太阳能电池的应用市场主要分成两类，一类可以大规模安装用于地面发电；另一类则是适用于便携式电子设备的小型电源。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells，DSCs)同时适用于这两类，尤其是在第二类领域中更具应用前景。在使用人工光源的室内，与其他太阳能电池技术相比，DSCs的性能更加优异。目前，DSCs的光电转换效率可达15.2%，而在环境弱光下，其效率更是高达37%。图1为典型的DSCs结构示意图。

图1 典型的染料敏化太阳能电池结构示意图

对电极在 DSCs 的工作中起着至关重要的作用，如图2所示，其肩负着收集外电路中的电子及催化氧化还原电解质的还原或传输固态电解质中空穴的重任。铂作为对电极最广泛应用的材料，其高昂的价格且易被电解质腐蚀的特性，制约了DSCs的商业化应用。因此，研制高效、低成本和环境友好的对电极材料极具挑战性。

图2染料敏化太阳能对电极工作机理图

纳米多孔碳材料因具有高的电导率、优异的催化活性以及良好的化学与热稳定性，有望成为替代铂电极的重要材料。目前为止，孔分布从纳米到微米的多孔碳材料均有广泛的研究。研究者利用前驱体直接碳化或是软、硬模板法，对所制备碳材料的孔径与结构进行调控，同时利用N、S和B等杂原子掺杂方式进一步增强碳材料的电化学活性。然而，这些方法合成步骤繁琐，不仅增加了生产成本，而且影响了碳材料电极的实际应用。

另一方面，金属有机框架化合物(Metal Organic Frameworks, MOFs)衍生碳材料在锂离子电池、超级电容器和电化学催化等领域具有广泛的应用。其具有诸多有利的结构功能特点，例如：1)通过有机骨架得到的碳基体具有高导电性的网络结构，有利于电子的快速传输；2)有机配体中存在的杂原子(例如N、O、S和P等)能够直接掺杂到碳骨架中，提供了丰富的活性位点等。基于MOFs衍生碳材料的结构特点，决定了其在DSCs对电极中具有潜在的应用前景。

图 3 ZIF-8(a)及 800、900、1000和1100℃制备样品(b-e)的SEM图和1000℃制备样品的TEM图(f)，插图为对应的选区电子衍射图

研究者选取MOFs材料的典型代表ZIF-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8）为前驱体，利用高温热解法制备系列多孔纳米碳材料，并首次应用于DSCs对电极。通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌，如图3所示。研究者制备了煅烧温度为800-1100℃共四组样品进行实验（图3(b-e)，分别标记为C8-C11），图3(a)为原始的ZIF-8纳米粒子。从图中可以看出，衍生碳材料很好地延续了前驱体ZIF-8的特殊形貌。然而，当煅烧温度达到1100℃时，C11样品不再能够保持原有的ZIF-8的形貌，呈现出与其它三组样品不同的形貌，说明较高的温度会导致ZIF-8骨架的坍塌。利用透射电子显微镜(TEM)更加精确地观察样品的微观特性。图3(f)中可知，C10表面为粗糙多孔状，呈现圆环状的选区电子衍射图表明C10样品的多晶特性，且对应的晶面环为(002)晶面。

图4基于不同对电极的DSCs的J-V曲线

为了研究煅烧温度对碳材料光电转换效率的影响，研究者测定了不同温度下制备碳材料的 J-V 曲线，如图4所示，对应的光电性能参数列于表1中。从表中可以看出，器件的短路电流密度(Jsc)随材料煅烧温度增加呈现先增后减的趋势。这是由于碳材料的石墨化程度随着煅烧温度增加而增大，提高了其导电性及催化活性。然而，当温度继续增加时，由于材料微观结构的坍塌以及粒子的团聚效应，导致衍生碳材料催化活性大大降低。同时，电解液中的 I3-/I-成分在衍生碳材料表面具有较小的还原过电势和较正的还原电势，因此基于衍生碳材料为对电极的电池开路电压(Voc)均高于基于铂电极的电池，且随煅烧温度的增加，趋势不断增大。最终，基于C10样品为对电极组装的电池得到了最高的光电转换效率(η)7.32%，与铂电极 7.53%的效率相当。

通过以上研究发现，衍生碳材料随着制备温度的增加，其比表面积增大，石墨化程度也增强。但是，过高的煅烧温度会使微观结构坍塌，比表面积迅速减小。通过优化条件，煅烧温度为1000℃的样品获得了最优的光电转换效率，这主要得益于材料具有的大比表面积，可以增加材料与电解液的接触活性位点。同时，有序的石墨化结构又可以增加电子在材料中的传输速率，获得较高的催化活性。这种制备碳基对电极的方法简单且能够制备适用于染料敏化太阳能电池对电极材料，大大地拓展了金属有机框架化合物的应用范围。