Screen-Printed Carbon/TiO2 Counter Electrodes for Indoor Dye-Sensitized Solar Cells Using TiO2 -Inorganic Binders Prepared via Polyvinylpyrrolidone-Assisted Sol-Gel Synthesis
本研究表明，采用 PVP 辅助溶胶-凝胶法 TiO₂ 无机粘结剂的丝网印刷碳对电极在室内染料敏化太阳能电池中的表现优于传统的乙基纤维素基电极和铂参考电极，由于机械稳定性提高、片电阻降低以及电荷转移增强，其在 1000 lux 下的光电转换效率高达 18.94%。
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在我们现代生活的寂静角落里，一个由无线传感器和智能设备组成的庞大网络正在不断壮大，每台设备都需要一种微小的、可持续的电源来运行，而不必承受沉重电池的负担。虽然太阳是强大的能源，但我们房屋和办公室内的光线要暗得多，因此需要一种不同类型的太阳能电池来高效地收集这些光能。在竞争这一室内角色的技术中，染料敏化太阳能电池已成为一个极具前景的候选者。这些设备通过使用一种特殊的染料来捕捉光线并产生电能，但它们依赖于一个被称为对电极的关键部件来完成电路。传统上，科学家们使用铂金来执行这项工作，因为铂金非常擅长促进维持电池运行所需的化学反应。然而，铂金价格昂贵且易于腐蚀，这使得它成为大规模生产低成本设备的糟糕选择。研究人员长期以来一直在寻求更便宜的替代品，通常转向石墨和炭黑等碳材料。然而，仅仅将这些碳材料印刷在表面上已被证明是困难的；这些涂层往往缺乏必要的强度，或者无法像铂金那样高效地导电以匹配其性能。
来自斯洛伐克和意大利的一个研究小组现在开发了一种新方法来解决这个问题，创造出一种碳基对电极，它不仅在性能上可以媲美铂金，而且在典型的室内光照条件下甚至超越了铂金。科学家们将注意力集中在将碳颗粒连接在一起的“胶水”上。标准方法使用有机聚合物（本质上是类似塑料的物质）来粘合碳。虽然这些粘合剂有助于让油墨粘在玻璃上，但它们充当了绝缘体，阻碍了电流的流动并妨碍了化学反应。为了克服这一点，该团队用由二氧化钛制成的无机粘合剂取代了有机胶水，二氧化钛是一种常见于白色油漆和防晒霜中的材料。他们使用溶胶-凝胶法（一种将液体溶液转化为纳米颗粒固体网络的化学技术）制造了这种粘合剂。为了确保这种新的无机油墨能够平滑打印并保持形状，他们添加了特定量的聚合物——聚乙烯吡咯烷酮（PVP），作为稳定剂来控制混合物的流动。
研究人员测试了这种新油墨的几个版本，通过改变 PVP 的含量来寻找打印性能与电学性能之间的完美平衡。他们发现，油墨需要足够浓稠，以便在细网格丝网印刷时保持形状，同时又要足够流畅，以便在压力下轻松流动。理想的混合物含有特定浓度的 PVP，这使得团队能够印刷出具有锐利边缘的极细线条，这在以前基于塑料的油墨中是难以实现的。印刷完成后，这些层被加热到高温，这个过程烧掉了有机成分，留下了一个由二氧化钛网络牢牢固定碳颗粒的坚固多孔结构。这种新结构具有机械鲁棒性，紧紧粘附在玻璃基底上而不会剥落，并且其导电性能远优于之前的纯碳版本。
当团队使用这些新型对电极构建完整的太阳能电池并在室内 LED 照明下进行测试时，结果令人瞩目。在 1000 lux 的光强下（相当于光线充足的办公室或明亮的客厅），这种新型碳基电池达到了 18.94% 的效率。这一表现高于标准的铂金基电池，后者在相同条件下达到了 18.11%。即使在 200 lux 的较低光照水平下（类似于昏暗的走廊），新电池仍保持了 15.41% 的效率，再次超越了铂金参考值。这种方法的成功在于材料的独特组合：碳提供了化学反应所需的表面积，而二氧化钛粘合剂则确保了颗粒的连接和层的稳定性，且没有传统有机胶水的绝缘屏障。这项工作表明，利用简单的印刷技术和丰富的材料，可以制造出用于室内的高性能、低成本太阳能电池，为在不依赖昂贵金属或一次性电池的情况下为下一代无线电子产品供电提供了一条切实可行的路径。
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