为满足便携式、可穿戴设备日益增长的供能需求，柔性、轻质、可编织的纤维太阳能电池已被广泛探索和开发，以实现更长效持久的能源供给。尽管研究人员在新型功能材料的合成、器件结构的优化以及稳定界面的构建等方面做了大量工作，但由于在高曲率纤维基底上难以制造高质量的功能层，目前的纤维太阳能电池仍表现出相对较低的光电转换效率，这严重限制了它们的进一步发展。 

最近，研究院团队提出了一种新的可行策略，即发挥纤维结构360°受光的独特优势，增强纤维太阳能电池的光捕获，以提升光伏性能。重点为纤维染料敏化太阳能电池(FDSSC)设计了一种具有高反射率、高导电性以及高催化性能的混合纤维对电极，促进了电荷的快速收集和输运，并有效利用了纤维光阳极的360°受光特性，大幅增强光捕获，最终实现了12.52%的效率纪录。该工作以题为“Designing Reflective Hybrid Counter Electrode for Fiber Dye-Sensitized Solar Cell with Record Efficiency”发表于Advanced Functional Materials。

混合纤维对电极的结构示意图

设计的混合纤维对电极，由具有高导电性的金属纤维集流体、具有高电催化性能的取向碳纳米管(CNT)薄膜和具有高反射率的二氧化钛/聚(偏氟乙烯-共六氟丙烯)[TiO2/P(VDF-HFP)] 多孔薄膜制成。取向碳纳米管薄膜紧密附着在金属纤维上，能促进电荷的收集和输运；多孔结构的TiO2/P(VDF-HFP)薄膜可以对入射光产生强烈的漫反射，而其中的连续孔道为离子在电解液中的快速扩散建立了稳定的传输路径。

混合纤维对电极的制备与形貌表征

采用浮动催化剂化学气相沉积法连续制备了取向碳纳米管薄膜，然后将其紧密包裹在金属纤维上，进一步在表面涂覆TiO2/P(VDF-HFP)浆料，经过非溶剂交换过程后干燥，形成多孔结构薄膜，最终制备得到直径分布均匀、表面平整光滑的多孔混合纤维对电极。

混合纤维对电极的增强机理

为了研究所构建的多孔TiO2/P(VDF-HFP)薄膜的光学性质，采用有时域有限差分法(FDTD)分析了聚合物薄膜内部光场分布，证实了混合薄膜具有很强的反射性。通过模拟入射光在纤维曲面上发生漫反射后的空间光场分布，证明了混合纤维对电极可以有效地将入射光反射到相邻的光阳极上。通过将尺寸分布为200-400 nm的TiO2纳米颗粒引入到P(VDF-HFP)中，利用Mie共振的集体效应形成宽散射峰，在400-750 nm波长范围展现出高达93.37%的平均反射率，与N719染料的吸收光谱范围重叠，能有效增强FDSSC的光捕获。此外，TiO2/P(VDF-HFP)薄膜的多孔结构有效避免了致密薄膜导致的对电极活性面积减少以及离子扩散受阻，确保了混合对电极的催化性能以及离子在整个氧化还原体系中的快速扩散。

FDSSC的器件性能和应用展示

基于高反射混合纤维对电极的FDSSC实现了充分的光捕获和高效的电荷输运，光电转换效率达到创纪录的12.52%。FDSSC也展现了良好的重复性，在弯折、扭曲、挤压等动态变形下仍保持较高性能，并能在不同温度下有效工作，满足了实际穿戴应用需求。将FDSSC与纤维电池进一步编织集成，构建可穿戴织物电源系统，能有效为智能手环供电。 

小结：这篇论文报道了一种具有高反射率的多孔混合纤维对电极。基于该对电极所制备的FDSSC实现了高效的电荷收集与传输，并充分利用了纤维电极360°受光的独特优势，大幅增强了光伏性能，获得了高达12.52%的光电转换效率。通过将FDSSC与纤维电池集成到织物中作为电源系统，展示了一种面向可穿戴设备的有效电源解决方案。博士后朱正峰和硕士生林正锰为共同第一作者，该工作得到科技部、国家自然科学基金委和上海市科委的资助。