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染料敏化太陽能電池(DSSCs)因其成本低、制備簡單、光電轉換效率較高等優點，成為極具應用前景的新一代光伏設備。目前，DSSCs器件已經實現了14.3%的最高光電轉換效率，但是基于N719染料的DSSCs的光電轉換效率僅為11.5%左右。造成這一現象的原因主要包括以下兩點：其一，敏化劑分子的光捕獲能力受限，只能吸收來自紫外和可見區域的光；其二，光陽極與電解質界面處的電荷沒有及時分離而產生電荷的重組。針對上述問題，通過擴大敏化劑的吸光范圍和加速光陽極與電解質界面處的電荷分離是提高DSSCs光電性能的有效解決方案。

近日，河南大學的郭續更副教授、王麗教授和張敬來教授合作，設計了一種包含P25納米顆粒、TiO₂空心球(TiO₂-HSs)、Au納米顆粒(AuNPs)和NaYF₄:Yb,Er@NaLuF4:Eu@SiO₂上轉換納米顆粒(Er@Eu@SiO₂?UCNPs)的多功能復合光陽極材料，大幅提升了DSSCs的光電性能。

該復合光陽極以P25為透明層，以TiO₂-HSs和Er@Eu@SiO₂?UCNPs為光散射層，顯著拓寬了N719染料的吸光范圍。最后，通過簡單的等離激元處理，在光散射層薄膜上原位生長AuNPs，進一步增強了N719的光吸收能力。在此，使用紫外光觸發AuNPs的表面等離子體共振(SPR)效應，SPR場增強效應不僅加快了光陽極材料的反應進程，還促使UCNPs吸收更多的紅外光。此外，AuNPs產生的晶體缺陷也阻止了電子與空穴的重組。研究表明，制備的多功能復合光陽極不僅具有良好的兼容性，還在模擬太陽光下收獲了14.13%的光電轉換效率，這是目前使用傳統N719染料作為敏化劑的DSSCs的最高效率。值得注意的是，穩態實驗進一步表明，在180 h的穩態測試后，電池的光電轉換效率仍然保持95.33%，表現出良好的設備穩定性。

綜上，這種多功能復合光陽極的獨特設計為研究其多組分之間的協同作用機制以及開發具有廣泛應用前景的新型光陽極材料提供了一種新的途徑。

論文信息

Boosting the Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells by a Multifunctional Composite Photoanode to 14.13%

Siqi Zhang,?Fuhua Huang, Xugeng Guo,* Ye Xiong, Yafei Huang, Hans ?gren, Li Wang,* Jinglai Zhang*

文章的第一作者是河南大學的2020級碩士研究生張思琪。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202302753

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