《Journal of Power Sources》：Hybrid dye-quantum dot solar cell with liquid polysulfide electrolyte with enhanced energy conversion
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柔性三明治结构碳纳米管纱线基太阳能电池通过量子点与N719染料共敏化，配合多硫盐电解液实现10%高效转换率，具备优异柔韧性和耐久性，适用于可穿戴电子设备。
格伦·格里索姆（Glenn Grissom）| 布里什蒂·德布·乔杜里（Brishty Deb Choudhury）| 陈琳（Chen Lin）| 费德里科·切萨诺（Federico Cesano）| 多梅尼卡·斯卡拉诺（Domenica Scarano）| 米格尔·莱亚尔（Miguel Leal）| 斯克·姆德·阿里·扎克尔·肖恩（Sk Md Ali Zaker Shawon）| 李建志（Jianzhi Li）| 西希尔·蒂米尔塞纳（Shishir Timilsena）| 尼古拉斯·迪马基斯（Nicholas Dimakis）| 艾哈迈德·图哈米（Ahmed Touhami）| 奥肯瓦·奥科利（Okenwa Okoli）| 马克·肖尔（Mark Schauer）| 张金忠（Jin Zhong Zhang）| M·贾西姆·乌丁（M. Jasim Uddin）
德克萨斯大学里奥格兰德河谷分校机械工程系光子学与能源研究实验室（Photonics and Energy Research Laboratory, PERL），地址：美国德克萨斯州埃丁堡市西大学路1201号，邮编78539
摘要
本研究介绍了一种具有新型三维结构的柔性混合太阳能电池，该结构显著提升了电池的性能。该设备采用碳纳米管（CNT）纱线作为工作电极和对电极。碳纳米管纱线表面涂覆了一层薄而均匀的TiO2，该层同时具有纳米孔和微孔结构。涂层纱线经过CdS和CdSe量子点（QDs）、导电聚合物的体异质结层以及N719染料的敏化处理。为了确保量子点的稳定性和增强空穴传输，使用了聚硫化物电解质。当电池长度为3.5厘米时，其最佳功率转换效率（PCE）约为10%（最大值），平均效率约为4%。此外，两个具有不同微结构的电池串联连接后产生的开路电压为1.5伏特，显示出该设备在可扩展性和实际应用方面的巨大潜力。这些电池表现出优异的柔韧性和耐辐射性，表明其在柔性太阳能系统和可穿戴电子设备中具有广泛的应用前景。基于计算研究，从形态学、结构、相态和界面性质等方面分析了电池的性能。
引言
自20世纪90年代初以来，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其高功率转换效率、易于制造和低成本而受到广泛关注[1,2]。近年来，纤维形状的染料敏化太阳能电池（FDSSCs）因其在柔性及可穿戴电子设备中的巨大潜力而备受关注。与传统平面设计相比，FDSSCs具有许多优势：它们重量轻、便携、可弯曲，并且易于集成到智能纺织品和可穿戴系统中[3,4]。这一领域的一个关键挑战是开发出在户外条件下兼具高功率转换效率和长期稳定性的设备。为实现这些目标，人们投入了大量精力研究不同的光阳极材料/结构[5]、新的对电极材料[6,7,8,9]、替代的氧化还原对[10,11,12,13]以及新型敏化剂[14,15,16]。此外，也有大量研究集中在p型半导体[17,18,19,20]、空穴导体[21,22]以及作为固态或准固态材料中液体电解质替代品的聚合物或凝胶基材料[23,24,25]上。
作为开发稳定、高性能太阳能电池的持续努力的一部分，相关团队发表了关于柔性三维结构染料敏化太阳能电池的报告[26]。在最近的研究中，碳纳米管（CNT）纱线被用作工作电极和对电极的基底，因为它们具有较大的表面积、优异的电导率、机械强度和催化活性，同时与各种编织配置的兼容性使其能够无缝集成到多种应用中[27]。对于光阳极，外层半导体由经过TiCl4处理的微孔/纳米孔TiO2薄膜组成，这种结构能够增强晶界连通性并减少表面缺陷[28]。这种处理还通过加强染料分子与TiO2表面的相互作用来提高电子扩散系数[29]。作为敏化剂，使用了CdS和CdSe量子点（QDs）与N719染料（二丁基铵顺式双（异硫氰酸）双（2,2′-联吡啶-4,4′-二羧酸）钌（II））的组合，以拓宽光吸收范围。最终的光阳极层由聚（3-己基噻吩）（P3HT）：6,6-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）体异质结混合物构成，这不仅通过提供界面促进了电荷分离，提高了光捕获效率以及整个光伏器件的性能[30,31]，还有助于保护电极免受电解质的腐蚀。
电解质是DSSC中的关键组成部分，它在运行过程中作为电极之间的电荷传输介质，并不断再生染料和自身。它可以通过影响开路电压（VOC）和短路电流密度（JSC）显著影响光电流转换效率。迄今为止，DSSC中最常用的电解质是三碘化物/碘化物（I?/I3?）氧化还原对。在2018年的研究中，我们使用了一种基于碘的电解质，该电解质由叔丁基吡啶在3-甲氧基丙腈（3-Me PRN）和聚（乙烯基氟化物-六氟丙烯）（PVDF-HFP）组成，既具有导电性又呈固态[26]。虽然这种电解质表现出较高的光电流转换效率，但也存在一些缺点。首先，碘对许多密封材料具有腐蚀性，这使得大规模设备组装变得复杂，并导致长期稳定性较差。其次，其相对较高的蒸气压使得设备封装变得困难。第三，I3?离子和其他可能的多碘化物（如I5?、I7?、I9?）对可见光的吸收会降低器件的光电流转换效率。此外，由于典型敏化剂（Eredox ≈ 1.1 V vs NHE）与I?/I3?氧化还原对（Eredox ≈ 0.3 V vs NHE）之间的氧化还原电位不匹配（约0.8 V），可能会导致VOC的降低[32]。为了克服这些限制，人们探索了其他氧化还原对，包括聚硫化物系统（S2?/Sn2?）。聚硫化物电解质在量子点敏化太阳能电池中得到了广泛研究，因为它们与量子点具有很好的兼容性，并且能够从量子点敏化剂的价带有效传输空穴[33]。
本文报道了一种柔性染料敏化太阳能电池（FDSSC），其光阳极结合了CdS-CdSe量子点（QDs）和N719染料作为共敏化剂。电极通过逐层液浴沉积法制备，形成了连续的纳米孔和微孔光活性层，这些层与P3HT:PCBM体异质结相连接，从而促进了激子分离。如先前研究所示[4]，截面分析证实了碳纳米管的结构完整性和接枝光活性层的均匀沉积[34]，确保了其在碳纳米管框架内的有效集成。这种分层结构对于提升材料性能至关重要。工作电极（WE）由五根交织的碳纳米管纱线组成，而对电极（CE）则使用了一根涂有薄铂层的碳纳米管纱线。微结构电池采用了聚硫化物电解质，因其光稳定性和宽工作温度范围而受到青睐，这对长期光伏耐久性至关重要。我们的结果显示，这种电解质的化学稳定性在循环使用过程中能够减轻降解，保持高效的电子传输。使用聚硫化物电解质时，实现了约10%（最大值）的最佳功率转换效率（PCE）。
材料
碳纳米管纱线购自美国Nanocomp Technologies Incorporated公司。钛异丙氧基化合物（97%）、TiCl4（99.9%）、Cd(NO3)2（98%）、HNO3（70%）、Na2SeSO3（99%）、S（98.98%）、Na2S、xH2O（>60%），所有溶剂/试剂均购自Sigma Aldrich公司，按收到时的状态使用。
碳纳米管纱线的制备
工作电极（WE）的制备包括多个步骤，首先是对碳纳米管纱线进行聚合物去除和功能化处理。在制造之前，纱线经历了多次清洗以及热处理
FDSSCs的结构和形态
FDSSCs的结构如图1a所示。图1b展示了功能化前的工作电极（WE）的SEM图像。单根碳纳米管（CNT）的直径约为5微米。即使经过功能化处理，碳纳米管仍保持其固有的石墨状和类金刚石结构，这一点通过拉曼光谱得到了证实（
详见下文[34]，其特征峰没有显著变化。这种结构完整性的保持确保了
结论
总之，本研究展示了一种柔性三维纤维形状的染料敏化太阳能电池，该电池结合了多种量子点（CdS和CdSe）和N719染料。碳纳米管纱线作为轻质、坚固且柔性的电极，而聚硫化物电解质和P3HT:PCBM层有效减少了电子-空穴复合并提高了量子点的稳定性。最佳功率转换效率超过10%（平均最大PCE超过4%），表明其适用于大规模的实际应用。
CRediT作者贡献声明
格伦·格里索姆（Glenn Grissom）：撰写原始稿件、验证、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构思。
布里什蒂·德布·乔杜里（Brishty Deb Choudhury）：撰写与编辑、原始稿件修订、可视化处理、验证、方法论设计。
陈琳（Chen Lin）：撰写与编辑。
费德里科·切萨诺（Federico Cesano）：撰写与编辑。
多梅尼卡·斯卡拉诺（Domenica Scarano）：撰写与编辑。
米格尔·莱亚尔（Miguel Leal）：撰写与编辑、数据整理。
斯克·姆德·阿里·扎克尔·肖恩（Sk Md Ali Zaker Shawon）：撰写与编辑
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能构成潜在的利益冲突：M·贾西姆·乌丁（M. Jasim Uddin）表示获得了美国能源部的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
布里什蒂·德布·乔杜里（Brishty Deb Choudhury）衷心感谢总统研究生研究助理奖。MJU感谢
能源部 # DE-NA0004004和
SUNY Poly的Wolfspeed基金对半导体研究的支持。我们还要感谢Sayeeda TJ Aishee和Abdullah Sarjish在模型绘制和研究支持方面的帮助。
