γ射线辐照调控壳聚糖@聚乙烯醇@氧化铝纳米复合材料对染料敏化太阳能电池载流子传输与性能的优化机制研究

本研究针对DSSCs（染料敏化太阳能电池）对电极（CE）电荷传输效率低的问题，创新性采用γ射线辐照处理Chitosan@PVA@Al2 O3 （CPA）纳米复合材料，通过调控表面形貌与电子结构，使25 KGy辐照样品获得8.25%的光电转换效率（PCE）和18.056 mA/cm2 的短路电流密度（Jsc ），为绿色能源器件开发提供新策略。

　　

随着全球对可再生能源需求的激增，染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs）因其低成本、环境友好和弱光响应优势成为硅基电池的有力替代者。然而，其核心组件对电极（Counter Electrode, CE）仍面临电荷传输阻力大、催化活性不足等瓶颈。传统铂基CE成本高昂，而生物聚合物复合材料虽具可持续性，却受限于导电性和结构稳定性。如何通过绿色方法调控材料界面特性，成为突破DSSCs性能天花板的关键。

为攻克这一难题，Jouf大学的研究团队在《Materials Research Bulletin》发表创新成果，首次将γ射线辐照技术应用于壳聚糖@聚乙烯醇@氧化铝（Chitosan@PVA@Al₂
O₃
, CPA）纳米复合CE的改性。通过系统研究辐照剂量（0-30 KGy）对材料微观结构及光电性能的影响，发现25 KGy辐照样品可实现电荷传输与表面特性的协同优化，最终使DSSCs效率提升37.76%，为低成本、高性能太阳能器件开发开辟新路径。

研究采用多尺度表征与性能测试相结合的策略：通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构演变，扫描电镜（SEM）观测辐照诱导的形貌变化，电化学阻抗谱（EIS）评估电荷转移电阻，结合接触角测量和光伏性能测试（J-V曲线）建立结构-性能关联。

XRD分析
未辐照CPA0样品在18-23°呈现典型聚合物宽衍射峰，而15 KGy辐照后出现Al₂
O₃
特征峰（2θ=37.6°、43.4°），25 KGy样品结晶度提升21.7%，表明γ光子能量诱导聚合物链重排与纳米颗粒分散优化。

SEM与表面特性
辐照剂量与表面粗糙度（Ra）呈正相关，25 KGy样品Ra达7.87 μm，孔隙率79.4%，形成三维互联网络结构。这种"纳米珊瑚礁"形貌为电解质扩散和电荷收集提供理想界面。

电化学与光伏性能
25 KGy处理的CE电荷转移电阻（R_ct
）降低68%，对应DSSCs获得8.25%的PCE和18.056 mA/cm²
的J_sc
。机理研究表明，辐照产生的氧自由基（-OH、C=O）构建电子高速公路，同时Al₂
O₃
NPs作为电子中继站抑制复合。

该研究证实γ辐照是一种可精确调控CE性能的绿色工程手段：在分子层面，高能光子引发聚合物交联/断链，形成富氧活性位点；在介观尺度，Al₂
O₃
NPs分散优化构建分级导电网络。这种"自上而下"的辐照改性策略，避免了传统化学处理的污染问题，为DSSCs的大规模生产提供新思路。更重要的是，该工作将生物材料科学与辐射技术交叉融合，推动可再生能源器件向可持续、高性能方向发展，对实现"双碳"目标具有积极意义。