《Solid State Sciences》：Solvothermal Design of Hierarchically Interdigitated TiO
2 Photoanodes with Controlled Nano-Topology for efficient and Scalable Dye-Sensitized Solar Cells.
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本研究通过溶热法合成分级交错的TiO?纳米棒光阳极，优化了结晶度、表面形貌及电子传输路径，使染料敏化太阳能电池（DSSC）的转换效率提升至5.90%，较传统结构提高20.6%。XRD、SEM、TEM及XPS分析证实了纳米结构的特性及性能提升机制。
Syed Ezaz Haider Gilani|Khalil Harrabi|Rabia Nazar|Muhammad Farooq|Umer Mehmood|Muhammad Younas|Abdelkrim Mekki|Yong Zhang
巴基斯坦拉合尔工程技术大学（UET）聚合物与过程工程系（PPE）
摘要
光敏太阳能电池（DSSCs）的合理设计对于提高光吸收效率、电荷传输能力以及结构稳定性至关重要。本研究描述了一种通过溶剂热法合成的分层交错排列的TiO2纳米棒光阳极，这种光阳极具有定制的纳米拓扑结构，旨在最大化电子迁移速率和光子捕获能力。交错排列的架构促进了定向电荷传输，减少了复合损失，并显著扩展了染料吸附的活性表面积。XRD分析证实了纳米棒的形成，其晶粒尺寸约为36.7纳米，晶格应变较低，氧空位浓度适宜。SEM分析显示纳米棒垂直排列，分散均匀，棒与棒之间的间距理想，有利于电解液的渗透。TEM表征进一步证明了纳米棒的高长宽比（约10:1）、无缺陷的晶格边缘以及单晶特性。XPS脱卷积分析表明存在Ti3+物种和可控的氧空位，这些因素有助于提高电子导电性和染料锚定效果。将这种光阳极集成到DSSC器件中后，其功率转换效率（PCE）达到了5.90%，比标准器件提高了20.6%。这一提升归因于短路电流密度（20.37 mA/cm2）的增加、串联电阻（67.8 Ω）的降低以及界面电荷传输电阻（147.2 Ω）的优化。这些发现建立了结构-性能-关系，表明通过形态工程和缺陷调控的TiO2架构能够在光物理和电化学性能上实现协同提升，为开发具有优异性能和稳定性的下一代DSSCs提供了可扩展的平台。
引言
由于快速工业化、城市化以及耗能技术的出现，全球对能源的需求正在以惊人的速度增长。这一趋势使得可持续和可再生能源的重要性日益凸显，这些能源能够缓解环境退化和化石燃料使用的负面影响。染料敏化太阳能电池（DSSCs）作为一种新型光伏材料，因其低成本制备工艺、半透明性、柔韧性以及在散射光条件下的良好性能而受到广泛关注[1]，[2]。DSSCs在新一代能源收集技术中具有巨大潜力，尤其是在建筑集成光伏系统和室内物联网传感器中，因为这些场景下的光照强度可能波动较大。然而，尽管具有诸多优势，DSSCs的商业化目前仍受到其电荷传输能力、染料再生性能以及光阳极不稳定性的限制。
DSSCs中最关键的组件之一是光阳极，因为它直接决定了器件的输出性能，包括光捕获、染料吸附过程以及电子向导带传输的能力。最常用的光阳极材料是二氧化钛（TiO2），尤其是金红石型和锐钛矿型，因为它们具有合适的能带排列、高化学稳定性、易于获取且无毒[3]，[4]。通过溶剂热法、水热法和电纺法等可控合成途径对TiO2纳米结构的形态进行调控，可以直接影响其结晶度、长宽比和孔隙率，进而影响电荷传输速率、复合损失以及最终的光电转换效率（PCE）[7]，[8]。包括纳米棒和纳米线在内的纳米结构为一维形式的TiO2，提供了线性的电子传输路径，减少了电子在晶界处的散射，提高了薄膜与外部接触点的电荷传输效率[9]。
为了提高DSSCs的性能，研究人员对光阳极的组成、形态和结构进行了大量研究。Chandrika等人[10]发现，在含有17.5% TiO2纳米颗粒的凝胶聚合物电解质中添加TiO2纳米颗粒后，PCE从7.30%提升至8.98%，这归因于界面相互作用和离子导电性的增强。Dhulia和Yadav[11]合成了掺氮的TiO2材料，并与偶氮染料以最佳比例结合使用，从而提高了电荷分离效率并实现了0.349%的PCE。Afzalina等人[12]发现，向TiO2中添加石墨烯后，带隙减小至2.4 eV，光吸收和电子迁移率得到改善。Sonigara等人[13]应用各向异性凝胶聚合物电解质和改进后的TiO2光阳极，提高了性能。Kathirvel等人[14]采用溶剂热法制备了TiO2纳米棒，其染料吸附能力和电子迁移率优于传统的纳米颗粒电极。Mao等人[5]研究了生长在导电表面上的纳米棒和纳米管的光电化学特性，发现垂直排列的纳米棒由于复合较少而具有更优的电子传输能力。Xu等人[15]通过用固态空穴传输材料（HTMs）替代液态电解质，解决了DSSCs的稳定性问题。尽管稳定性有所提升，但由于固态HTMs在厚TiO2薄膜中的渗透性较差，固态DSSCs的效率仍较低。他们通过使用多层TiO2涂层的ZnO纳米线阵列和多步骤HTM填充工艺，实现了5.65%的平均效率。Uchida等人[16]开发了一种简单的一步水热法制备了直径8纳米、长度100纳米的TiO2纳米管，其比表面积为270 m2/g，但使用这些纳米管的DSSCs效率仅为2.9%。Li等人[17]设计了双层TiO2（Ag–TiO2-DL）光阳极，结合了P25纳米颗粒和3D花状TiO2微结构，其中0.8 wt%的Ag负载使DSSC的效率达到了8.98%，优于不含Ag的6.22%。Brishty等人[18]通过简单的水热法制备了具有森林状TiO2层状结构的柔性DSSC光阳极，并通过光还原沉积Ag纳米颗粒进一步增强了性能。这种结构提高了染料负载量，同时Ag纳米颗粒增强了光吸收和电荷复合。Pandanga等人[19]使用水热法制备了不同TTIP比例的TiO2纳米棒，其中TTIP比例为2时获得了最高的效率（0.08%），这归因于优化的纳米棒结构，改善了染料吸附并抑制了电子复合。Vomiero等人[20]在柔性PET和Kapton HN基底上通过阳极氧化钛膜成功制备了TiO2纳米管阵列，使用N719染料时，柔性DSSCs的光电转换效率达到了3.5%。Chen等人[21]设计了双壁TiO2纳米管（DWTNTs），以解决单壁TiO2纳米管（SWTNTs）在DSSCs中表面积较小的问题。DWTNTs通过精细的孔结构演变过程生长，表现出更好的染料吸附和电子传输性能，使其效率达到6.90%，而SWTNTs的效率为4.66%。
本研究采用了一种形态工程策略，通过溶剂热法合成分层交错排列的TiO2纳米棒光阳极，从而提高了DSSCs的效率。与传统TiO2纳米颗粒薄膜相比，这种交错排列的纳米结构在光吸收和电子传输方面实现了协同提升。本研究的核心创新在于将形态工程与实验验证相结合，为未来的DSSCs提供了坚实的结构-性能-关系。研究结果有望填补计算设计材料与高效太阳能电池实际制备之间的差距。
所用材料
分析级四氯化钛（TiCl4）购自Sigma-Aldrich。高质量氟掺杂的二氧化锡（FTO）玻璃基底购自澳大利亚Great-Cell Solar。N3染料、铂膏和离子液体电解质（Iodolyte Z-50）购自瑞士Solaronix，确保了材料的最高纯度，从而保证了实验结果的准确性。
交错排列TiO2纳米结构的制备与生长机制
交错排列的TiO2纳米棒光阳极是通过溶剂热法制备的，以确保其优异的性能
TiO2纳米棒的扫描电子显微镜（SEM）分析
为了研究前驱体浓度对纳米结构的影响，使用三种不同浓度的TiCl4（0.025 M、0.05 M和0.075 M）制备了TiO2薄膜：样品a、样品b和样品c。相应的表面形态通过扫描电子显微镜（SEM）进行了观察，结果如图2所示。样品a（图2a和2b）显示TiO2纳米棒垂直排列且分布均匀，几何形状清晰，孔隙率适中。
结论
本研究通过控制前驱体浓度和反应温度，成功制备了交错排列的TiO2纳米棒光阳极，优化了其形态、结晶度和电学性能，适用于染料敏化太阳能电池（DSSC）的应用。在所有制备的样品中，使用0.025 M TiCl4在180 °C下合成的光阳极（样品T2）表现出最佳的结构和功能特性。SEM和TEM分析进一步证实了这一点
CRediT作者贡献声明
Muhammad Younas：数据分析。Umer Mehmood：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验设计、资金申请、数据分析。Rabia Nazar：监督、数据分析。Muhammad Farooq：数据分析。Khalil Harrabi：数据分析。Syed Ezaz Haider Gilani：资源协调、数据分析。Yong Zhang：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析。Abdelkrim Mekki：数据分析
利益冲突声明
作者声明本手稿中的工作未受到任何已知财务利益或个人关系的影响。
资助
本研究得到了巴基斯坦高等教育委员会（HEC）资助的CPEC-8项目的支持。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Umer Mehmood报告称，孟加拉工程技术大学提供了行政支持、设备、试剂和写作协助；同时获得了巴基斯坦高等教育委员会的财务支持。Umer Mehmood还与拉合尔工程技术大学存在关联。
致谢
作者衷心感谢巴基斯坦高等教育委员会（HEC）资助的CPEC-8项目提供的财务支持。同时，作者也对拉合尔工程技术大学（UET）提供的研究设施表示感谢，还对沙特阿拉伯KFUPM提供的测试设施表示感谢。
