Leistungssteigerung von CdS/CdSe-Quantenpunkt-sensibilisierten Solarzellen mit (001)-orientierter Anatas-TiO2-Nanoblätter-Photoanode

Hintergrund

In den letzten Jahren haben quantenpunktsensibilisierte Solarzellen (QDSSCs) als vielversprechende Alternativen zu farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Zu den spezifischen Vorteilen von Quantenpunkten (QDs) gegenüber organischen Farbstoffen und Farbstoffen auf Ru-Basis gehören ein größerer Extinktionskoeffizient, eine einstellbare Energiebandlücke durch Kontrolle der Punktgröße und der chemischen Zusammensetzung, eine höhere photonische und chemische Stabilität sowie die Möglichkeit zur Erzeugung mehrerer Exzitonen und zur Übertragung heißer Ladungsträger [1,2,3,4]. Theoretisch können QDSSCs die Licht-zu-Elektrizitäts-Umwandlungseffizienz über die Shockley-Queisser-Grenze von 32 % hinaus steigern [5].

Das photoelektrische Umwandlungsschema von QDSSCs ähnelt dem von DSSCs, verwendet jedoch anorganische Nanokristalle anstelle von organischen Farbstoffen als Lichtabsorber. Im Allgemeinen bestehen QDSSCs aus einem QD-beschichteten Metalloxid als Photoanode, Polysulfidkomplex (S ²⁻ /S _x ²⁻ ) als flüssiger Redoxelektrolyt und Pt-Metall als Gegenelektrode. Viele Arten von Halbleiter-QDs mit schmaler Bandlücke, wie CdS, CdSe, CdTe und PbS, wurden als Lichtabsorber im Bereich des sichtbaren Lichts verwendet [6,7,8,9,10]. Um den Lichtabsorptionsbereich zu erweitern und die Ladungsträgerinjektion in QDSSCs zu erleichtern, werden die QDs mit geeigneter Energieniveauanpassung, wie CuInS₂ /CdS [11, 12], CdTe/CdSe [13] und CdS/CdSe [14,15,16,17,18,19,20,21] wurden kombiniert, um QD-Co-Sensibilisatoren mit Kern/Schale-Struktur zu bilden . Unter diesen wurden die CdS/CdSe-Kern/Schale-Struktur-QDs aufgrund ihrer relativen Stabilität und einfachen Synthese umfassend untersucht, und die resultierenden Zellen zeigten im Allgemeinen Leistungsumwandlungseffizienzen von < 5%. Gegenwärtig weisen die berichteten leistungsstärksten QDSSCs aufgrund der starken Ladungsrekombination und der geringen QD-Bedeckung der Photoanoden noch moderate Leistungsumwandlungseffizienzen von 6–8 % auf [10, 13, 22, 23]. Um die Leistung von QDSSCs weiter zu verbessern, konzentrierte sich die vorliegende Strategie auf die Verwendung mesoporöser Metalloxide als Photoanodenmaterialien, um den Elektronentransport, das Lichtsammeln und die QDs-Beladung zu verbessern.

Sowohl in QDSSCs als auch in DSSCs ist TiO₂ ist aufgrund seiner hohen Effizienz, geringen Kosten und ausgezeichneten chemischen Stabilität ein bevorzugtes poröses Photoanodenmaterial [24]. Es ist bekannt, dass die Leistung von TiO₂ -basierte Photovoltaik ist stark abhängig von der Morphologie und Kristallstruktur von TiO₂ , und das verfügbare Anatas TiO₂ Nanopartikel (NPs) werden meist von den thermodynamisch stabilen (101) Facetten dominiert [25]. Theoretische und experimentelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die (001)-Facetten viel aktiver sind als die thermodynamisch stabilen (101)-Oberflächen [26], die für die Farbstoff- oder QD-Absorption günstig sind und die Ladungsrekombination verzögern [27,28,29 ]. Außerdem wurde bestätigt, dass die Bandkante der (001)-Facetten niedriger ist als die der (101)-Facetten, was für die Spannungserhöhung vorteilhaft ist [30].

Verschiedene TiO₂ Nanostrukturen mit stark (001)-exponierten Facetten, einschließlich Nanosheets (NSs), Hohlkugeln und Nanotubes [31,32,33,34], wurden im DSSCs-System verwendet. Insbesondere der Anatas TiO₂ NS mit einem hohen Anteil an (001)-exponierten Facetten weisen nachweislich einzigartige Oberflächenstruktureigenschaften auf, die möglicherweise zu Leistungssteigerungen bei der Wasserspaltung, Photokatalyse und Lithium-Ionen-Batterien führen [31, 35, 36]. Nach unserem besten Wissen gibt es jedoch viel weniger Berichte über die Verwendung des neuartigen (001) facettierten TiO₂ Nanoblattstruktur im QDSSCs-System [28]. In dieser Arbeit präsentieren wir eine vergleichende Studie zu den photovoltaischen Leistungen des TiO₂ NS- und NP-basierte CdSe/CdS-QDSSCs. Das TiO₂ NS mit stark (001)-exponierten Facetten wurden über eine hydrothermale Methode hergestellt [37], während das TiO₂ NPs verwendeten das kommerzielle Degussa P-25. Wir haben festgestellt, dass die Porengröße, spezifische Oberfläche und Porosität von TiO₂ NSs waren im Allgemeinen denen von P-25 überlegen. Das resultierende TiO₂ NS-basierte CdSe/CdS-QDSSC wies eine Energieumwandlungseffizienz von 4,42% auf, die im Vergleich zur P-25-basierten Referenzzelle unter ähnlichen Herstellungsbedingungen um bis zu 54% deutlich verbessert wurde.

Methoden

Vorbereitung von verschiedenen TiO₂ Photoanoden

Der Anatas TiO₂ NS mit stark (001)-exponierten Facetten wurden über eine hydrothermale Methode synthetisiert [37]. Kurz gesagt wurden 2,4 ml Fluorwasserstoffsäure (Aldrich, 48 Gew.-%) zuerst tropfenweise in 30 ml Titanbutoxid (Ti(OBu)₄ gegeben , Aldrich,> 97%, und die Mischung wurde in einen getrockneten, mit Teflon ausgekleideten Edelstahlautoklaven versiegelt. Der Syntheseprozess wurde dann 16 Stunden lang bei 180 °C in einem Elektroofen durchgeführt. Das resultierende TiO₂ NS-Niederschläge wurden durch Zentrifugation gesammelt und mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen. Zwei Arten von siebdruckfähigen Pasten, die TiO₂ NSs und kommerzielles P-25 wurden durch Mischen von 6 g TiO₂ . hergestellt NSs (oder P-25-Pulver), 20 ml Terpineol und 30 ml 10 Gew.-% Ethylcellulose (EC) in einem Rundboden-Rotationsverdampfer. Nach dem Beschallen und Konzentrieren wurden die resultierenden 13 Gew.-% homogenen Pasten durch Siebdruck auf die fluordotierten Zinnoxid (FTO) Glassubstrate (10 Ohm pro Quadrat, 2,2 mm Dicke) aufgetragen. Schließlich das siebgedruckte TiO₂ NSs und P-25 Photoanoden wurden bei 500 °C für 1 h in Luft getempert, um eine gute elektrische Leitung zu ermöglichen.

Ablagerung und Sensibilisierung von CdS/CdSe-QDs

Die Abscheidungsmethoden von QDs auf Metalloxiden in QDSSCs können in zwei Typen eingeteilt werden:(1) In-situ-Wachstum über den sukzessiven Ionenschicht-Absorptions- und Reaktionsprozess (SILAR) für CdS-QDs und zusammen mit der chemischen Badabscheidung (CBD) oder chemischer Gasphasenabscheidungsprozess für CdSe-QDs; und (2) Absorption von hergestellten QD-Kolloiden über modifizierte Liganden. Obwohl die letztgenannte Methode die QD-Größe und die Oberflächenmodifikation einfacher zu kontrollieren ist, hat das mit dem direkten Kontakt auf der Metalloxidmethode verbundene in-situ-Wachstum niedrigere Herstellungskosten [17]. In dieser Arbeit werden die beiden unterschiedlichen Photoanoden TiO₂ NSs und P-25 wurden auch in situ mit CdS- und CdSe-QDs unter Verwendung des SILAR- bzw. CBD-Verfahrens sensibilisiert. Für die Abscheidung von CdS-QDs wurden zwei separate Vorläuferlösungen hergestellt:20 mM CdCl₂ und 20 mM Na₂ S wurden in einer Mischung aus Methanol und entionisiertem Wasser (1:1, v /v) als Kationen- bzw. Anionenquelle. Sowohl das TiO₂ NSs und P-25-Photoanoden wurden zuerst in das Cd ²⁺ . getaucht Precursorlösung für 1 min und dann in die S ²⁻ . getaucht Vorläuferlösung für 1 min. Vor jedem Eintauchen wurden die Photoanoden mit Methanol gespült und anschließend mit N₂ . getrocknet fließen. Diese Verfahren wurden mehrere Zyklen wiederholt, um eine geeignete CdS-QD-Schicht zu bilden. Für die anschließende Abscheidung von CdSe-QDs auf den CdS-QDs wird das TiO₂ /CdS-Photoanoden wurden in eine wässrige Lösung getaucht, die aus 2.5 mM Cd(CH₃ COO)₂ , 2.5 mM Na₂ SeSO₃ und 75 mM NH₄ OH. Der Abscheidungsprozess wurde 1 Stunde lang bei 70 °C gehalten. Die Beladung der CdSe-QDs wurde durch Anpassen der Anzahl der Reaktionszyklen gesteuert.

Zusammenbau und Charakterisierung von QDSSCs

Die verschiedenen TiO₂ basierte CdS/CdSe-QDSSCs wurden in einer konventionellen Sandwichstruktur aufgebaut. Das platinbeschichtete FTO-Glas und CdS/CdSe-QDs sensibilisiertes TiO₂ Photoanoden wurden miteinander versiegelt und mit einem 25 µm heißschmelzenden Polymerabstandshalter (DuPont Surlyn) getrennt. Der Polysulfid-Elektrolyt, der aus 0,2 M Na₂ . bestand S, 0,2 M S und 0,02 M KCl in wässriger Lösung wurden in den Raum zwischen den Elektroden injiziert. Die aktive Fläche aller QDSSCs betrug ~ 0,16 cm ² (~ 0,4 cm × 0,4 cm).

Alle CdS/CdSe-QDSSCs wurden mit Feldemissions-Rastermikroskopie (FE-SEM, JEOL JSM-6500F), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, JEOL JEM-3000F und Hitachi HT7700) und streifender Röntgenbeugung (GIXRD, PANalytical X .) charakterisiert 'Pert PRO MPD). Die Beladungen von QDs auf den verschiedenen TiO₂ Photoanoden wurden mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (ICP-MS, Agilent 7500ce) abgeschätzt. Die Strom-Spannungs-Kennlinien und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)-Messungen der Photovoltaikzellen wurden unter simulierter Ein-Sonnen-Beleuchtung (100 mW/cm ² .) durchgeführt , AM 1,5 G). Das in Stromeffizienz (IPCE) umgewandelte einfallende Photon wurde unter Verwendung einer 150-W-XQ-Lampe mit einem Monochromator im Gleichstrommodus gemessen. Die optische Extinktion wurde mit einem UV-VIS-Spektrophotometer (Jasco V-670) mit einer Wolfram-Halogenlampe durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

In dieser Studie wurde der Anatas TiO₂ NSs mit stark (001)-exponierten Facetten wurden über eine hydrothermale Methode als Photoanoden von QDSSCs hergestellt. Ihre Leistungen wurden untersucht, diskutiert und mit der kommerziellen nanoporösen Degussa P-25 Photoanode verglichen. Die Kristallstruktur und Zusammensetzung von TiO₂ NS wurden durch Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Wie in Abb. 1a gezeigt, sind alle identifizierten Peaks von TiO₂ NSs können zu einem reinen Anatas-TiO₂ . indiziert werden Phase mit tetragonaler Struktur und Raumgruppe I4₁ /amd (JCPDS-Karten, Nr.71-1169), wobei keine Rutilphase beobachtet wird. Die Reflexionspeaks (004) und (200) repräsentieren die c - und a -Achsen bzw. Der verstärkte scharfe (200)-Peak weist auf gut kristallisiertes TiO₂ . hin Entlang der a . gewachsene NS -Achse. Ein typisches FE-REM-Bild von P-25 ist in Abb. 1b gezeigt. Die FE-REM- und TEM-Bilder von TiO₂ NSs sind in Fig. 1c bzw. d gezeigt, die die wohldefinierte Blattform mit einer durchschnittlichen Seitenlänge von 50 nm und einer Dicke von 5 nm darstellen. Das hochauflösende TEM-Bild (Einschub in Abb. 1d) zeigt die Seitenansicht eines einzelnen TiO₂ . NS-Kristall. Der Gitterabstand von 0,235 nm kann direkt beobachtet werden, was den (001)-Ebenen des Anatas TiO₂ . entspricht NS. Die Analyse der obigen Ergebnisse zeigt ~ 70 % von TiO₂ NSs bestehen aus den exponierten (001)-Facetten (siehe zusätzliche Datei 1). Im Gegensatz dazu beträgt der Prozentsatz der exponierten (001)-Facetten beim P-25 weniger als 10 %, wobei über 90 % von den (101), (110) usw.-Facetten dominiert werden. Die spezifische Oberfläche und Porengrößenverteilung des TiO₂ NSs und P-25 Photoanoden wurden unter Verwendung von Stickstoffabsorptions- und -desorptionsisothermen untersucht. Wie in Abb. 2 gezeigt, ist die Isotherme eines TiO₂ Die NS-Photoanode wird basierend auf der Brunauer-Deming-Deming-Teller (BDDT)-Klassifikation als Typ IV identifiziert [38]. Die entsprechende Hystereseschleife beim hohen Relativdruck (P /P _o ) Bereich von 0.75–1 gehört zum Typ H3, was auf das Vorhandensein von schlitzartigen Mesoporen und Makroporen hinweist. Diese Arten von porösen Strukturen ergeben eine relativ große Oberfläche und ein großes Gesamtporenvolumen. Die BET-spezifische Oberfläche wurde mit ~ 52,8 cm ² . bestimmt g ⁻¹ , basierend auf der Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Porengrößenverteilung, wie im Einschub von Abb. 2 gezeigt. Tabelle 1 fasst die detaillierten Informationen über die Oberflächenstrukturen von TiO₂ . zusammen NS und P-25. Die relativ größere Kristallgröße, höhere Porengröße und größere Oberfläche von TiO₂ NSs sind vorteilhaft für die Absorption der CdS/CdSe-QDs.

a XRD-Muster von bloßem TiO₂ NS und P-25. b , c REM-Bilder von nacktem TiO₂ NSs bzw. P-25. d TEM- und HRTEM-Bilder (Einfügen) von nacktem TiO₂ NS

Stickstoffabsorptions-Desorptions-Isothermen und Porengrößenverteilungen (Einfügung) von bloßem TiO₂ NSs und P-25

Die kaskadierten CdS/CdSe-QDs wurden aufgrund ihres breiten Absorptionsbereichs und ihrer guten Elektronentransferdynamik häufig als Co-Sensibilisatoren für die QDSSCs verwendet [39]. In dieser Arbeit wurden zunächst die Auswirkungen der Beschichtungszyklen der SILAR (für CdS QDs) und CBD (für CdSe QDs) Prozesse untersucht und die Ergebnisse zeigten die optimalen Beschichtungszyklen von 8 und 2 für die CdS und CdSe QDs Abscheidungen, bzw. Nach der Abscheidung der kaskadierten CdS/CdSe-QDs durch den zweistufigen Abscheidungsprozess wird die Farbe des TiO₂ NS-Film verfärbte sich von weiß nach dunkelbraun. Abbildung 3a zeigt ein TEM-Bild des CdS/CdSe-QD-sensibilisierten TiO₂ NSs, die vom FTO-Glassubstrat abgeschabt wurden. Es ist zu sehen, dass die Oberfläche von TiO₂ . mit dichten CdSe-Nanokristallen beschichtet ist NS ohne offensichtliche Aggregation. Darüber hinaus sind die Gittersäume von CdSe-QDs im hochauflösenden TEM-Bild in Abb. 3b deutlich zu erkennen, was auf die hohe Kristallinität von CdSe-QDs mit einer Korngröße von 4–6 nm hinweist.

a TEM und (b ) HRTEM-Bilder von CdS/CdSe-sensibilisiertem TiO₂ NS

Abbildung 4 zeigt die UV-VIS-Absorptionsspektren des CdS/CdSe-QD-sensibilisierten TiO₂ NSs- und P-25-Elektroden, hergestellt unter ähnlichen Abscheidungsbedingungen. Die exzitonischen Absorptionspeaks, die normalerweise bei kolloidalen QDs beobachtet werden, wurden auch hier aufgrund der breiten Größenverteilung der QDs nachgewiesen, die durch die SILAR- und CBD-Prozesse hergestellt werden. Die entsprechenden Bandlücken der CdS- und CdSe-QDs sind an den Absorptionskanten noch mit 2.67 bzw. 1.78 eV zu erkennen. Offensichtlich sind diese Werte höher als die von CdS (2.25 eV) und CdSe (1.7 eV), was darauf hindeutet, dass die Partikelgrößen der beiden Nanokristalle selbst nach den sequentiellen chemischen Abscheidungen noch im Bereich der Quantenbeschränkung liegen. Im sichtbaren Bereich eine höhere Absorption für das TiO₂ Es wird eine NS-Elektrode im Vergleich zur P-25-Elektrode beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Ladungen von CdS- und CdSe-QDs auf dem TiO₂ NSs sind höher als beim P-25. Darüber hinaus wurde ICP-MS verwendet, um die qualitative QDs-Beladung der beiden verschiedenen Arten von TiO₂ . zu erhalten Photoanoden. Durch Analyse der Ergebnisse von BET und ICP-MS wurde die Oberflächenkonzentration von CdS-QDs absorbiert auf dem TiO₂ NS (5,44 × 10 ⁻⁹ mol cm ⁻² ) ist höher als beim P-25 (4,59 × 10 ⁻⁹ mol cm ⁻² ). Dies verifiziert die reaktiven (001) Facetten von TiO₂ NSs können effektivere Bindungsstellen für CdS-QDs bereitstellen, wodurch eine höhere Absorption von CdSe-QDs auf CdS-QDs erreicht wird. Als Ergebnis wird die Oberflächenkonzentration von CdSe-QDs auf dem TiO₂ Die NS-Photoanode ist auch höher als die der P-25 (4,57 × 10 ⁻⁹ mol cm ⁻² vs. 3,77 × 10 ⁻⁹ mol cm ⁻² ), was mit den zuvor berichteten Ergebnissen übereinstimmt [15]. Die hoch (001)-exponierten Facetten von TiO₂ NSs verbessern offenbar die Oberflächenkonzentration von CdSe/CdS-Co-Sensibilisatoren und erhöhen somit die Lichtausbeute der resultierenden QDSSCs. Die photovoltaische Leistung des TiO₂ NS- und P-25-basierte CdSe/CdS-QDSSCs wurden untersucht, indem ihr Strom-Spannungs-Verhalten unter der simulierten Ein-Sonnen-Beleuchtung (100 mW cm ⁻² , AM 1,5 G). Das TiO₂ Die untersuchten NSs- und P-25-Photoanoden sind beide ~ 10 μm dick. Die J -V Charakteristiken und Wirkungsgrade der einfallenden Photonen-zu-Elektronen-Umwandlung der beiden QDSSCs sind in Abb. 5 dargestellt und ihre detaillierten photovoltaischen Parameter sind in Tabelle 2 tabellarisch aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass der TiO₂ NS-basierte QDSSC erreichten eine größere Leerlaufspannung (V _oc ) von 0,58 V, eine höhere Kurzschlussstromdichte (J _sc ) von 15,07 mA cm ⁻² , und eine bessere Konversionseffizienz (η ) von 4,42% im Vergleich zum P-25-basierten QDSSC (V _oc = 0.52 V, J _sc = 11,75 mA cm ⁻² , und η = 2,86%). Das TiO₂ NS-basiertes QDSSC zeigt ein um 60 mV größeres V _oc als die P-25-basierte Zelle. Diese Erhöhung der Leerlaufspannung im TiO₂ NS-basierte QDSSC können auf die negative Verschiebung des Flachbandpotentials für die (001)-Facetten zurückgeführt werden [30]. Andererseits ist bekannt, dass die J _sc ist proportional zur auf dem Metalloxid absorbierten Lichtmenge. Daher ist das größere J _sc im TiO₂ NS-basiertes QDSSC stimmt mit dem Ergebnis der ICP-MS überein und bestätigt, dass die reaktiven Anatas (001)-Facetten das Laden von Quantenpunkten pro Flächeneinheit begünstigen. Somit ist die Verwendung von hochreaktivem TiO₂ NSs als Photoanoden können die Photoströme des TiO₂ . erheblich verbessern -basierte Photovoltaikanlagen. Darüber hinaus ist die größere Porengröße von TiO₂ NSs reduziert die Lichtstreuung im TiO₂ NS. Dies ermöglicht eine längere Distanz, die Licht innerhalb des TiO₂ . zurücklegen kann NSs, wodurch die Elektronenabsorptionswahrscheinlichkeit erhöht wird. Wie in Abb. 5b gezeigt, ist die IPCE-Spektrumskante des TiO₂ Das NS-basierte QDSSC befindet sich bei 675 nm, was im Vergleich zum P-25-basierten QDSSC leicht rotverschoben ist. Im Allgemeinen wird der IPCE-Wert durch die Lichtsammeleffizienz, die Ladungsinjektionseffizienz und die Ladungssammeleffizienz der Photoanode bestimmt. Das Ergebnis stimmt gut mit den UV-VIS-Absorptionsspektren überein, und die aus den IPCE-Kurven integrierten Photoströme stimmen gut mit dem J-V . überein Messungen. Im Vergleich zum P-25-basierten QDSSC ist das TiO₂ NS-basiertes QDSSC hat höhere IPCE-Werte im Messbereich von 300–800 nm, mit dem maximalen IPCE-Wert von ~ 75%.

UV-VIS-Absorptionsspektren von ~ 3-μm-dickem TiO₂ NSs und P-25, sensibilisiert durch CdS- und CdSe-QDs. Die Zahl in Klammern gibt die Beschichtungszyklen der Prozesse SILAR (für CdS) und CBD (für CdSe) an

(a ) J-V-Eigenschaften und (b ) IPCE-Spektren der TiO2-NSs und P-25-basierten QDSSCs

Die hochreaktive (001) Oberfläche von TiO₂ Es wurde verifiziert, dass NSs eine effektivere Oberfläche für die QD-Absorption bietet. Darüber hinaus ist TiO₂ Von NSs wird erwartet, dass sie die Oberflächenfallen und Rekombinationszentren am TiO₂ . reduzieren -NS/Elektrolyt-Grenzfläche für den Elektronentransport [37]. Um einen besseren Einblick in die Dynamik der Grenzflächen-Ladungstransfer- und Ladungstransportprozesse in den vorliegenden QDSSCs zu erhalten, wurden elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)-Messungen [40,41,42] durchgeführt. Abbildung 6a zeigt die Nyquist-Diagramme beider QDSSCs unter Einsonne-Beleuchtung bei der Leerlaufspannungsbedingung, in der die experimentellen Daten mit Symbolen dargestellt werden und die durchgezogenen Linien-Anpassungskurven mit der Zview-Software unter Verwendung des QDSSC-Ersatzschaltbildes wie gezeigt erhalten wurden in Abb. 6b. Die Anpassungsparameter des Elektronentransports sind in Tabelle 3 aufgeführt, wobei τ _eff ist die effektive Lebensdauer des Elektrons, R _w (=r _w .L ) ist der Elektronentransportwiderstand im TiO₂ , R _k (=r _k /L ) ist der Ladungstransferwiderstand bezogen auf die Rekombination von Elektronen am TiO₂ /Elektrolyt-Schnittstelle, D _n ist der effektive Elektronendiffusionskoeffizient, L _n ist die Elektronendiffusionslänge in TiO₂ , und L (~ 10 μm) ist die Dicke der Elektroden. D _n wird nach der folgenden Gleichung [43] geschätzt:

a Nyquist-Plots des TiO₂ NSs und P-25-basierte QDSSCs gemessen bei V _oc unter Ein-Sonnen-Beleuchtung. Einschub:die entsprechenden Phasen-Bode-Plots. b Das Ersatzschaltbild von QDSSCs, wobei R _s ist der Serienwiderstand; R _pt und C _pt sind der Ladungsübertragungswiderstand bzw. die Grenzflächenkapazität an der Pt/Elektrolyt-Grenzfläche; R _FT und C _FT sind der Widerstand und die Grenzflächenkapazität am FTO/TiO₂ Kontakt, bzw.; R _FTO und CPE_FTO sind der Ladungsübergangswiderstand bzw. das Konstantphasenelement der elektrischen Doppelschicht an der FTO/Elektrolyt-Grenzfläche

Aus den Phasen-Bode-Diagrammen, Einschub von Abb. 6a, können wir die charakteristische Spitzenfrequenz des QDSSC, f ., erhalten _Spitze , und die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante erster Ordnung für den Elektronenverlust, k _eff ≈ 2πf _max . Die τ _eff kann dann wie folgt geschätzt werden:

Das TiO₂ QDSSC auf NS-Basis hat eine niedrigere charakteristische Spitzenfrequenz im Vergleich zu QDSSC auf P-25-Basis, was auf die Elektronen im TiO₂ . hinweist NS können weiter diffundieren. Das Ergebnis zeigt, dass die Verwendung der Nanoblattstruktur den Elektronentransport begünstigt und die Ladungsrekombination unterdrückt. Die angepasste kleinere R _w und größer R _k für das TiO₂ Auch NS-basierte QDSSC bestätigen das Ergebnis. Das kleinere R _w für das TiO₂ NS-basiertes QDSSC weist darauf hin, dass das Verbindungsnetzwerk der hochkristallinen (001)-Flächen einen besser ausgerichteten Elektronenpfad bietet, der den Korngrenzflächeneffekt minimiert und den Elektronenverlust von TiO₂ . reduziert NSs zum FTO-Substrat. Ebenso zeigt das Anpassungsergebnis, dass das TiO₂ NS-basiertes QDSSC hat einen größeren R _k (28,26 Ω) als das P-25-basierte QDSSC (8,98 Ω). Das größere R _k bietet aufgrund der höheren Oberflächenbedeckung der QDs auf dem TiO₂ . einen höheren Widerstand für den Elektronenrekombinationsprozess NSs, was dazu führt, dass mehr Elektronen aus der Rückreaktion am freigelegten TiO₂ . überleben -NS/Elektrolyt-Schnittstelle. Frühere Berichte, die die ZnS-Passivierungsbehandlungstechnik bei den P-25-basierten QDSSCs verwendeten, zeigten ebenfalls ähnliche Ergebnisse [40]. Die entsprechende Elektronendiffusionslänge L _n von TiO₂ NSs wurden auf ~ 21 μm geschätzt, was zweimal länger ist als die von P-25. Außerdem ist das L _n von TiO₂ NSs ist viel länger als die Dicke der Photoanoden (21 µm vs. 10 µm), was bedeutet, dass die meisten der photogenerierten Elektronen ohne Rekombination gesammelt werden können. Die hohe Elektronensammeleffizienz im TiO₂ NS-Film wurde durch den hohen IPCE-Wert manifestiert.

Schlussfolgerungen

2D-Anatas-TiO₂ NS mit stark (001)-exponierten Facetten wurden durch einen einfachen hydrothermalen Prozess hergestellt und als Photoanoden für die CdS/CdSe-co-sensibilisierten Solarzellen verwendet (Abb. 5). Die TEM-Studie und die UV-VIS-Absorptionsspektren zeigen hochkristallines TiO₂ NS mit über 70 % (001) Facetten. Sowohl das TiO₂ NS- und P-25-basierte QDSSCs zeichnen sich durch die photovoltaische Leistung sowie die Dynamik des Elektronentransports und der Rekombination aus. Das TiO₂ NS-basierte QDSSC können eine Gesamtenergieumwandlungseffizienz von 4,42 % erreichen, was einer Verbesserung von 54 % im Vergleich zur P-25-basierten Zelle (2,86 %) unter ähnlichen Herstellungsbedingungen entspricht. Darüber hinaus kann im Wellenlängenbereich von 450–600 nm für das TiO₂ . ein IPCE-Wert von über 70 % erreicht werden NS-basierte QDSSC, zurückzuführen auf die höhere Lichtsammel- und Elektronensammeleffizienz des TiO₂ NS-Photoanode. Die EIS-Analyse bestätigt auch die dominanten (001) Facetten von TiO₂ NSs können die Leistungsumwandlungseffizienz des TiO₂ . dramatisch verbessern -basiertes CdS/CdSe-sensibilisiertes QDSSCs-System. Dieser Befund zeigt die Möglichkeit der Nutzung des (001)-orientierten TiO₂ NSs in kolloidaler QDSSC-Anwendung, da die QDs wahrscheinlich auf dem TiO₂ . verankert werden können NSs ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Linker (die Elektronentransferbarrieren zwischen den QDs und TiO₂ . darstellen in den meisten Fällen). Darüber hinaus ist die Verwendung von TiO₂ NSs in dieser Arbeit haben die folgenden Vorteile gezeigt:stabil, Massenproduktion, billig usw., da der Herstellungsprozess nicht kompliziert ist und keine teuren Zusatzstoffe benötigt.

Abkürzungen

CBD:

Chemische Badabscheidung

DSSCs:

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

FE-REM:

Feldemissions-Rastermikroskopie

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

ICP-MS:

Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma

IPCE:

Einfallendes Photon umgewandelt in Stromeffizienz

NPs:

Nanopartikel

NSs:

Nanoblätter

QDs:

Quantenpunkte

QDSSCs:

Quantenpunktsensibilisierte Solarzellen

SILAR:

Sukzessive Ionenschichtabsorption und Reaktion

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung