半纯化与粗提染料的光伏性能比较：Lonchocarpus cyanescens叶片天然敏化剂在染料敏化太阳能电池中的应用研究

本研究针对天然染料敏化太阳能电池(DSSC)效率优化问题，通过对比Lonchocarpus cyanescens叶片粗提与半纯化染料的性能，发现粗提染料效率(0.116%)显著高于半纯化染料(0.057%)。研究人员首次采用电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)验证了协同吸收物质在电荷传输中的关键作用，为天然染料在DSSC中的直接应用提供了重要依据。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，染料敏化太阳能电池(DSSC)因其低成本和环境友好特性成为研究热点。然而，传统钌基染料的高成本和环境风险促使科学家转向天然染料研究。尽管天然染料效率普遍较低，但最新研究表明，某些植物提取物可通过结构修饰达到与合成染料相当的性能。这一背景下，尼日利亚Ogun州Sikiru Adetona College of Education, Science and Technology化学系的研究团队选择西非特有植物Lonchocarpus cyanescens（当地称为"gara/adire"染色植物）作为研究对象，其叶片含有丰富的吲哚类化合物，历史上长期被用作织物染料。

研究人员通过对比粗提与半纯化染料的性能差异，首次揭示了天然染料中多组分协同作用对DSSC效率的影响机制。研究采用紫外-可见吸收光谱(UV-vis)分析染料光学特性，通过室外太阳光照射(AM 1.5G，1000 W/m²)测量I-V曲线计算转换效率，并创新性地运用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)解析电荷传输机制。

UV-vis吸收研究

吸收光谱显示粗提染料在410nm（叶绿素a）、536nm（花青素）和503nm（单宁）处存在特征峰。这些活性成分通过羟基/羰基与TiO₂表面结合，其中缩合单宁的邻苯二酚环能与Ti⁴⁺形成强配位，这是粗提染料性能优异的结构基础。

光伏性能

令人意外的是，粗提染料电池效率(0.116%)是半纯化染料(0.057%)的两倍，其短路电流密度(J_sc)达4.25 mA/m²，填充因子(FF)为0.626。这与同类植物Indigofera tinctoria的研究结果(0.114%)相符，证实了粗提物中多种成分的协同效应。

电化学行为

CV测试显示粗提电池的峰值电流响应(0.04 mA)显著高于半纯化电池(0.0261 mA)。EIS分析进一步表明，粗提电池的奈奎斯特图弧半径更小，电荷转移电阻(Rct)更低。Bode图中-8.1°的相位角（半纯化为-11.1°）说明粗提体系具有更长的电子寿命和更低的电荷复合率。

这项研究首次系统论证了Lonchocarpus cyanescens染料在DSSC中的应用潜力，其创新价值在于：1）发现粗提染料的性能优势源于多组分协同作用，颠覆了"纯化提高效率"的传统认知；2）建立了天然染料组成-电荷传输-光伏性能的关联模型；3）为开发低成本、环境友好的DSSC提供了新思路。论文发表在《Next Energy》，不仅为西非特色植物资源的高值化利用开辟了新途径，更对发展中国家开展本土化可再生能源研究具有示范意义。