复旦大学彭慧胜院士课题组AM：集成光扩散和转换层的高性能多彩纤维染料敏化太阳能电池

近年来，纤维太阳能电池因其柔性、轻质、可编织等优点，有望成为一种极具发展前景的可穿戴移动电源。然而，由于纤维电极高曲率的结构特性，在其表面构建高质量的功能层十分困难，导致目前难以通过材料创新、传统结构优化等方法取得明显的性能突破，这也进一步限制了纤维太阳能电池的发展和在可穿戴设备中的应用。此外，纤维太阳能电池总是暴露在织物表面进行光收集，还需要考虑其颜色和外观与织物的兼容性，以满足实际可穿戴应用需求。然而，封装材料的彩色外观往往与其对高透光率的要求存在严重冲突，直接使用半透明彩色封装管会导致纤维太阳能电池的性能严重下降。因此，进一步实现高性能的彩色纤维太阳能电池加倍困难，但在实际应用中极为迫切。

近期，复旦大学彭慧胜课题组提出了一种新的解决策略，通过发挥纤维结构的360°受光优势，最大限度地利用纤维电极的活性面积来增强光捕获，以提升光伏性能。该团队设计了一种纤维染料敏化太阳能电池(FDSSC)，在最外层封装管上构建了光扩散层，在内部对电极上构建了光转换层。入射光通过扩散作用可以到达纤维电极的更多表面，并在对电极上进行光转换后，反射到邻近的光阳极，显著增强了光收集，从而使纤维染料敏化太阳能电池获得了13.11%的光电转换效率(PCE)，为目前该领域报道的最高效率。此外，光扩散层呈现均匀的白色外观，且在其中引入少量颜料即可实现外观颜色的调控，大幅提高了纤维太阳能电池的可设计性以及与织物的兼容性。该工作以题为“Integrating Light Diffusion and Conversion Layers for Highly Efficient Multicolored Fiber Dye-Sensitized Solar Cells”的文章发表于Advanced Materials上。

集成光扩散和转换层的FDSSC的结构设计

在传统纤维染料敏化太阳能电池结构的基础上，进一步在最外层封装管上构建了基于氧化铝/聚氨酯薄膜的光扩散层，在内部对电极上构建了基于荧光粉/二氧化钛/聚偏氟乙烯-共六氟丙烯薄膜的光转换层。

集成光扩散和转换层的FDSSC的制备与性能表征

将制备好的含有光转换粒子的浆料浸涂在具有高催化活性的导电纤维上，随后在水中进行非溶剂交换过程，烘干后得到具有多孔光转换层的纤维对电极。将上述对电极与纤维光阳极一起封装在透明管中，然后涂覆Al2O3/PU浆料，烘干后形成光扩散层。注入电解液后，两端封口，完成制备。所得FDSSC呈现均匀的白色外观，有效地遮蔽了内部纤维电极和电解质。

在光扩散层中，该文采用具有高耐磨性、柔韧性和化学稳定性的高透明PU作为聚合物基体，Al2O3作为光扩散颗粒。通过引入尺寸为1−3 µm的Al2O3颗粒，可以在紫外–可见–近红外波长实现强烈的正向Mie散射，有效进行光扩散。PU膜中Al2O3的最佳含量为10 wt%，使光扩散层在300−1200 nm波长范围内实现了高达88%的平均透光率和82%的平均雾度。与没有光扩散层的传统FDSSC相比， PCE从9.84%提升到10.71%。

在光转换层中，该文采用了具有高发光量子效率和高化学稳定性的稀土荧光粉，包括紫外激发荧光粉(BaMgAl10O17:Mn2+, Eu2+)和近红外激发荧光粉(NaYF4:Yb3+, Er3+)，它们可以有效地将波长范围300−420 nm的紫外光和900−1200 nm的近红外光转换为能被染料分子吸收的可见光。且光转换层在350−800 nm波段的反射率高达90%，与N719染料的吸收光谱完全匹配。因此，到达光转换层的入射光经过转换后可以有效反射到邻近的光阳极，实现更多的光吸收，也拓宽了太阳光谱的利用范围。

通过光扩散层和转换层的协同作用，FDSSC显著增强了光收集，大幅提升了光电流，最终实现了13.11%的PCE，为当前最高效率，其中JSC、VOC和FF分别为24.433 mA/cm2、0.755 V和0.710。FDSSC也展现了良好的重复性，在弯折、扭曲、挤压等动态变形下仍保持较高性能，并能在不同温度下有效工作，满足实际穿戴应用需求。

多彩FDSSC的构建及应用研究

所得高性能FDSSCs显示出均匀的颜色和外观，与织物具有很高的兼容性。在光扩散层中引入少量颜料，可以实现FDSSC外观颜色的调控，以满足更广泛的穿戴需求。由于Al2O3/PU薄膜具有较强的光扩散能力，少量颜料即可使FDSSC显示出明显的视觉颜色。此外，尽管颜料在可见光波长范围对透过率有一定影响，但光转换层能有效利用近红外波长的入射光，因此彩色的FDSSC依旧保持较高的光伏性能，例如在黄色和绿色外观下，PCE分别高达12.45%和12.13%。多彩FDSSC可以通过编织工艺得到各种尺寸和类型的织物，以满足不同的供电需求。

将FDSSC与纤维电池编织集成，构建供能织物，除了能直接对可穿戴电子设备供电，还可以进一步与传感器、显示器、微芯片等其他功能元件集成，构建复杂的功能系统，推动智能电子织物的发展，促进人们的智能生活。该文展示了一个集成在日常服饰中的概念性健康监测系统，由FDSSC和纤维电池作为供电模块。当用户运动时，传感器可以检测到相关的生理信息，并将数据发送给信号处理芯片，然后反馈到手机和织物显示上。这有利于用户监测自己的健康状态，并做出相应的诊断，评估是否在正常范围内，如果不在正常范围内，用户将及时得到特定的显示提醒。

小结：该文设计了一种集成光扩散和转换层的纤维染料敏化太阳能电池，可以有效利用纤维形状收集来自各个方向的入射光，并拓宽了太阳光谱的利用范围，显著增强了光电流，最终获得了高达13.11%的PCE。这些高性能FDSSCs有效实现了彩色外观，大幅提高了其在实际应用中的可设计性与兼容性。进一步与纤维电池编织集成，构建供能系统，为未来智能电子织物的发展铺平了道路。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！