Wirkung von Polyethylenglykol auf die NiO-Photokathode

Hintergrund

Solarenergie weist aufgrund ihrer Sauberkeit, hohen Leistung, schnellen Verarbeitung und breiten Verfügbarkeit Potenzial als primäre Energiequelle der Zukunft auf [1, 2]. Seit der Entwicklung von Solarzellen in den letzten 30 Jahren haben sich sensibilisierte Solarzellen zu effizienten Geräten zur Nutzung der Sonnenenergie entwickelt. Diese Studien konzentrieren sich jedoch auf n-Typ-Solarzellen, die auf einer sensibilisierten n-Typ-Photoanode basieren, z. B. TiO₂ , ZnO und SnO₂ [2,3,4,5,6]. Die Kurzschlussstromdichte war größer als 15 mA cm ⁻² , und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad betrug ungefähr 13% [5]. Er et al. berichteten über die Verwendung von farbstoffsensibilisierten Tandemsolarzellen (DSSCs) vom p-n-Typ [7], die möglicherweise eine höhere Leerlaufspannung (OCV) und einen höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad bieten. Nakasaet al. haben eine OCV von 0,918 V durch die Kombination von Merocyanin NK-2684-sensibilisiertem NiO und TiO₂ . berichtet Photoanode [8]. Nattestadet al. berichteten über eine Verringerung der Ladungsrekombination der NiO-Photokathode durch die Optimierung von Donor-Akzeptor-Farbstoffen und erreichten eine absorbierte Photon-zu-Elektron-Umwandlungseffizienz von mehr als 90 % über einen Spektralbereich von 400–500 nm [9], mit an Leerlaufspannung von 1079 mV. Dieser Wert ist der höchste Wert, der bisher für Tandem-DSSCs vom p-n-Typ berichtet wurde.

Um höhere Photoströme zu erzielen, die mit n-Typ-Photoanoden vergleichbar sind, besteht eine Möglichkeit darin, eine neue p-Typ-Kathode herzustellen [10, 11]. Ein anderer Weg besteht darin, dicke mesoporöse Photokathoden herzustellen, die zum Adsorbieren einer großen Menge an Farbstoffmolekülen bevorzugt sind. Es wurden einige Versuche unternommen, die Dicke von NiO-Filmen zu verbessern; die erzeugte Photostromdichte ist jedoch immer noch um eine Größenordnung geringer als die für n-Typ-DSSCs beobachtete, und dicke Filme leiden oft an schlechter mechanischer Stabilität. Wuet al. haben NiO-Filme nach der Hydrothermalmethode hergestellt und ihre Eigenschaften durch die Optimierung der Filmdicke und der spezifischen Oberfläche verbessert [12]. Qu et al. haben geschichtete NiO-Filme aus zerknitterten porösen NiO-Nanoblättern hergestellt und über signifikant verbesserte Photoströme und Photospannungen berichtet [13]. Zhanget al. haben die Photospannung durch die Anwendung von hochkristallinem NiO verbessert [14]. Powaret al. einen hohen Photostrom von 7,0 mA cm ⁻² . erhalten haben Verwendung nanostrukturierter NiO-Mikrokugeln als aktive Materialien für die Photokathode [15]. Sumikuraet al. haben nanoporöse NiO-Filme durch Hydrolyse von NiCl₂ . hergestellt in einer gemischten Wasser/Ethanol-Lösung unter Verwendung einer Reihe von Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyethylenoxid (PEO-PPO-PEO)-Triblockcopolymeren als Templat [16]. Sie untersuchten die Effekte des PEO-PPO-PEO-Templats im Detail. Liet al. haben die von Sumikura et al. und stellten dicke NiO-Filme durch ein zweistufiges Rakelverfahren her [17]. Sie erreichten eine Rekord-Photonen-Strom-Effizienz (IPCE) von 64 % und einen Kurzschlussstrom (J _SC ) von 5,48 mA cm ⁻² . Der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad der p-Typ-NiO-Elektrode wird jedoch unter Verwendung verschiedener Farbstoffe zwischen 0,02 und 0,3% gehalten. In diesem Experiment wurden Vorstufenlösungen von NiO unter Verwendung von F108 (Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Polyethylenoxid (PEO-PPO-PEO)-Triblockcopolymeren, MW:ca. 14.600) als Templat nach der Methode von Sumikura et al. hergestellt. Der Precursorlösung wurde Polyethylenglykol (PEG; MW:ca. 20.000) zugesetzt und dessen Auswirkungen auf den NiO-Film detailliert untersucht. Schließlich wurde auch eine p-n-Typ-Quantenpunkt-(QD)-sensibilisierte Tandem-Solarzelle montiert.

Experimentell

Eine Vorläuferlösung von NiO wurde gemäß einer früher beschriebenen Methode hergestellt [17]. Zuerst wasserfreies NiCl₂ (1 g) und F108 (1 g) wurden in einer Mischung aus entionisiertem Wasser (3 g) und Ethanol (6 g) gelöst. Zweitens wurde die Lösung 3 Tage ruhen gelassen. Drittens wurde der NiO-Vorläuferlösung ein spezifischer Gehalt an Polyethylenglycol (MG 20.000) zugesetzt. Als nächstes wurde die Mischung 4 h gerührt und bei 8000 rad/min zentrifugiert. Der PEG-Gehalt wurde auf 0,03, 0,075, 0,15 und 0,3 g kontrolliert. Die obige Lösung wurde auf einem fluordotierten Zinnoxid (FTO)-Glassubstrat durch das Rakelverfahren abgeschieden und bei Raumtemperatur getrocknet. Die Filme wurden bei 400 °C für 30 Minuten unter Luft gesintert. CdSeS-QDs wurden durch Heißinjektionssynthese gemäß früheren Experimenten unserer Gruppe hergestellt [18]. Die präparierten NiO-Filme wurden mit CdSeS-QDs elektrophoretisch unter Verwendung eines Acetonitril/Toluol-Gemischs (1:2,5 v .) sensibilisiert /v ) Lösung durch Anlegen einer Gleichspannung von 50 V für eine bestimmte Zeit. TiO₂ Filme wurden mit CdS/CdSe unter Verwendung der konventionellen sukzessiven Ionenschichtadsorptions- und Reaktionsmethode (SILAR) [19] cosensibilisiert. QD-sensibilisiertes TiO₂ Filme wurden als Anode anstelle von CuS verwendet, um p-n-Typ-QD-sensibilisierte Solarzellen aufzubauen.

Die Morphologie der NiO-Filme wurde unter Verwendung eines JSM-7001F-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM) untersucht. Photostromdichte–Spannung (J –V ) wurden mit einem Keithley 2440 Source Meter unter AM 1,5 G Beleuchtung von einem Newport Oriel Sonnensimulator mit einer Intensität von 1 Sonne gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Der NiO-Film wurde durch das Rakelverfahren hergestellt. Der Film würde sich im Fall der NiO-Vorläuferlösung ohne PEG ablösen, wenn die Beschaufelungszeit länger als das Vierfache war. Abbildung 1a, c, e zeigen die Oberflächen- und Kreuzmorphologie der vierfach geschaufelten NiO-Filme. Die NiO-Filme, die mehrere Mikroschluchten aufwiesen, rollten sich vom FTO-Substrat auf. Abbildung 1b, d, f zeigt die Oberfläche und den Querschnitt der mit PEG hergestellten NiO-Filme. Die Filme wurden siebenmal mit Klingen versehen. Es wurden fast keine Risse in den NiO-Filmen beobachtet. Die Teilchengröße war geringer als die des ohne PEG hergestellten NiO-Films. Außerdem wurden deutliche Veränderungen in den Querschnitten dieser beiden NiO-Filme beobachtet, die mit oder ohne PEG hergestellt wurden. Der unter Verwendung der NiO-Vorläuferlösung ohne PEG hergestellte NiO-Film bestand offensichtlich aus Nanoschichten. Tatsächlich sollten diese Nanoblätter als gekräuselte NiO-Filme erscheinen, die sich vom FTO-Substrat ablösen könnten. Die unter Verwendung der NiO-Vorläuferlösung mit PEG hergestellten NiO-Filme umfassten jedoch mehrere Schichten, wobei jede NiO-Filmschicht an die anderen Schichten gebunden war. Es gab keine offensichtlichen Risse zwischen den verschiedenen Schichten mit einer Dicke von ungefähr 2,6 μm. PEG könnte zwei Auswirkungen auf den Bildungsprozess des NiO-Films haben. Einer war, dass PEG die Verbindung zwischen diesen NiO-Partikeln verbessern und das Auftreten von Rissen beim Trocknungsprozess verringern könnte, nachdem die NiO-Gele auf das FTO-Substrat aufgetragen wurden. Inzwischen kann PEG als strukturdirigierendes Mittel verwendet werden. Die Zugabe von PEG kann die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen des NiO-Films verbessern.

REM-Aufnahmen der NiO-Filme:a , c , und e wurden aus der Vorläuferlösung ohne Polyethylenglykol hergestellt. b , d , und f wurden aus der Vorläuferlösung mit Polyethylenglykol hergestellt

Die hergestellten NiO-Filme mit zwei Schichten wurden mit CdSeS-QDs durch elektrophoretische Abscheidung sensibilisiert. Die Photostrom-Spannung (J –V ) wurden Kurven bei einer Intensität von 1 Sonne mit dem Newport Oriel Sonnensimulator als Lichtquelle aufgenommen. Abbildung 2 zeigt die J–V so erhaltene Kurven. Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, wurde durch die Zugabe von 0 bis 0,15 g PEG die Umwandlungseffizienz von 0,08 auf 0,32 % deutlich verbessert. Das OCV, J _SC , und der Füllfaktor (FF) für die beste NiO-Photokathode betrug 0,158 V, 4,40 mA cm ^–2 , bzw. 0,46. Bei einer Änderung des PEG-Gehalts von 0,15 auf 0,3 g würde die Eigenschaft stark abfallen. Daher beeinflusste die Konzentration von PEG in der NiO-Vorläuferlösung die Eigenschaft der NiO-Kathode signifikant.

Stromdichte-Spannungs-Kennlinien der NiO-Photokathoden mit unterschiedlichem PEG-Gehalt in der Precursorlösung

Die Auswirkungen der NiO-Filmdicke wurden ebenfalls untersucht. In diesem Experiment wurde der PEG-Gehalt auf 0,15 g festgelegt. Abbildung 3 zeigt die Kurven der photoelektrischen Eigenschaften. Mit der Zunahme der Filmdicke von 0,6 auf 2,1 μm werden OCV und J _SC erhöht. Beide Faktoren neigten dazu, mit der weiteren Zunahme der Filmdicke abzunehmen. Der FF zeigte mit der Zunahme der Filmdicke fast keine Veränderungen. Diese schwachen Änderungen könnten mit der Zunahme der Photostromdichte zusammenhängen. Als Ergebnis erhöhte sich der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad mit der anfänglichen Verdickung des NiO-Films. Bei einer Filmdicke von mehr als 1,5 μm wurden schwache Veränderungen beobachtet, die mit der geringen Lochtransportrate und der kurzen Lochlebensdauer zusammenhängen [20].

Einfluss der Schichtdicke auf die photovoltaischen Eigenschaften der NiO-Photokathoden

Die vorbereitete NiO-Kathode wurde zusammen mit dem TiO₂ . zusammengebaut Anode zur Herstellung von QD-sensibilisierten p-n-Typ-Tandemsolarzellen. Abbildung 4 zeigt die J–V Kurven der NiO-Kathode und des TiO₂ Anode, sowie das Tandem TiO₂ (unten)/NiO (oben) und TiO₂ (up)/NiO(down) Solarzellen. Die p-n-Typ Tandemsolarzellen mit TiO₂ (down)/NiO(up)-Konfiguration zeigte eine signifikant verbesserte OCV im Vergleich zur getrennten NiO-Kathode oder TiO₂ Anode. Die photoelektrische Umwandlungseffizienz betrug 0,43 % bei einem OCV von 0,594 V, J _SC von 2,0 mA cm ⁻² , und ein FF von 0,36. Dies ist die erste Studie über QD-sensibilisierte p-n-Typ Tandemsolarzellen. Die J _SC der Tandemsolarzellen war deutlich geringer als die der NiO-Kathode und TiO₂ Anode. Außerdem war die photoelektrische Umwandlungseffizienz geringer als die der NiO-Kathode und TiO₂ . Anode. In Zukunft sollten weitere Studien durchgeführt werden, um die hohe Leistung von QD-sensibilisierten p-n-Typ-Tandemsolarzellen zu verbessern.

Stromdichte-Spannungs-Kennlinien von p-n-Typ-Quantenpunkt-sensibilisierten p-n-Typ-Tandemsolarzellen

Schlussfolgerung

Polyethylenglycol (PEG) wurde verwendet, um NiO-Filme herzustellen. Die Zugabe von PEG verringerte die Risse in den NiO-Filmen signifikant. Ein einheitlicher 2,6 µm dicker nanoporöser NiO-Film wurde hergestellt. Der optimierte photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad betrug 0,80 %. Der optimierte quantenpunktsensibilisierte NiO-Film wurde zuerst mit dem TiO₂ . aufgebaut Anode zu präparierten QD-sensibilisierten p-n-Typ-Tandemsolarzellen. Die Leerlaufspannung (OCV) war höher als die der getrennten NiO-Kathode oder TiO₂ Anode. Das TiO₂ (down)/NiO(up)-Tandemsolarzellen lieferten eine photoelektrische Gesamtumwandlung von 0,43 % bei einem OCV, einer Kurzschlussstromdichte und einem Füllfaktor von 0,594 V, 2,0 mA cm ⁻² , bzw. 0,36.