figure 6.  IPCE and integrated current density curves of the DSSCs based on Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  2.3   CV曲线分析

  为了进一步评估膜厚对Fe-ISAs/NPC材料的催化性能的影响，采用三电极系统进行CV测试，以Ag/Ag⁺为参比电极，Pt丝为CE和Fe-ISAs/NPC材料为工作电极，如图 7所示。所有样品都有2对氧化还原峰，对应I^-/I₃^-和I3-/I2的氧化还原反应。众所周知，CE上的I₃^-的还原反应对高性能的DSCCs具有重要作用。因此，我们只研究CV曲线中左侧的一对氧化还原峰，这对峰对应于I^-/I₃^-的氧化还原反应。CV曲线中阴极峰电流密度(J_red)和氧化还原峰的峰间距(E_pp)是评估催化材料的关键参数^{[7, 28-29]}。通常，J_red越大和E_pp越小时，材料的催化活性越好。由图 7可知，Fe-ISAs/NPC-6、Fe-ISAs/NPC-10、Fe-ISAs/NPC -16、Fe-ISAs/NPC-20、Fe-ISAs/NPC-25和Pt的阴极峰电位分别为-0.094、-0.091、-0.044、-0.080、-0.086和-0.078 V，阳极峰电位分别为0.522、0.524、0.459、0.494、0.527和0.431 V；因此，E_pp由小到大依次为Fe-ISAs/NPC-16 < Pt < Fe-ISAs/NPC-20 < Fe-ISAs/NPC-25 < Fe-ISAs/NPC-10 < Fe-ISAs/NPC-6。而J_red由大到小依次为Fe-ISAs/NPC-16>Pt>Fe-ISAs/NPC-20> Fe-ISAs/NPC-25>Fe-ISAs/NPC-10>Fe-ISAs/NPC-6。因此，CV测试表明Fe-ISAs/NPC-16的催化活性最好，与J-V曲线的结果一致。

  图 7

  

  图 7.  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的CV曲线

  Figure 7.  CV curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  2.4   EIS分析

  利用2个相同的CE组装成电极/电解液/电极的三明治结构进行EIS测试，研究不同膜厚Fe-ISAs/NPC CEs的电催化性能。图 8是不同膜厚Fe-ISAs/NPC CEs的Nyquist曲线和等效电路图^[30]，表 2是不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的EIS拟合参数。由图 8可知，Fe-ISAs/NPC CEs材料的Nyquist曲线由3个半圆组成。其中，第一个半圆与横轴的截距对应CE的串联电阻(R_s)，表示导电玻璃与催化材料之间的接触电阻；第一个半圆对应I₃^-/I^-在碳材料表面吸附引起的传输电阻(R_tm)和电容(C_ad)，第2个半圆对应CE和电解液界面的电荷转移电阻(R_ct)和双层电容(C_dl)，因此，Fe-ISAs/NPC CEs的有效电荷转移电阻(R_e)为R_tm和R_ct之和，R_e越小表明催化材料的电催化活性越高；第3个半圆的半径对应I₃^-/I^-在两电极之间电解液中的Nernst扩散阻抗(Z_N)；而Pt CE的Ny-quist曲线由2个半圆组成，第一个半圆的半径对应R_ct，第2个半圆的半径对应I₃^-/I^-在两电极之间电解液中的Z_N。测试结果显示在Fe-ISAs/NPC中膜厚为16 µm时CE的R_e最小(0.85 Ω·cm^-2)，与Pt的R_ct(0.85 Ω·cm^-2)相同，但Pt的R_s较大(9.19 Ω·cm^-2)；Fe-ISAs/NPC-16的Z_N最小，因此，总的来说Fe-ISAs/NPC-16 CE对I₃^-的还原反应具有最高活性，与CV的测试结果一致。

  图 8

  

  图 8.  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的Nyquist曲线

  Figure 8.  Nyquist curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

  Inset: A and B are equivalent circuit diagrams for Pt and Fe-ISAs/NPC respectively

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  表 2

  

  表 2  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的EIS参数

  Table 2.  EIS parameters of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  CE	Rs/(Ω·cm2)	Rtm/(Ω·cm2)	Rct/(Ω·cm2)	ZN/(Ω·cm2)
  Fe-ISAs/NPC-6	10.50	0.53	0.82	0.19
  Fe-ISAs/NPC-10	9.90	0.40	0.78	0.13
  Fe-ISAs/NPC-16	8.24	0.27	0.58	0.10
  Fe-ISAs/NPC-20	8.88	0.35	0.58	0.15
  Fe-ISAs/NPC-25	8.98	0.41	0.71	0.12
  Pt	9.19	—	0.85	0.43

  2.5   Tafel分析

  Tafel极化曲线被用来评估CE表面电荷转移性能。图 9为Pt和不同膜厚Fe-ISAs/NPC材料的Tafel极化曲线。交换电流密度(J₀)和极限扩散电流密度(J_lim)是评估材料催化性能的关键参数。J_lim和J₀越大，表明I₃^-的扩散速率越大和材料的催化性能越好^[31]。由图 9可知，J_lim和J₀的大小顺序为Fe-ISAs/NPC-16>Pt>Fe-ISAs/NPC-20>Fe-ISAs/NPC-25>Fe-ISAs/NPC-10>Fe-ISAs/NPC-6。因此，当膜厚为16 µm时，Fe-ISAs/NPC材料的催化性能最好。此外，J₀和R_ct满足下式^[32]：

  $ J_{0}=R T /\left(n F R_{\mathrm{ct}}\right) $

  图 9

  

  图 9.  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的Tafel极化曲线

  Figure 9.  Tafel polarization curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  其中R是标准气体常数，T是热力学温度，n是参与反应的电子数，F是法拉第常数。在该式中Fe-ISAs/NPC的R_ct=R_e。由此式可知，J₀与R_ct成反比，与EIS结果一致。

  3.   结论

  我们通过分子笼封装前驱体而后热解的策略，制备了具有高催化活性的Fe-ISAs/NPC电催化材料用于DSSCs的对电极。研究了Fe-ISAs/NPC对电极的膜厚对DSSCs性能的影响。测试结果表明，随着膜厚的增加，DSSCs的PCE先增加后减小，这是由于当对电极的膜厚较小时，催化活性位点较少，I₃^-的还原反应受到限制；当膜厚过大时，虽然催化活性位点增加，但是电极内部电阻也随之增加，且薄膜内部缺陷也逐渐增多，增加了电子的复合，使得对电极的催化性能降低。研究表明Fe-ISAs/NPC对电极材料最佳膜厚约为16 µm，此时获得的PCE最高(8.03%)。

  
  
• 1. [1]

     Yun S N, Vlachopoulos N, Qurashi A, Ahmad S, Hagfeld A. Chem. Soc. Rev. , 2019, 48(14): 3705-3722 doi: 10.1039/C8CS00987B

  2. [2]

     Yao J X, Wang W, Zuo X Q, Yang Q, Khan M W, Wu M Z, Tang H B, Jin S W, Li G. Appl. Catal. B, 2019, 256: 117857 doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117857

  3. [3]

     Yun S N, Zhang Y W, Xu Q, Liu J M, Qin Y. Nano Energy, 2019, 60: 600-619 doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.074

  4. [4]

     He Q Q, Huang S S, Wang C, Qiao Q Q, Liang N, Xu M, Chen W L, Zai J T, Qian X F. ChemSusChem, 2015, 8(5): 817-820 doi: 10.1002/cssc.201403343

  5. [5]

     Aboagye A, Elbohy H, Kelkar A D, Qiao Q Q, Zai J T, Qian X F, Zhang L F. Nano Energy, 2015, 11: 550-556 doi: 10.1016/j.nanoen.2014.10.033

  6. [6]

     Yun S N, Qin Y, Uhl A R, Vlachopoulos N, Yin M, Li D D, Han X G, Hagfeldt A. Energy Environ. Sci. , 2018, 11(3): 476-526 doi: 10.1039/C7EE03165C

  7. [7]

     Zhou Z P, Sigdel S, Gong J W, Vaagensmith B, Elbohy H, Yang H J, Krishnan S, Wu X F, Qiao Q Q. Nano Energy, 2016, 22: 558-563 doi: 10.1016/j.nanoen.2016.03.003

  8. [8]

     He Q Q, Qian T Y, Zai J T, Qiao Q Q, Huang S S, Li Y R, Wang M. J. Mater. Chem. A, 2015, 3(40): 20359-20365 doi: 10.1039/C5TA05304H

  9. [9]

     Yang R W, Cai J H, Lv K L, Wu X F, Wang W G, Xu Z H, Li M, Li Q, Xu W Q. Appl. Catal. B, 2017, 210: 184-193 doi: 10.1016/j.apcatb.2017.03.064

  10. [10]

      Yun S N, Hagfeldt A, Ma T L. Adv. Mater. , 2014, 26(36): 6210-6237 doi: 10.1002/adma.201402056

  11. [11]

      Zhang T H, Liu Y F, Yun S N. Isr. J. Chem. , 2015, 55(9): 943-954 doi: 10.1002/ijch.201400190

  12. [12]

      Yun S N, Liu Y F, Zhang T H, Ahmad S. Nanoscale, 2015, 7(28): 11877-11893 doi: 10.1039/C5NR02433A

  13. [13]

      Yun S N, Freitas J N, Nogueira A F, Wang Y M, Ahmad S, Wang Z S. Prog. Polym. Sci. , 2016, 59: 1-40 doi: 10.1016/j.progpolymsci.2015.10.004

  14. [14]

      Duan Y Y, Tang Q W, Liu J, He B L, Yu L M. Angew. Chem. Int. Ed. , 2014, 53(52): 14569-14574 doi: 10.1002/anie.201409422

  15. [15]

      Wu M X, Lin X, Hagfeldt A, Ma T L. Angew. Chem. Int. Ed. , 2011, 50(15): 3520-3524 doi: 10.1002/anie.201006635

  16. [16]

      Wu M X, Lin X, Wang Y D, Wang L, Guo W, Qi D D, Peng X J, Hagfeldt A, Grätzel M, Ma T L. J. Am. Chem. Soc. , 2012, 134(7): 3419-3428 doi: 10.1021/ja209657v

  17. [17]

      Yang Z B, Liu M K, Zhang C, Tjiu W W, Liu T X, Peng H S. Angew. Chem. , 2013, 125(14): 4088-4091 doi: 10.1002/ange.201209736

  18. [18]

      Wang A Q, Li J, Zhang T. Nat. Rev. Chem. , 2018, 2(6): 65-81 doi: 10.1038/s41570-018-0010-1

  19. [19]

      Chen Y J, Ji S F, Chen C, Peng Q, Wang D S, Li Y D. Joule, 2018, 2(7): 1242-1264 doi: 10.1016/j.joule.2018.06.019

  20. [20]

      Zhang H B, Liu G G, Shi L, Ye J H. Adv. Energy Mater. , 2018, 8(1): 1701343 doi: 10.1002/aenm.201701343

  21. [21]

      Yang X F, Wang A Q, Qiao B T, Li J, Liu J Y, Zhang T. Acc. Chem. Res. , 2013, 46(8): 1740-1748 doi: 10.1021/ar300361m

  22. [22]

      Cui X J, Xiao J P, Wu Y H, Du P P, Si R, Yang H X, Tian H F, Li J Q, Zhang W H, Deng D H, Bao X H. Angew. Chem. , 2016, 128(23): 6820-6824 doi: 10.1002/ange.201602097

  23. [23]

      Shi Y T, Zhao C Y, Wei H S, Guo J H, Liang S X, Wang A Q, Zhang T, Liu J Y, Ma T L. Adv. Mater. , 2014, 26(48): 8147-8153 doi: 10.1002/adma.201402978

  24. [24]

      Yang W, Xu X W, Hou L Q, Li Z H, Deng B J, Tian J B, Yang F, Li Y F. ACS Sustainable Chem. Eng. , 2019, 7(2): 2679-2685 doi: 10.1021/acssuschemeng.8b05758

  25. [25]

      Liang S X, Zhu C, Zhang N T, Zhang S, Qiao B T, Liu H, Liu X Y, Liu Z, Song X D, Zhang H M, Hao C, Shi Y T. Adv. Mater. , 2020, 32(19): 2000478 doi: 10.1002/adma.202000478

  26. [26]

      Chen Y J, Ji S F, Wang Y G, Dong J C, Chen W X, Li Z, Shen R A, Zheng L R, Zhuang Z B, Wang D S, Li Y D. Angew. Chem. Int. Ed. , 2017, 56(24): 6937-6941 doi: 10.1002/anie.201702473

  27. [27]

      Li J, Yun S N, Zhou X, Hou Y Z, Fang W, Zhang T H, Liu Y F. Carbon, 2018, 126: 145-155 doi: 10.1016/j.carbon.2017.10.010

  28. [28]

      Zhang T H, Yun S N, Li X, Huang X L, Hou Y Z, Liu Y F, Li J, Zhou X, Fang W. J. Power Sources, 2017, 340: 325-336 doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.11.082

  29. [29]

      Zheng X J, Deng J, Wang N, Deng D H, Zhang W H, Bao X H, Li C. Angew. Chem. Int. Ed. , 2014, 53(27): 7023-7027 doi: 10.1002/anie.201400388

  30. [30]

      Ju M J, Jeon I Y, Kim H M, Choi J I, Jung S M, Seo J M, Choi I T, Kang S H, Kim H S, Noh M J, Lee J J, Jeong H Y, Kim H K, Kim Y H, Baek J B. Sci. Adv. , 2016, 2(6): e1501459 doi: 10.1126/sciadv.1501459

  31. [31]

      Yun S N, Pu H H, Chen J H, Hagfeldt A, Ma T L. ChemSusChem, 2014, 7(2): 442-450 doi: 10.1002/cssc.201301140

  32. [32]

      Wu M X, Wang Y D, Lin X, Guo W, Wu K Z, Lin Y N, Guo H Y, Ma T L. J. Mater. Chem. A, 2013, 1(34): 9672-9679 doi: 10.1039/c3ta12077e

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  图 1  DSSCs的工作原理图

  Figure 1  Schematic diagram of the working principle of DSSCs

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  图 2  Fe-ISAs/NPC的(a) SEM图、(b) TEM图、(c) 放大的HAADF-STEM图(单个Fe原子被红色圆圈标出)、(d) HAADF图和(e~g) 对应的映射图

  Figure 2  (a) SEM image, (b) TEM image, (c) magnified HAADF-STEM image (individual Fe atoms were highlighted in red circles), (d) HAADF-STEM image and (e~g) corresponding mappings of Fe-ISAs/NPC

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  图 3  Fe-ISAs/NPC的XRD图

  Figure 3  XRD pattern of Fe-ISAs/NPC

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  图 4  Fe-ISAs/NPC的XPS谱图

  Figure 4  XPS spectra of Fe-ISAs/NPC

  (a) Survey; (b) C1s; (c) N1s; (d) Fe2p

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  图 5  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的J-V曲线

  Figure 5  J-V curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  图 6  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs基DSSCs的IPCE和积分电流密度曲线

  Figure 6  IPCE and integrated current density curves of the DSSCs based on Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  图 7  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的CV曲线

  Figure 7  CV curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  图 8  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的Nyquist曲线

  Figure 8  Nyquist curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

  Inset: A and B are equivalent circuit diagrams for Pt and Fe-ISAs/NPC respectively

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  图 9  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的Tafel极化曲线

  Figure 9  Tafel polarization curves of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

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  表 1  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs基DSCCs的光电性能参数

  Table 1.  Photovoltaic parameters of the DSSCs based on Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

  CE	Voc/V	Jsc/(mA·cm-2)	FF	PCE/%
  Fe-ISAs/NPC-6	0.787	12.30	0.66	6.37
  Fe-ISAs/NPC-10	0.765	13.04	0.66	6.57
  Fe-ISAs/NPC-16	0.799	14.81	0.68	8.03
  Fe-ISAs/NPC-20	0.797	13.98	0.68	7.59
  Fe-ISAs/NPC-25	0.769	13.01	0.66	6.63
  Pt	0.772	14.49	0.69	7.74

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  表 2  不同膜厚Fe-ISAs/NPC和Pt CEs的EIS参数

  Table 2.  EIS parameters of Fe-ISAs/NPC with different film thicknesses and Pt CEs

  CE	Rs/(Ω·cm2)	Rtm/(Ω·cm2)	Rct/(Ω·cm2)	ZN/(Ω·cm2)
  Fe-ISAs/NPC-6	10.50	0.53	0.82	0.19
  Fe-ISAs/NPC-10	9.90	0.40	0.78	0.13
  Fe-ISAs/NPC-16	8.24	0.27	0.58	0.10
  Fe-ISAs/NPC-20	8.88	0.35	0.58	0.15
  Fe-ISAs/NPC-25	8.98	0.41	0.71	0.12
  Pt	9.19	—	0.85	0.43

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