论文标题：Enhancing Light Harvesting in Dye-Sensitized Solar Cells through Mesoporous Silica Nanoparticle-Mediated Diffuse Scattering Back Reflectors

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/4/3/10

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

随着全球能源需求持续攀升，化石燃料依赖所引发的政治、经济与环境问题日益严峻，开发可持续的替代能源已尤为迫切。太阳能作为地球上最丰富的能源来源，其光伏技术发展迅猛。染料敏化太阳能电池（DSSCs）作为第三代太阳能电池的代表，具备轻质、无毒、柔性、颜色可调及常温环境加工等显著优势，特别适合卷对卷制造工艺。其在弱光条件下的优异性能也使其成为室内应用和移动设备供能的理想选择。然而，DSSCs的染料分子对入射光的吸收效率有限，且光生电荷载体在光阳极-电解质界面处存在复合现象，这些因素共同制约了其功率转换效率的提升。因此，本研究旨在探索一种简单有效的方法，通过增强DSSCs的光捕获能力，进而提升其整体光电性能。

研究内容

研究人员创新性地采用介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）作为透明对电极背面的反射层，以提升染料敏化太阳能电池的光捕获效率。通过化学法合成的MSNs，利用刮涂技术简便地应用于DSSCs，该制造步骤与卷对卷工艺具有良好的兼容性。MSNs的核心作用在于将穿透DSSCs的未利用入射光进行漫反射，使其重新返回光活性层，从而增加N719染料分子对光子的吸收。此策略在不改变电池核心材料体系的前提下，显著提升了光捕获效率。

实验合成的MSNs经透射电子显微镜表征，呈现长球形形态，平均粒径约300纳米，其孔道结构具有长程有序性并沿半长轴平行排列。氮吸附/脱附测试显示典型的IV型等温线，BET法测得比表面积高达1119 m²/g，DFT法确定的平均孔径为4.1纳米。动态光散射分析测得其粒径为281纳米（±53纳米）。紫外-可见漫反射光谱表明，MSNs在可见光区域（350-700纳米）的反射率超过80%，与N719染料的吸收范围高度吻合。场发射扫描电子显微镜图像显示，反射层由随机取向的MSNs构成，透射测试结果进一步证实，该反射层显著降低了电池在染料特征吸收波段的光透射率。

光电性能测试结果清晰地表明，引入MSN反射器后，DSSCs的功率转换效率（PCE）从5.57%提升至6.68%，提升幅度达20%。电流密度（JSC）从12.41 mA/cm²显著增至14.60 mA/cm²，是效率提升的主要贡献因素；开路电压（VOC）从0.66 V微增至0.68 V，填充因子（FF）则保持稳定。为验证该方法的可靠性，制备的十组器件均表现出一致的效率提升趋势（偏差±0.2%）。电化学阻抗谱（EIS）分析揭示，光阳极-电解质界面的电荷转移电阻（R2）降低，表明电子传输阻抗减小，这与电流密度的增加相吻合；同时，电子寿命未发生显著变化，说明电荷复合速率未受负面影响。上述结果共同证实，MSN反射器通过改善电池内部的电荷传输动力学，有效提升了器件的整体性能。

图 3. 集成 MSN 反射器的染料敏化太阳能电池结构示意图。

研究总结

本研究成功将介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）作为散射背反射器应用于染料敏化太阳能电池（DSSCs），通过高效回收利用未被吸收的入射光，显著增强了电池的光捕获能力，从而提升了其整体功率转换效率。所合成的MSNs在可见光区域展现出优异的漫反射特性，其均匀的平行孔道结构有效捕获并反射未吸收光子返回光活性层，促进了光吸收。应用MSN反射器使DSSCs的功率转换效率从5.57%提高至6.68%（相对提升20%），这一性能增益主要归因于电流密度从12.41 mA/cm²增至14.60 mA/cm²。开路电压的轻微提升和电荷传输速率的改善，进一步验证了该技术的有效性。实践证明，利用MSNs作为对电极背反射器是提升薄膜太阳能电池性能的一种有效策略，该策略增强了DSSCs在室内及弱光环境下集成应用的可行性。 提高光伏能量转换效率是推动新兴光伏技术实现商业化和广泛应用的关键，未来研究可聚焦于进一步优化纳米粒子特性及其制造工艺，以促进技术进步。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一本开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。