复旦大学彭慧胜院士团队AFM：纤维太阳能电池，效率创纪录！

近年来，可穿戴技术在信息交互、健康监测和智能显示等领域蓬勃发展，极大地推动了人类社会的智能化进程。随着可穿戴设备功耗的不断上升，亟需高效、可持续的能源解决方案。纤维太阳能电池作为一种实时、可持续的电源，因其柔性、轻质和可编织性而备受关注。其中，纤维量子点敏化太阳能电池（FQDSC）具有可调节的光吸收范围，能够实现从紫外-可见到近红外的宽光谱吸收，显示出高效收集太阳能的潜力。然而，由于在高曲率纤维表面制备高质量功能层并确保其界面紧密和稳定存在固有困难，FQDSC的效率一直难以提升，电荷复合严重，结构稳定性差，限制了其实际应用。

近日，复旦大学彭慧胜院士、朱正峰助理研究员团队成功设计出一种混合电极结构，实现了效率创纪录的纤维量子点敏化太阳能电池。该研究通过在钛丝上构建由TiO₂纳米颗粒膜与有序TiO₂纳米管阵列组成的混合光阳极，并在另一根钛丝上包裹覆盖有Cu₂S纳米片的碳纳米管片作为混合对电极，显著提升了电池的光捕获能力、电荷传输速率和结构稳定性。最终制备的FQDSC实现了11.05%的纪录效率，并在经历1000次变形后仍能保持90%以上的效率。此外，该电池还被集成到纺织品中，与纤维锂离子电池共同构成供电系统，成功驱动了一款智能救生衣，用于实时健康监测与紧急救援。相关论文以“Designing Hybrid Electrodes for Fiber Quantum Dot-Sensitized Solar Cells with Record 11.05% Efficiency”为题，发表在

Advanced Functional Materials

图1展示了该纤维量子点敏化太阳能电池的整体结构与电极设计。其中，混合光阳极由生长在钛丝上的TiO₂纳米管阵列与表面涂覆的TiO₂纳米颗粒层组成，这种结构不仅提高了量子点的负载量，还提供了快速的电子传输通道。混合对电极则由碳纳米管片表面垂直生长的Cu₂S纳米片构成，并通过PVDF粘结剂牢固附着在钛丝表面，形成具有丰富催化活性表面的稳定界面。

图1. 带有混合光阳极和混合对电极的FQDSC示意图。 a) FQDSC器件结构示意图，显示由混合CNT包裹在钛丝上形成的混合光阳极和混合对电极。 b) 覆盖有垂直排列Cu₂S纳米片的CNT片示意图。具有丰富催化活性表面的Cu₂S纳米片通过PVDF粘结剂牢固附着在多孔CNT片上。 c) 钛丝上TiO₂纳米管阵列与TiO₂纳米颗粒复合结构示意图。纳米颗粒与纳米管的紧密结合确保了高量子点负载和高效的电子传输。

图2详细描绘了FQDSC的制备流程及其电极的微观结构。首先，通过阳极氧化在钛丝表面生长TiO₂纳米管阵列，再浸涂TiO₂纳米颗粒浆料形成混合结构，随后进行退火、量子点敏化和表面钝化处理，制得纤维光阳极。对电极方面，将涂覆铜颗粒的碳纳米管片缠绕在钛丝上，经硫化物溶液处理使其原位转化为Cu₂S纳米片。扫描电子显微镜图像显示，TiO₂纳米颗粒均匀覆盖在纳米管阵列表面，而Cu₂S纳米片则牢固地嵌入碳纳米管网络中，形成了均匀且结合紧密的复合结构。

图2. 混合纳米结构纤维电极的FQDSC制备流程与结构。 a) FQDSC的制备流程图。通过在阳极氧化的钛丝上浸涂TiO₂纳米颗粒形成混合光阳极，随后进行退火、敏化和表面钝化处理。混合对电极通过将涂覆铜颗粒的CNT片缠绕在钛丝上并经硫化处理制得。最终将两电极封装于透明管中并注入电解液。 b,c) 混合光阳极表面在不同放大倍数下的扫描电子显微镜图像。 d) 混合TiO₂层截面SEM图像，显示TiO₂纳米管阵列被TiO₂纳米颗粒层完全覆盖。 e) 图d中标记区域的TiO₂纳米颗粒放大图像。 f) 覆盖铜颗粒的CNT片在低倍和高倍下的SEM图像。 g) 包裹在钛丝上的覆盖Cu₂S纳米片的CNT片在低倍和高倍下的SEM图像。Cu₂S纳米片是通过在聚硫化物溶液中硫化CNT片上的铜颗粒原位生成的。 h) CNT片上铜颗粒的截面SEM图像。 i) 铜颗粒硫化后生成的Cu₂S纳米片在CNT片上的截面SEM图像。

图3系统评估了混合对电极的电化学性能与稳定性。循环伏安测试表明，该电极在-1.344 V处具有-584.4 mA cm⁻²的峰值电流，高于传统Cu₂S/黄铜电极，显示出更高的催化活性。其双电层电容为0.340 F cm⁻²，表明具有更大的电化学活性面积。通过电化学阻抗谱与剥离强度测试进一步证实，该电极具有更低的扩散阻抗和更强的界面结合力，在电解液中浸泡8天后仅有0.58%的Cu₂S脱落，远低于黄铜电极的71.24%。在经过3000次弯曲循环后，其界面电阻仅增加24%，表现出优异的机械与电化学稳定性。

图3. 混合对电极的性能。 a) 混合对电极与Cu₂S/黄铜对电极的循环伏安曲线。 b) 非法拉第电流与扫描速率的线性拟合。Cu₂S/黄铜和混合对电极的非法拉第电容分别为0.162和0.340 F cm⁻²，表明混合对电极具有更大的电化学活性面积。 c) 对称电池在0 V下从100 kHz至0.01 Hz测量的奈奎斯特图。Cu₂S/黄铜和混合对电极的奈奎斯特扩散阻抗分别为12.38和4.04 Ω cm²，串联电阻分别为0.70和1.31 Ω cm²。 d) 混合对电极结构示意图，显示Cu₂S纳米片通过PVDF牢固附着在CNT表面，形成紧密界面，具有高催化活性和高稳定性。 e) Cu₂S/黄铜和混合对电极中Cu₂S与基底之间的界面剥离强度测量值分别为0.04和1.63 N cm⁻¹。 f) Cu₂S/黄铜和混合对电极在电解液中浸泡不同时间后Cu₂S的脱落比例。 g) Cu₂S/黄铜和混合对电极在3000次弯曲循环（曲率半径1 cm）过程中电解质与对电极之间界面电阻的变化。R₀和R分别代表弯曲前和弯曲后的电阻。 h) Cu₂S/黄铜和混合对电极在100 mV s⁻¹扫描速率下通过CV测量的最大还原峰值电流变化。Iₚ₀和Iₚ分别代表循环前和循环后的峰值电流。插图为混合对电极和Cu₂S/黄铜在第1次和第10次循环时的CV曲线。

图4全面展示了采用混合电极的FQDSC的光电性能与环境耐受性。电流-电压曲线显示，其短路电流密度、开路电压和填充因子分别达到27.77 mA cm⁻²、0.607 V和65.58%，效率高达11.05%。吸收光谱与入射光子-电子转换效率测试表明，混合光阳极显著增强了光捕获能力，并有效抑制了电荷复合。在经历按压、扭曲和弯曲等变形测试后，电池效率仍保持在90%以上。即使在80℃高温或沸水等恶劣条件下，其性能也未出现明显衰减，显示出强大的环境适应性。

图4. 采用混合纳米结构电极的FQDSC性能。 a) 使用与未使用混合电极制备的FQDSC的J-V曲线。采用混合电极的FQDSC效率为11.05%，JSC、VOC和FF分别为27.77 mA cm⁻²、0.607 V和65.58%；未使用混合电极的FQDSC效率为7.14%，JSC、VOC和FF分别为21.66 mA cm⁻²、0.574 V和57.37%。 b) 采用混合电极的FQDSC与以往研究中报道的FQDSC效率对比。 c) 30个FQDSC器件的效率统计分布。 d) 带有与不带有纳米颗粒层的光阳极的吸收光谱。 e) 带有与不带有纳米颗粒层的FQDSC的入射光子-电子转换效率光谱及相应积分电流密度。积分电流密度分别为26.74和23.71 mA cm⁻²。 f) 采用与不采用纳米颗粒层光阳极的FQDSC在关闭入射光（AM 1.5G）后测量的开路电压衰减曲线。带有纳米颗粒层的FQDSC表现出更慢的电压衰减，表明电荷复合减少。 g) FQDSC在按压、扭曲和弯曲变形下的机械稳定性。每种变形经过1000次循环后，效率均保持在90%以上。 h) FQDSC在80℃高温及各种恶劣条件下的稳定性。集成FQDSC的织物的开路电压保持稳定。插图为在80℃下各种恶劣条件下FQDSC的红外照片。

图5进一步展示了该电池在实际可穿戴系统中的应用潜力。研究团队将FQDSC与纤维锂离子电池集成于纺织品中，构建出自供电的智能救生衣系统。该系统包含传感器、定位模块、加热元件和显示模块，能够实时监测用户心率和体温，并在落水等紧急情况下启动加热功能、发送定位信号。集成在背部的电致发光纤维还可提升夜间可见度，助力救援行动。

图5. 供电纺织品的可穿戴应用。 a) 集成于救生衣中的智能健康监测系统示意图，包括自供电纺织品、传感器、定位模块、加热元件和显示模块，能够实时获取并传输用户生理数据，同时提供紧急救援信息。 b) 集成智能救生衣的设计示意图。供电纺织品为显示系统、健康监测系统和紧急救援系统提供能量。 c) 智能救生衣实物照片，背部集成发光显示纺织品在低光环境下提供精确定位信息。 d) 用户落水后的实时心率监测曲线。 e) 用户在水中的实时体温监测，并向用户显示特定警报。 f) 加热元件激活前后的红外照片。当体温低于32℃时，加热元件可被激活。 g) 定位系统发送求救信号，并在地图上共享实时坐标位置。

综上所述，这项研究通过设计具有混合纳米结构的电极，成功解决了纤维太阳能电池在高曲率基底上的界面稳定性与电荷传输效率难题，实现了创纪录的光电转换效率与优异的机械耐久性。该技术为下一代可穿戴电子设备与智能纺织品提供了可靠的能源解决方案，展现出广阔的应用前景。