复旦大学彭慧胜院士团队AFM：纤维太阳能电池功率创纪录！

  近年来，可穿戴技能在信息交互、健康监测和智能显现等范畴欣欣向荣，极大地推动了人类社会的智能化进程。跟着可穿戴设备功耗的一向上升，亟需高效、可继续的动力处理方案。纤维太阳能电池作为一种实时、可继续的电源，因其柔性、轻质和可织造性而十分重视。其间，纤维量子点敏化太阳能电池（FQDSC）具有可调理的光吸收规模，可以在必定程度上完结从紫外-可见到近红外的宽光谱吸收，显现出高效搜集太阳能的潜力。但是，因为在高曲率纤维外表制备高质量功用层并保证其界面严密和安稳存在固有困难，FQDSC的功率一向难以提高，电荷复合严峻，结构安稳性差，约束了其实践运用。

  近来，复旦大学彭慧胜院士、朱正峰助理研讨员团队成功规划出一种混合电极结构，完成了功率创纪录的纤维量子点敏化太阳能电池。该研讨经过在钛丝上构建由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掩盖有Cu₂S纳米片的碳纳米管片作为混合对电极，显着提高了电池的光捕获才能、电荷传输速率和结构安稳性。终究制备的FQDSC完成了11.05%的纪录功率，并在阅历1000次变形后仍能坚持90%以上的功率。此外，该电池还被集成到纺织品中，与纤维锂离子电池一起构成供电体系，成功驱动了一款智能救生衣，用于实时健康监测与紧迫救援。相关论文以“”为题，宣布在Advanced Functional Materials上。

  图1展现了该纤维量子点敏化太阳能电池的全体结构与电极规划。其间，混合光阳极由成长在钛丝上的TiO₂纳米管阵列与外表涂覆的TiO₂纳米颗粒层组成，这种结构不只提高了量子点的负载量，还供给了快速的电子传输通道。混合对电极则由碳纳米管片外表笔直成长的Cu₂S纳米片构成，并经过PVDF粘结剂结实附着在钛丝外表，构成具有丰厚催化活性外表的安稳界面。

  图1. 带有混合光阳极和混合对电极的FQDSC示意图。 a) FQDSC器材结构示意图，显现由混合CNT包裹在钛丝上构成的混合光阳极和混合对电极。 b) 掩盖有笔直摆放Cu₂S纳米片的CNT片示意图。具有丰厚催化活性外表的Cu₂S纳米片经过PVDF粘结剂结实附着在多孔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严密结合保证了高量子点负载和高效的电子传输。

  图2具体描绘了FQDSC的制备流程及其电极的微观结构。首要，经过阳极氧化在钛丝外表成长TiO₂纳米管阵列，再浸涂TiO₂纳米颗粒浆料构成混合结构，随后进行退火、量子点敏化和外表钝化处理，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。扫描电子显微镜图画显现，TiO₂纳米颗粒均匀掩盖在纳米管阵列外表，而Cu₂S纳米片则结实地嵌入碳纳米管网络中，构成了均匀且结合严密的复合结构。

  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。经过在阳极氧化的钛丝上浸涂TiO₂纳米颗粒构成混合光阳极，随后进行退火、敏化和外表钝化处理。混合对电极经过将涂覆铜颗粒的CNT片缠绕在钛丝上并经硫化处理制得。终究将两电极封装于通明管中并注入电解液。 b,c) 混合光阳极外表在不同扩大倍数下的扫描电子显微镜图画。 d) 混合TiO₂层截面SEM图画，显现TiO₂纳米管阵列被TiO₂纳米颗粒层彻底掩盖。 e) 图d中符号区域的TiO₂纳米颗粒扩大图画。 f) 掩盖铜颗粒的CNT片在低倍和高倍下的SEM图画。 g) 包裹在钛丝上的掩盖Cu₂S纳米片的CNT片在低倍和高倍下的SEM图画。Cu₂S纳米片是经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图画。 i) 铜颗粒硫化后生成的Cu₂S纳米片在CNT片上的截面SEM图画。

  图3体系评价了混合对电极的电化学功用与安稳性。循环伏安测验标明，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，显现出更高的催化活性。其双电层电容为0.340 F cm⁻²，标明具有更大的电化学活性面积。经过电化学阻抗谱与剥离强度测验进一步证明，该电极具有更低的分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掉落，远低于黄铜电极的71.24%。在经过3000次曲折循环后，其界面电阻仅添加24%，表现出优异的机械与电化学安稳性。

  图3. 混合对电极的功用。 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别离为0.162和0.340 F cm⁻²，标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丈量的奈奎斯特图。Cu₂S/黄铜和混合对电极的奈奎斯特分散阻抗别离为12.38和4.04 Ω cm²，串联电阻别离为0.70和1.31 Ω cm²。 d) 混合对电极结构示意图，显现Cu₂S纳米片经过PVDF结实附着在CNT外表，构成严密界面，具有高催化活性和高安稳性。 e) Cu₂S/黄铜和混合对电极中Cu₂S与基底之间的界面剥离强度丈量值别离为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一起刻后Cu₂S的掉落份额。 g) Cu₂S/黄铜和混合对电极在3000次曲折循环（曲率半径1 cm）过程中电解质与对电极之间界面电阻的改变。R₀和R别离代表曲折前和曲折后的电阻。 h) Cu₂S/黄铜和混合对电极在100 mV s⁻¹扫描速率下经过CV丈量的最大复原峰值电流改变。Iₚ₀和Iₚ别离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曲线全面展现了选用混合电极的FQDSC的光电功用与环境耐受性。电流-电压曲线显现，其短路电流密度、开路电压和填充因子别离到达27.77 mA cm⁻²、0.607 V和65.58%，功率高达11.05%。吸收光谱与入射光子-电子转化功率测验标明，混合光阳极显着地增强了光捕获才能，并有用按捺了电荷复合。在阅历按压、歪曲和曲折等变形测验后，电池功率仍坚持在90%以上。即便在80℃高温或沸水等恶劣条件下，其功用也未呈现十分显着衰减，显现出强壮的环境适应性。

  图4. 选用混合纳米结构电极的FQDSC功用。 a) 运用与未运用混合电极制备的FQDSC的J-V曲线。选用混合电极的FQDSC功率为11.05%，JSC、VOC和FF别离为27.77 mA cm⁻²、0.607 V和65.58%；未运用混合电极的FQDSC功率为7.14%，JSC、VOC和FF别离为21.66 mA cm⁻²、0.574 V和57.37%。 b) 选用混合电极的FQDSC与以往研讨中报导的FQDSC功率比照。 c) 30个FQDSC器材的功率计算散布。 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-电子转化功率光谱及相应积分电流密度。积分电流密度别离为26.74和23.71 mA cm⁻²。 f) 选用与不选用纳米颗粒层光阳极的FQDSC在封闭入射光（AM 1.5G）后丈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，标明电荷复合削减。 g) FQDSC在按压、歪曲和曲折变形下的机械安稳性。每种变形经过1000次循环后，功率均坚持在90%以上。 h) FQDSC在80℃高温及各种恶劣条件下的安稳性。集成FQDSC的织物的开路电压坚持安稳。插图为在80℃下各种恶劣条件下FQDSC的红外相片。

  图5进一步展现了该电池在实践可穿戴体系中的运用潜力。研讨团队将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体系。该体系包含传感器、定位模块、加热元件和显现模块，可以实时监测用户心率和体温，并在落水等紧迫状况下发动加热功用、发送定位信号。集成在背部的电致发光纤维还可提高夜间可见度，助力救援举动。

  图5. 供电纺织品的可穿戴运用。 a) 集成于救生衣中的智能健康监测体系示意图，包含自供电纺织品、传感器、定位模块、加热元件和显现模块，可以实时获取并传输用户生理数据，一起供给紧迫救援信息。 b) 集成智能救生衣的规划示意图。供电纺织品为显现体系、健康监测体系和紧迫救援体系供给能量。 c) 智能救生衣什物相片，背部集成发光显现纺织品在低光环境下供给准确定位信息。 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，并向用户显现特定警报。 f) 加热元件激活前后的红外相片。当体温低于32℃时，加热元件可被激活。 g) 定位体系发送求救信号，并在地图上同享实时坐标方位。

  综上所述，这项研讨经过规划具有混合纳米结构的电极，成功处理了纤维太阳能电池在高曲率基底上的界面安稳性与电荷传输功率难题，完成了创纪录的光电转化功率与优异的机械耐久性。该技能为下一代可穿戴电子设备与智能纺织品供给了牢靠的动力处理方案，展现出宽广的运用远景。