本文的主要作者包括 T. M. W. J. Bandara、M. Furlani、I. Albinsson、Angela Wulff 和 B.-E. Mellander，他们分别隶属于查尔默斯理工大学（Chalmers University of Technology）、哥德堡大学（University of Gothenburg）及斯里兰卡佩拉德尼亚大学（University of Peradeniya）。该研究成果发表在 Nanoscale Advances 期刊的 2020 年第2卷，总第199页，文章的 DOI 为 10.1039/C9NA00679F。
染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs）因其低成本与绿色制造工艺，以及在低光环境下的高效率而受到广泛关注。当前，为提升DSSCs的光收集效率，常采用将无机或有机纳米结构材料集成到光电极中的方法。这些材料不仅能够改善波导效应和电子传输，还能通过提高电极中染料的吸附能力，增强散射和捕捉光线的能力。然而，设计和制造具有理想光学性质的复杂三维光子和纳米结构材料始终是一项挑战，工艺复杂且成本昂贵。
自然界却以一种低成本的方式提供了解决思路。例如，硅藻壳（diatom frustules）是一种由硅酸盐构成的三维生物纳米结构，其复杂的种类特异性图案和形态被认为能够有效地收集可见光以辅助光合作用。由于硅藻壳广泛存在于各类水体中，非常易于获取和提取，且成本较低，其在DSSC中应用的潜力值得探讨。本研究的重点是基于硅藻壳的轻量光学捕获性质，探索将其整合至DSSC光电极中，从而提升准固态DSSC的效率。
硅藻壳提取与处理
本研究使用由瑞典藻类工厂提取和纯化的硅藻壳（批次 K632），材料以冻干形式提供。硅藻壳被混合到二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒浆料中，以一定比例混合。
光电极的分层制备
光电极分为单层和双层设计。基础层使用由TiO₂ 纳米颗粒（平均粒径14纳米）制备的浆料，仅包含TiO₂颗粒；而高级层则通过将TiO₂颗粒和1%质量分数的硅藻壳混合后制备。所有涂层通过旋涂技术形成，并依次经过空气干燥和450℃高温煅烧处理。分层式光电极按照不同组合方案被安装在透明导电氧化物玻璃（FTO, sheet resistance 7 ohm/square）基板上。
完成煅烧处理后，光电极涂层浸入N719染料的乙醇溶液中24小时，待染料充分吸附后，清除未吸附的染料分子并进行下一步实验。
为了确保电池稳定性并避免使用易挥发的液态电解质，本文引入了一种基于聚丙烯腈（PAN）的凝胶聚合物电解质。该电解质含有乙二醇碳酸酯（EC）、丙二醇碳酸酯（PC）、多种碘化盐（包括RbI和Hex₄NI）及少量碘分子。在制备过程中，需要将混合物在100℃搅拌至完全均匀，后续冷却以形成凝胶状电解质。
最终的太阳能电池通过夹层组装完成，即将含凝胶电解质的光电极与铂涂层玻璃片（对电极）夹紧在一起形成电池。
电池在1日光（1000 W/m²）照射下测试，采用电位扫描方式评估电流–电压（J–V）特性及其他光电性能参数。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）观察光电极层的纳米结构分布及形貌。
无硅藻壳的单层TiO₂光电极表现出良好的短期稳定性。在连续3小时的光照测试中，短路电流密度（Jsc）从6.2 mA/cm²缓慢提升到7.0 mA/cm²，开路电压（Voc）略微下降，最终能量转换效率为约3.0%。
通过增加额外的TiO₂涂层，光电极增厚以提升染料吸附能力。相较单层电极，双层电极的Jsc提高至7.5 mA/cm²，最终效率增至3.34%，约提升10%。
硅藻壳被添加到第二层光电极中，贡献了显著的性能提升。Jsc从9.36 mA/cm²测试初始增加到9.62 mA/cm²，并在测试稳定期呈现平均值9.58 mA/cm²。能量转换效率增强了39%，达到4.65%。这一提升归因于硅藻壳的光波导及光子局域化效应，使染料分子对光子捕获的可能性显著提高。
SEM图像表明，在含硅藻壳的电极涂层中，TiO₂颗粒能够均匀包裹硅藻壳。硅藻壳的多孔纳米结构被TiO₂颗粒填充，表面覆盖紧密，无显著裂缝。模型推测，光子通过硅藻壳产生多次反射并集中传递给周围的染料，从而增强了光子收集效率。
本研究通过将硅藻壳整合到准固态DSSC光电极中，充分利用了生物纳米结构优秀的光捕获性能，不仅显著提高了转换效率，还强化了DSSCs作为可持续、稳定光伏器件的实用性。同时，这也是首次在准固态DSSC中引入天然生物纳米结构的尝试，为今后低成本和高稳定性太阳能电池技术的开发提供了新方向。
硅藻壳的使用开辟了借助生物材料改进光伏器件性能的全新途径。未来研究可以深入探讨硅藻壳形态对光子管理的优化，以及进一步提高其电子输运能力的技术，为更高效率和更低成本的商业化太阳能电池的开发铺路。