万寿菊花提取物作为TiO2光阳极封端剂与敏化剂在DSSCs中的溶剂依赖性效应研究

本研究针对染料敏化太阳能电池(DSSC)中传统敏化剂成本高、环境风险大的问题，创新性地采用万寿菊(Tagetes erecta)花提取物作为TiO2纳米粒子的生物封端剂和天然敏化剂。通过比较乙腈(ACN)、去离子水(DI-water)和正己烷三种溶剂的提取效果，发现正己烷提取物因富含叶黄素(lutein)和鞣花酸(ellagic acid)，显著提升了DSSC的光电转换效率(1.21%)，为开发低成本、环保型太阳能电池提供了新思路。

　　

随着全球对可持续能源需求的激增，传统化石燃料引发的环境与能源安全问题日益凸显。在众多可再生能源技术中，染料敏化太阳能电池(DSSC)因其制备成本低、工艺简单等优势备受关注。然而，其核心组件——敏化剂长期依赖昂贵的钌(Ru)基合成染料，不仅成本高昂，还存在重金属污染风险。与此同时，半导体材料TiO₂的纳米结构调控也面临传统封端剂环境兼容性差的挑战。在此背景下，来自中国的研究团队创新性地将万寿菊(Tagetes erecta)花提取物应用于DSSC领域，系统研究了不同溶剂提取物对TiO₂纳米结构的调控作用及其作为天然敏化剂的性能表现，相关成果发表在《Next Materials》上。

研究团队采用紫外-可见光谱(UV-vis)、高分辨质谱(HR-MS)、电化学阻抗谱(EIS)等技术，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统比较了乙腈(ACN)、去离子水和正己烷三种溶剂提取物的特性。通过X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)等手段表征了TiO₂纳米材料的晶体结构和形貌特征，并构建DSSC器件测试光电性能。

"材料与方法"部分显示，研究选用钛酸四丁酯[Ti(OBu)₄]为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备TiO₂纳米粒子。万寿菊花经不同溶剂提取后，提取物既作为TiO₂合成的封端剂，又直接用作DSSC的天然敏化剂。光电性能测试采用标准AM1.5G光照条件(100 mW/cm²)。

"结果与讨论"部分揭示：通过UV-vis光谱分析发现，正己烷提取物在472 nm处呈现显著吸收峰，归因于叶黄素等类胡萝卜素的高效提取。HR-MS鉴定出包括7α-羟基-β-谷甾醇(7α-hydroxy-β-sitosterol)、鞣花酸等关键活性成分。电化学研究表明，正己烷提取物具有最优的HOMO-LUMO能级(-6.145 eV/-3.515 eV)，与TiO₂导带(CB)能级(-4.0 eV)匹配良好。

当作为封端剂时，XRD证实所有样品均为锐钛矿相，正己烷封端的TiO₂粒径最小(14.54 nm)。EIS分析显示其电荷转移电阻(R_CT)最低(3.07 Ω)，电子寿命(τ_n)最长(0.08 ms)，最终使DSSC效率提升至1.21%，较未封端样品(0.12%)提高10倍。作为敏化剂时，正己烷提取物组装的器件同样表现出最低的R_CT(62.03 Ω)和最长τ_n(1.56 ms)，效率达0.05%，优于其他溶剂提取物。

DFT计算从分子层面阐释了性能差异：鞣花酸的ΔG_inj(1.81 eV)和ΔG_reg(1.13 eV)表明其具有理想的电子注入和再生能力。研究还发现溶剂极性显著影响活性成分提取效率，非极性正己烷更易提取疏水性色素，而极性溶剂则倾向于获得多酚类物质。

这项研究的重要意义在于：首次系统评估了万寿菊花提取物在DSSC中的双重功能，揭示了溶剂极性-活性成分-光电性能的构效关系。所开发的正己烷提取工艺简单高效，为生物质资源的高值化利用提供了范例。虽然天然染料的效率仍低于钌基染料，但其环境友好、成本低廉的优势为DSSC的大规模应用开辟了新途径。未来通过提取工艺优化和分子结构修饰，有望进一步提升基于植物提取物的光伏器件性能。