广西大学胡冬英副教授，程芳超副教授，CEJ：木质素磺酸盐诱导PEDOT取向增效双面染料敏化太阳能电池- 大数跨境

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广西大学胡冬英副教授，程芳超副教授，CEJ：木质素磺酸盐诱导PEDOT取向增效双面染料敏化太阳能电池

科学材料站

2025-01-17

导读：广西大学胡冬英副教授，程芳超副教授，CEJ：木质素磺酸盐诱导PEDOT取向增效双面染料敏化太阳能电池

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文章信息

木质素磺酸盐诱导聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）取向增强双面染料敏化太阳能电池效率

第一作者：刘保瑞

通讯作者：胡冬英*，程芳超*

单位：广西大学

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研究背景

双面染料敏化太阳能电池（DSSCs）是突破低光电转换效率（PCE）瓶颈的有前途的适用于多场景的策略。然而，实现对电极（CEs）物理化学结构与其关键性能之间的匹配增效仍然是一个重大挑战。因此，寻找一种易于制备、环境友好、性能优越的透明CEs对于提高DSSCs的高效率和实用性至关重要。

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文章简介

近日，来自广西大学的胡冬英副教授和程芳超副教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Lignosulfonate-Induced Orientation of Poly(3,4-ethlylenedioxythiophene) for Enhanced Efficiency in Bifacial Dye-Sensitized Solar Cells”的研究文章。该研究报道了通过电化学沉积的方法制备高效的木质素磺酸钠（SL）原位掺杂PEDOT电极。其中，SL诱导的PEDOT分子定向的CEs表现出低无序的取向分布和高氧化还原能力，实现了10.7%的高背光吸收，104 S/m的高电导率，优化了CEs的电子传递性能。SL/PEDOT CEs表现出优异的耐腐蚀性和较长的使用寿命，在运行500小时后，其初始效率保持在90%以上。此外，SL的加入增加了原始PEDOT中的电子传递位点，使得短路电流密度从21.49 mA/cm²增加到29.03 mA/cm²。SL/PEDOT组装的DSSCs在单侧和双侧照射下的PCE值分别达到9.49%和16.13%，超过了之前报道的许多双面DSSCs。我们的策略可能为实现高效的双面DSSCs提供了一个新思路。

Figure 1 Overview of this research: a) Three key processes in SL-induced orientation of PEDOT; b) Key components derived from a natural source; c) Snapshot map illustrating the interactions between 20 EDOT and 2 SL molecules; d) Schematic of a PEDOT film; e) Snapshot map of the interactions between 2 PEDOT and 2 SL molecules; f) Assembly diagram of single-sided and double-sided DSSCs.

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本文要点

要点一：SL首先被用作PEDOT电沉积的表面活性剂和引发剂

该制备工艺使用水溶液作为介质，EDOT作为单体，SL作为引发剂和表面活性剂。电沉积过程中，SL诱导EDOT单体合成PEDOT涉及三个关键过程：液相传质、电荷转移和聚合反应。在此过程中，液相传质和电荷传递同时发生。在SL/EDOT水溶液中，EDOT分子之间的弱相互作用促进了良好的分散状态，有利于液相传质和EDOT单体在FTO表面的迁移。SL与EDOT分子之间较强的相互作用增强了SL从溶液中吸附游离EDOT分子的能力，从而增加了FTO（掺杂氟的氧化锡）表面上的EDOT单体的数量。SL的酚醌共振电荷转移和储存特性增强了电荷转移，使FTO附近的EDOT单体获得电子并形成PEDOT自由基。这一过程促进了均匀PEDOT膜的成功聚合（图2）。

Figure 2 Microstructure and molecular orientation of SL/PEDOT CEs: a) SEM images of FTO and SL1.5-30s; b) EDS mapping of FTO and SL1.5-30s; c) TEM images of SL1.5-30s; d) Molecular dynamics simulation analysis.

要点二：SL诱导PEDOT分子链定向，减少无序性

在自由基捕获实验和电子自旋共振光谱（ESR）测试中，SDS-30s和SL1.5-30s均表现出横跨PEDOT主干的自由基离域特征信号，表现为ESR单线态，g因子为~2.002（图3）。值得注意的是，SL1.5-30s （2.97 G）的峰线宽度（ΔG）比SDS-30s （6.68 G）更窄，表明SL1.5-30s的极化子离域程度更低。这种结构变化导致了更强的内力和减少紊乱。

Figure 3 Mechanism of SL/PEDOT CEs in DSSCs: a) ESR spectra of SDS-30s and SL1.5-30s; b) Steady-state PL spectra of perovskite layers in SDS-30s and SL1.5-30s; c) TRPL decay profile of the perovskite layer on SDS-30s and SL1.5-30s, d) Hole-carrier mechanism.

要点三：SL加速电子传输，加速氧化还原反应

在I-/I3-电解质中使用三电极系统进行了CV和LSV测量，SL1.5-30s在0.37 V和0.77 V处出现氧化峰，在0.50 V和-0.04 V处出现还原峰，表明SL1.5-30s具有显著的氧化还原能力（图4）。SL的加入促进了SL1.5-30s产生更明显的氧化还原峰以及更小的峰间分离，增强了氧化还原反应能力，提高了催化I3-还原的可逆性。这种增强有利于高效的电子传递和染料分子再生。

Figure 4 Performances of SL/PEDOT as CEs in DSSCs: a) CV curves of SDS-30s and SL1.5-30s; b) Nyquist plots; c) Tafel curves; d) Assembly diagram of DSSCs; e) J-V curves; f) PCE curves over time; g-h) comparative analysis of SL1.5-30s with reported Pt and PEDOT.

要点四：DSSCs在双侧照射下PCE值突破16.13%

采用2台100 mW/cm²的太阳模拟器进行正面和背面阳光的双面照射。因此，用SL1.5-30s作为CEs制备的双面DSSC获得了16.13%的PCE，显著超过了SDS-30s在双面照射（正面阳光和背面阳光）下获得的10.58%的PCE（图5）。

Figure 6 Evaluation of SL/PEDOT CEs in bifacial DSSCs: a) Optical images of SDS-30s and SL1.5-30s; b) Transmittance spectra; c) UV-vis absorption spectra; d) schematic of front and back irradiation; e) J-V curves of DSSCs over 0-120 s; f) J-V curves of bifacial DSSCs; g) PCE curves over time; h) Comparative analysis of bifacial P25|I2|SL1.5-30s with other reported bifacial DSSCs.

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文章链接

Lignosulfonate-Induced orientation of Poly(3,4-ethlylenedioxythiophene) for enhanced efficiency in bifacial Dye-Sensitized solar cells

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159499

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通讯作者简介

胡冬英副教授简介：硕士生导师，本硕博毕业于东北林业大学，主要从事木材科学与技术的基础和应用研究，主持国家自然科学基金、广西自然科学基金、崇左科技重点等项目7项；作为广西大学负责人主导广西重点研发项目3项。近五年来，发表SCI论文50余篇（以第一作者或通讯作者发表论文42篇，一区及TOP期刊论文18篇），SCI他引1192次，单篇SCI他引超过100次论文2篇，高被引论文2篇；获授权专利6项；主持开发产品1种、改造生产线1条、年新增销售收入365万元、完成成果转化1项；获梁希林业科学技术奖二等奖1项。

程芳超副教授简介：博士生导师，广西杰青，美国阿拉巴马大学访问学者。主要从事生物质组分分离及高值化利用研究，发展了基于溶度理论的生物质定向分离与拆解策略，提出了基于氢键解构的纤维素纳米化策略。在Nano Energy、Nano-Micro Lett.、Green Chem.等国际知名期刊发表SCI论文30余篇，作为第一发明人授权国家发明专利6件，主持国家自然科学基金面上项目和地区项目、广西自然科学基金面上和回国基金项目、广西科技重大专项课题和广西重点研发计划项目，获得省部级二等奖1项，科学出版社出版专著1部。受聘担任中国林学会木材科学分会委员。