【ZIF-67金属复合材料】MoS2在钴基MOF衍生物上的原位生长实现高效量子点敏化太阳能电池

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摘要：
西安工程大学夏蔡娟和松山湖材料实验室Han Song、林生晃老师等报道的本篇文章（Adv. Sci. 2024, 2406476）中开发了一种新型的量子点敏化太阳能电池（QDSCs）的对电极（CE），该对电极由钛网负载Co,N─C@MoS2组成。通过原位化学气相沉积技术在Co,N─C材料表面生长MoS2纳米粒子，增加了催化活性位点，同时Co,N─C组分确保了高导电性和提供了较大的活性表面积。此外，钛网的3D结构作为有效的电子通道，促进了从外部电路到复合材料的快速电子转移。这些改进显著提高了QDSCs的光伏性能，优化后的电池实现了16.39%的光电转换效率（PCE），短路电流密度（Jsc）为27.26 mA cm⁻²，开路电压（Voc）为0.818 V，填充因子（FF）为0.735。

研究背景：
1. 量子点敏化太阳能电池（QDSCs）是一种低成本、高潜力的第三代太阳能电池技术，但其实际效率受限于较低的光电压（Voc）和填充因子（FF）。
2. 目前，提高QDSCs性能的主要策略包括开发新型量子点敏化剂、优化电解质组成和改进对电极材料。
3. 本文作者提出了一种在Co基MOF衍生物表面原位生长MoS2纳米粒子的方法，制备了Co,N─C@MoS2复合对电极材料，通过提高催化活性位点和电子传输速率，显著提升了QDSCs的光伏性能。

实验部分：
1. Co,N─C材料的制备：
   1) 将Co(NO3)2·6H2O和2-甲基咪唑溶解在甲醇中，搅拌15分钟，室温下静置24小时，通过离心分离得到ZIF-67晶体。
   2) ZIF-67在氩气氛围下800°C煅烧4小时，自然冷却后用10 wt% H2SO4溶液处理6小时，再用去离子水和乙醇洗涤，60°C干燥12小时得到Co,N─C。
2. Co,N─C@MoS2复合材料的制备：
   1) Co,N─C粉末与(NH4)2MoS4的DMF溶液混合，室温搅拌12小时，干燥后在500°C下煅烧1小时，得到Co,N─C@MoS2。
   2) 不同比例的(NH4)2MoS4溶液用于制备不同含量的MoS2复合材料。
3. 量子点敏化太阳能电池的制备：
   1) 在二氧化钛薄膜上滴加Zn-Cu-In-S-Se量子点溶液，60°C下停留2小时，形成量子点敏化层。
   2) 量子点敏化层上交替浸渍Zn(OAc)2甲醇溶液和Na2S水溶液，形成ZnS钝化层。
   3) 将Co,N─C@MoS2/Ti对电极与量子点敏化层和电解质组装，制成太阳能电池。

分析测试：
1. 样品形态学表征：
   - SEM和TEM结果显示Co,N─C@MoS2具有均匀分散的纳米结构，SEM图像显示了Co,N─C@MoS2的形貌和尺寸。
2. X射线衍射（XRD）分析：
   - XRD图谱显示Co,N─C@MoS2的特征峰，确认了MoS2的存在，2θ位置的峰对应于2H-MoS2 (002)晶面。
3. 比表面积和孔隙结构分析：
   - Co,N─C的比表面积为284.90 m²/g，Co,N─C@MoS2的比表面积为48.50 m²/g，显示了材料的孔隙特性。
4. X射线光电子能谱（XPS）分析：
   - XPS分析显示Co,N─C@MoS2中存在Co, N, C, Mo和S元素，Co 2p和Mo 3d的峰证实了Co和Mo的存在。
5. 电化学性能测试：
   - EIS测试显示Co,N─C@MoS2/Ti对电极的电荷转移阻抗较低，Tafel测试和CV测试表明Co,N─C@MoS2/Ti对电极具有较高的电催化活性。
6. 光电性能测试：
   - J-V曲线测试表明，使用Co,N─C@MoS2/Ti对电极的QDSCs具有较高的光电转换效率，达到16.39%，短路电流密度（Jsc）为27.26 mA cm⁻²，开路电压（Voc）为0.818 V，填充因子（FF）为0.735。
7. 稳定性测试：
   - 连续15天的稳定性测试显示Co,N─C@MoS2/Ti对电极的QDSCs具有较好的长期稳定性。

总结：
本研究成功开发了一种新型Co,N─C@MoS2/Ti对电极材料，通过原位生长MoS2纳米粒子在Co,N─C表面，显著提高了量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。优化后的电池实现了16.39%的光电转换效率，展现了优异的光伏性能。

展望：
未来的研究可以集中在以下几个方面：
1. 材料优化：进一步优化Co,N─C@MoS2复合材料的制备工艺，提高其催化活性和稳定性。
2. 电池性能提升：探索新型量子点敏化剂和电解质配方，以进一步提高QDSCs的性能。
3. 成本降低：研究低成本、大规模制备Co,N─C@MoS2复合材料的方法，以促进QDSCs的商业化应用。
4. 稳定性研究：进行长期稳定性测试，评估Co,N─C@MoS2/Ti对电极在实际应用中的耐久性。

In Situ Growth of MoS2 Onto Co-Based MOF Derivatives Toward High-Efficiency Quantum Dot-Sensitized Solar Cells
文章作者：Tianming Wang, Lejuan Cai, Caijuan Xia,* Han Song,* Lianbi Li, Gongxun Bai, Nianqing Fu, Lede Xian, Rong Yang, Haoran Mu, Guangyu Zhang, and Shenghuang Lin*
DOI: 10.1002/advs.202406476
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406476

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