Steigerung der Leistungsumwandlungseffizienz von Quantenpunkt-sensibilisierten Solarzellen durch die Integration des konzentrierenden Photovoltaikkonzepts mit Doppelphotoanoden

Einführung

Als eine Art vielversprechender und vergleichsweise kostengünstiger photoelektrischer Wandler haben Quantenpunkt-sensibilisierte Solarzellen (QDSSCs) aufgrund ihrer hohen theoretischen Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1, 2]. QDSSCs erben die Struktur farbstoffsensibilisierter Solarzellen, einschließlich Photoanode (typischerweise eine Schicht aus porösem Oxidhalbleiter mit einer breiten Bandlücke, die von Halbleiter-QDs als Sensibilisatoren bedeckt ist), Flüssigelektrolyt und Gegenelektrode. Um die Zell-PCE für eine potenzielle kommerzielle Anwendung zu verbessern, wurden zahlreiche Strategien hauptsächlich unter materiellen Gesichtspunkten untersucht, einschließlich der Synthese neuer QD-Sensibilisatoren zur Erweiterung des Lichtsammelbereichs; Herstellung von Photoanoden mit unterschiedlichen Nanostrukturen wie porösem Film [3], Nanotube [4, 5] und Nanostäbchen zur besseren Elektronenextraktion [6, 7]; Herstellung einer mit Edelmetall dotierten Photoanode unter Verwendung lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz [8, 9]; Entwicklung von Sulfid- und anderen Zählern, um den Pt-Zähler zu ersetzen; Synthetisieren verschiedener Elektrolyte; und so weiter.

Einer der wichtigsten Faktoren, der die photoelektrische Umwandlungseffizienz von QDSSCs begrenzt, ist der enge Absorptionsbereich der Sonnenstrahlung [10]. Der Absorptionsbereich hängt stark vom Photoanoden-Dünnfilm und den QDs ab. Die Verengung der Bandlücke von QDs ist ein effektiver Weg zur Erweiterung des Lichtsammelbereichs. Zhonget al. synthetisierten Zn-Cu-In-Sn-legierte QDs und verbesserten die PCE von QDSSCs erheblich, wodurch mehrere PCE-Rekorde von QDSSCs aufgestellt wurden [11,12,13]. Derzeit beträgt der von Zhao et al. erreichte höchste PCE von QDSSCs 14,02%. [14]. In ihrer Arbeit wurden Zn-Cu-In-Sn-legierte QDs als Sensibilisator verwendet, und die Gegenelektrode (CE) besteht aus mit Kohlenstoffnanoröhren und Graphen dotiertem CuS, was eine neue Stufe der PCE von QDSSCs einleitete. Eine übermäßige Verringerung der Bandlücke zur Verbesserung der Sonnenlichtnutzung führt jedoch zu einem Leerlaufspannungsverlust und verringert die Geräteleistung aufgrund der Herunterverschiebung der Leitungsbandkante.

Um die Zellenleistung weiter zu verbessern, wurde die Gerätekonfiguration berücksichtigt. Bei farbstoffsensibilisierten Solarzellen und kolloidalen Quantenpunktsolarzellen [15] wurden Tandemstrukturen bereits als signifikanter Ansatz verwendet, um die PCE-Beschränkungen zu durchbrechen [16, 17]. Bei den meisten Tandemstrukturen farbstoffsensibilisierter Solarzellen wird als Gegenelektrode ein semitransparentes Pt auf leitfähigem Glas oder Pt-Netz in der Zellmitte aufgebracht [18]. TiO₂ Filme werden in zwei oder mehr Schichten unterteilt, die durch gleiche oder unterschiedliche Farbstoffe sensibilisiert sind, was die spektrale Empfindlichkeit verbreitern und dadurch die Zellleistung signifikant verbessern kann [19,20,21]. Für QDSSCs haben Meng et al. Entwerfen Sie eine Doppelphotoanodenstruktur mit einem halbtransparenten, netzstrukturierten Cu₂ S-Gegenelektrode zwischen zwei TiO₂ Fotoelektroden. Unter der Einstrahlung der oberen Elektrode durch die Sonne zeigt die optimierte Zelle einen Anstieg des PCE um 12% [22]. In ihrer Arbeit wurde die Tandemstruktur erstmals in QDSSCs verwendet. Die Lichtausnutzungseffizienz der Batterie-Tandemstruktur ist jedoch begrenzt. Xuet al. demonstrierten die NIR-Licht-verstärkte Polysulfid-Reduktion an der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche durch Beleuchten der CuS-Gegenelektrode mit NIR-Licht, was einen 15-prozentigen Anstieg des PCE zeigte, der dem photothermischen Effekt und der plasmonischen Resonanzabsorption zugeschrieben wird [23].

Dank der großen Anstrengungen in den letzten Jahrzehnten darf die PCE von QDSSCs mit der der parallelen Bauelemente, einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle, vergleichbar sein. Die Effizienz von QDSSCs liegt jedoch noch weit hinter ihrem theoretischen Wert zurück und muss noch für eine kommerzielle Anwendung gelöst werden. Daher ist die Erforschung einer neuen Strategie zur Steigerung des PCE von QDSSCs nach wie vor eine dringende Aufgabe. Hier integrieren wir das konzentrierende Photovoltaikkonzept in QDSSCs mit doppelt porösem TiO₂ Photoanoden und Cu₂ S-Mesh-Gegenelektrodendesign [24], wodurch eine PCE-Steigerung von 260 % ​​im Vergleich zu herkömmlichen Einzelphotoanoden-Geräten erreicht wird. Mit den am häufigsten verwendeten CdS/CdSe-QD-Sensibilisatoren, einem Champion-PCE von 8,28 % (V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) wird erreicht.

Lichtmanagement als wichtige Technologie zur Verbesserung der Konversionseffizienz in Solarzellen zielt darauf ab, den von Solarzellen empfangenen Photonenfluss zu erhöhen [25]. Die lichteinfangende Struktur ist eine häufig verwendete Methode zum Lichtmanagement, einschließlich Spiegel [26, 27], Lambertsche Oberflächen [28] und texturierte Oberflächen [29, 30]. Durch den Lichtfalleneffekt wird die optische Weglänge erhöht, wodurch die PCE von Solarzellen verbessert wird. Eine der grundlegenden lichteinfangenden Strukturen besteht darin, einen Spiegel auf der Rückseite der Solarzelle vorzubereiten, und die Reflektivität des Spiegels kann bis zu 95 % betragen [31]. Inspiriert durch die obige Diskussion veranschaulicht Fig. 1 die in der vorliegenden Arbeit verwendete Gerätearchitektur. Doppeltes TiO₂ Es wird ein Photoanodendesign verwendet, das durch Cu₂ . getrennt ist S-Mesh als Gegenelektrode. Die Dicke des TiO₂ Photoanode ist ungefähr 4.5 μm, was in Abb. S1 zu sehen ist. Die obere Zelle und die untere Zelle verwenden das gleiche Material und die gleiche Struktur, sodass es nicht erforderlich ist, die Gitterkonstante und den Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Halbleitermaterialien in den beiden Photoanoden zu berücksichtigen. Die Cu₂ S, das auf einem Cu-Netz als Gegenelektrode aufgewachsen ist, lässt das durchgelassene Licht von der oberen Zelle an der unteren Photoanode ankommen. Die Materialien mit großer Bandlücke oben filtern hochenergetische Photonen heraus, und die Photonen niedriger Energie passieren sie und werden dann von den Materialien mit schmaler Bandlücke in der unteren Zelle absorbiert. Offensichtlich ist der PCE der Doppelphotoanodenstruktur höher als der der Einzelphotoanodenstruktur, da die Doppelphotoanodenstruktur mehr Licht einfangen und somit die Stromdichte erhöhen kann. Eine Beleuchtung nur aus der oberen Richtung induziert jedoch nur einen Anstieg des PCE um 18% im Vergleich zu einer einzelnen Photoanodenvorrichtung, wie später gezeigt wird, was auf die starke Absorption und Reflexion des Sonnenlichts durch die obere Zelle zurückzuführen ist, was zu einer unzureichenden Leuchtdichte für die untere Zelle führt [22].

Schematische Darstellung des Zelldesigns in der vorliegenden Arbeit

Da das eingefangene Licht der unteren Zelle begrenzt ist, führen wir das Konzept der konzentrierenden Photovoltaikzelle (CPV) in das aktuelle Gerät ein [32, 33] und setzen einen Parabolreflektor unter die untere Photoanode. CPV-Systeme verwenden optische Elemente, um das Licht auf eine kleine Fläche von Solarzellen zu fokussieren, was die Effizienz der Photovoltaik-Technologie verbessert und gleichzeitig die Kosten minimiert. Die Reduzierung der Zellfläche kann dazu führen, dass die Kosten von CPV mit denen von Flachpanel-Photovoltaik konkurrieren. Wie in Fig. 1 gezeigt, erzeugt der Parabolreflektor fokussiertes Licht auf die untere Photoanode. Durch die Steuerung des Abstands zwischen dem Reflektor und der unteren Photoanode konnte die aktive Fläche an die Fläche der Zelle angepasst werden. Darüber hinaus könnte das verstärkte Licht übertragen und zur oberen Photoanode gelangen, wodurch zusätzliche Anregungsenergie für das Lichtsammeln bereitgestellt wird. Natürlich sollte der photothermische Effekt, der durch CPV verursacht wird, einen Einfluss auf die PV-Leistung haben [34], worauf später noch ausführlich eingegangen wird.

Methoden

Materialien

Titandioxid (99,8 %, 10–25 nm, TiO₂ ) und Natriumsulfit (AR, Na₂ SO₃ ) wurden von Aladdin geliefert. Fluordotiertes leitendes Zinnoxidglas (FTO, Dicke 1,6 mm, Transmission 83%, Schichtwiderstand 15/Quadrat) wurde von Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China) bezogen. Methanol (AR, CH₃ OH), Ethanol (AR, CH₃ CH₂ OH) und Aceton (AR, CH₃ OCH₃ ) wurden von Beijing Chemical Works (China) geliefert. Ethylendiamin (AR, C₂ H₈ N₄ ) und Selen (AR, Se) wurden vom Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China) bezogen. Salzsäure (36%, HCl), Ethylcelluloseethoce (AR, [C₆ H₇ O₂ (OC₂ H₅ )₃ ]_n ), Alpha-Terpineol (AR, C₁₀ H₈ O), Cadmiumacetat (AR, Cd(CH₃ COOH)₂ ), Zinkacetat (AR, Zn(CH₃ COOH)₂ ), Natriumsulfid (AR, Na₂ S∙9H₂ O), Schwefel (AR, S) und Thioharnstoff (AR, CH₄ .) N₂ S) wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China) geliefert. Nitrilotriessigsäure Trinatrium (98%, C₆ H₉ NNa₃ O₆ ) wurde von TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China) gekauft. Messinggewebe wurde von Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China) geliefert.

Vorbereitung des Cu₂ S Gegenelektrode

Das Messinggewebe wurde 2 h lang bei 70 °C in HCl (36%) getränkt, um das Zink von der Oberfläche des Cu-Gitters zu entfernen. Das Kupfernetz wurde mit entionisiertem Wasser gespült und bei Raumtemperatur getrocknet, nachdem das Kupfernetz aus der Lösung entfernt worden war. Dann wurde das Cu-Netz in eine wässrige Lösung getaucht, die 1 M Na₂ . enthielt S und 1 M S für 5 s, um Flocken-Cu₂ . zu erhalten S, gefolgt von Waschen mit entionisiertem Wasser und Trocknen bei Raumtemperatur. Zur Herstellung von körnigem Cu₂ S, das mit HCl (36%) behandelte Cu-Geflecht wurde in eine gemischte Lösung von CH₄ . eingetaucht N₂ S (0,01 M) und C₂ H₈ N₄ (0,4 ml) für 24 Stunden, gefolgt von Waschen mit entionisiertem Wasser und Trocknen bei Raumtemperatur.

Vorbereitung von CdS/CdSe-QDs co-sensibilisiertem TiO₂ Photoanode

TiO₂ Ein mesoporöser Film wurde durch Schleuderbeschichtung einer Paste hergestellt, die TiO₂ . enthielt (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀ H₈ O (3,245 g) und CH₃ CH₂ OH (8,5 ml) auf gereinigten FTO-Substraten, die in einem Ofen bei 60 °C getrocknet und anschließend 30 min bei 450 °C getempert wurden, um die organischen Lösungsmittel zu entfernen. Die Rotationsgeschwindigkeit des Spincoaters beträgt 7500 U/min für 30 Sekunden. Zur Abscheidung der CdS-QDs wurde der Prozess der sukzessiven Ionenschichtadsorption und -reaktion (SILAR) verwendet. Normalerweise ist das TiO₂ Der Film wurde abwechselnd in eine Methanollösung von Cd(CH₃ .) getaucht COOH)₂ (0,12 M) und Na₂ S-Lösung (0,02 M mit Methanol und entionisiertem Wasser 1:1 v/v) für 30 S in jedem Zyklus für insgesamt 5 Zyklen. CdSe-QDs wurden durch chemische Badabscheidung (CBD) beschichtet. Im Detail eine Lösung mit Cd ²⁺ und Se ²⁻ Quelle wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt. 1,55 g Na₂ SO₃ wurde in 25 ml entionisiertem Wasser gelöst. 0,155 g Se-Pulver als Se ²⁻ Quelle wurde in die obige Lösung gegeben. Die erhaltene Lösung wurde mit einem Ölbad auf 125 °C für 3 Stunden unter Rühren erhitzt. Die Cd ²⁺ Lösung wurde durch Mischen von 25 ml Nitrilotriessigsäure entionisiertem Wasser (120 mM) und 25 ml Cd(CH₃ COO)₂ entionisierte Wasserlösung (80 µM). Dann wird das vorbereitete Se ²⁻ Lösung und Cd ²⁺ Lösung wurden zusammengemischt. Die so hergestellten CdS-beschichteten Photoanoden wurden bei 24 °C für 2 h im Dunkeln in die obige gemischte Lösung gegeben. Für die ZnS-Passivierung wurden die sensibilisierten Filme durch Eintauchen in 0,1 M Zn(CH₃ COO)₂ und 0,1 M Na₂ S (mit Methanol und Wasser 1:1 v/v) Lösungen für 1 min abwechselnd und 4 Zyklen. Die aktive Fläche der Solarzelle beträgt 0,25 cm ² . Der Polysulfid-Elektrolyt (2 M Na₂ S- und 2 M S-Lösung mit Methanol und entionisiertem Wasser 7:3 v/v) wurden über einen Injektor in die Zelle transfundiert.

Elektrochemische Messung

Die elektrochemische Analyse wurde von der elektrochemischen Workstation DyneChem durchgeführt, und Platin und Ag/AgCl werden als Gegenelektrode bzw. Referenzelektrode verwendet. Das zyklische Voltammogramm und die Tafelpolarisationskurven wurden in 2&mgr;M Polysulfid-Elektrolyt getestet. Nyquist-Plots von QDSSCs sind unter der Beleuchtung einer vollen Sonnenintensität. Die während der EIS-Messungen verwendete Spannung beträgt 0,5 V.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) (JEOL7610) analysiert, die Charakterisierung der Proben wurde durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) (Kratos Axis UltraDLD) gemessen und die J –V Kurven von QDSSCs wurden mit einem Keithley 2400 Source Meter (Zolix Instruments Co., Ltd.) gemessen. IR-Temperaturbilder werden von der FLIR T460 aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Es gibt zahlreiche nanostrukturierte Materialien, die als Gegenelektroden für QDSSCs verwendet werden können, darunter Cu₂ S, CoS, GeC [35] und NCW [36]. Allerdings ist das Cu₂ S-Gegenelektrode auf Basis von Messinggewebe zeigt ideale katalytische Aktivität gegenüber Sn ²⁻ /S ²⁻ Redox-Paar. So bereiten Sie das Cu₂ . vor S Gegenelektrode werden zwei verschiedene Methoden verwendet. Eine besteht darin, Zn mit Salzsäure von der Oberfläche des Messinggewebes zu entfernen, gefolgt vom Eintauchen des Gewebes in eine gemischte Lösung, die CH₄ . enthält N₂ S und C₂ H₈ N₄ für 24 h [37]. Die REM-Bilder des resultierenden Cu₂ S bedeckte Maschen sind in Abb. 2a–c dargestellt. Das vergrößerte REM-Bild zeigt das granulär strukturierte Cu₂ S gebildet werden. Die Querschnittsansicht in Fig. 2d zeigt die Existenz von Cu₂ S-Film auf dem Messingdraht, der Riss zwischen ihnen stammt vom Schneiden während der Herstellung der Querschnittsprobe, und die Dicke beträgt etwa 1,3 μ3oss , und das Atomverhältnis von Cu zu S beträgt ungefähr 2. Die XPS-Spektren von Cu und S sind in Abb. 2f bzw. h gezeigt. Die Peaks von Cu 2p bei 952 eV und 932,5ev entsprechen der Elektronenbindungsenergie von Cu 2p1/2 bzw. Cu 2p3/2, was mit Cu ¹⁺ . übereinstimmt [38]. Die in S 2p beobachteten Peaks bei 163,5 eV und 161 eV entsprechen S 2p1/2 bzw. S 2p3/2, was mit S ²⁻ . übereinstimmt [39]. Diese Ergebnisse bestätigen die erfolgreiche Herstellung von Cu₂ S-Film auf dem Messinggewebe, und die Oberflächenmorphologie soll seine große Oberfläche und ausreichende katalytische Aktivität gewährleisten.

REM-Aufnahmen des netzstrukturierten Cu₂ S Gegenelektrode:a Ansicht von oben; b , c vergrößerte Ansicht der Oberflächenmorphologie; d Querschnittsansicht und vergrößerte Ansicht des Cu₂ S-Schicht. e EDS von Cu₂ S. f , g XPS-Spektren von Cu₂ S-Proben

Die andere Methode wurde in früheren Berichten ausgiebig verwendet, bei der das Messinggewebe zuerst in Salzsäure gelegt und anschließend in den Polysulfid-Elektrolyten (1 M Na₂ .) getaucht wird S und 1 M S) für eine geeignete Zeit [40]. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. S2 dargestellt. Das vergrößerte REM-Bild zeigt das flockenstrukturierte Cu₂ S gebildet werden. Die Querschnittsansicht zeigt die Existenz von Cu₂ S-Film auf dem Messingdraht, und die Dicke beträgt ebenfalls etwa 1,3 µm.3sDie Cu-XPS-Spektren zeigen Peaks bei 933,1 eV und 952,5 eV, entsprechend Cu 2p3/2 bzw. 2p1/2 [41]. Das S 2p-Spektrum zeigt einen Peak bei 162,4 eV, was die Anwesenheit von S ²⁻ . bestätigt [42]. Die Wirkung von Cu₂ Die S-Morphologie auf die Zellleistung wird weiter untersucht.

Um die Leistung von Zellen mit unterschiedlichen Architekturen und CEs zu charakterisieren, wird die Photostromdichte–Spannung (J –V )-Kurven aufgenommen und in Abb. 3a–d dargestellt. Einzel-Photoanoden-Gerät und Doppel-Photoanoden-Gerät werden beide zum Vergleich mit körnigem und flockenförmigem Cu₂ . hergestellt S als CEs bzw. Es gibt drei Möglichkeiten, die Zellen zu beleuchten:Oben, Unten und Doppelrichtung, wie in Abb. 4e gezeigt, und das Verhalten der Zelle unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen wird detailliert untersucht und die entsprechenden Zellparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst, einschließlich offen -Kreisspannung (V _oc ), Kurzschlussstrom (J _sc ), Füllfaktor (FF) und PCE, wobei die Werte nicht in Klammern der experimentelle Durchschnitt von zwanzig Gruppenzellen und die in Klammern Championwerte sind. Die Testkonfiguration für das Einzelphotoanodengerät mit körnigem und flockenförmigem Cu₂ S als CEs ist in Abb. S3 dargestellt, und das J –V Kurven sind in Abb. 3a und b gezeigt. Die PCE-Strahlung von oben, unten und in Doppelrichtung beträgt 2,32 %, 2,00 % bzw. 3,59 %, während die V _oc werden bei etwa 0,6 V gehalten, und der Hauptanstieg des PCE ist auf erhöhtes J . zurückzuführen _sc . Da es sich um ein einzelnes Photoanodengerät handelt, ist der erhöhte J _sc sollte auf die erhöhte Lichtintensität durch Bodenbestrahlung zurückzuführen sein, die zu einer erhöhten photogenerierten Elektronen in Photoanoden führt. Es sollte beachtet werden, dass der PCE der Bestrahlung von unten niedriger ist als der der Bestrahlung von oben, selbst wenn das konzentrierte Licht eine höhere Intensität hat als das parallele Licht von oben, was eine Erklärung aus Fig. S3 geben könnte. Wenn Licht auf einzelne Photoanoden-QDSSCs konzentriert wird, muss das Licht durch das FTO-Glas und dann durch das Cu₂ S-Mesh-CE und Elektrolyt, um die obere Photoanode zu erreichen, was zu einem gewissen Grad an Photoenergieverlust führt. Nach unserem Ergebnis wäre die Intensität der an der oberen Photoanode ankommenden Photoenergie schwächer als die parallele Lichteinstrahlung von oben. Daher ist der PCE der Einzelphotoanodenzellenstruktur bei konzentrierter Lichteinstrahlung niedriger als bei paralleler Lichteinstrahlung auf der Oberseite. Dies könnte durch die Übernahme der in Abb. S4 gezeigten Testkonfiguration weiter unterstützt werden. Die Fokussierung des Lichts direkt auf die untere Photoanode als Arbeitselektrode erreicht einen PCE von 4,32 % und einen Kurzschlussstrom von 21,6 mA cm ⁻² , fast das Doppelte des Kurzschlussstroms, der durch das parallele Licht erzeugt wird, das die Photoanode bestrahlt, was bedeutet, dass der Photonenfluss nach der Kondensierung doppelt so groß ist wie der des parallelen Lichts von oben. Aus der Änderung des Photonenflusses können wir den Kondensationskoeffizienten von 2 berechnen, was mit unseren Messergebnissen übereinstimmt. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist der durchschnittliche PCE der Doppel-Photoanoden-Zellstruktur mit körnigem Cu₂ S CE beträgt 5,51% unter der Bedingung, dass Licht von der Unterseite konzentriert wird, und der Anstieg des PCE ist auf den Beitrag der oberen Photoelektrode zurückzuführen, was darauf hinweist, dass die obere Photoanode unter der Konzentrationsbedingung mehr Photonen einfängt.

Champion J –V Kurven von QDSSCs mit unterschiedlichen Strukturen. a Einzelphotoanode und körniges Cu₂ S CE. b Einzelphotoanode und Flocken-Cu₂ S CE. c Doppel-Photoanode und körniges Cu₂ S CE. d Doppel-Photoanode und Flocken-Cu₂ S CE. e Lebenslauf und g Tafelpolarisationskurven von zwei Cu₂ S CEs bzw. f Elektrochemische Stabilität verschiedener CEs von CV untersucht. h Nyquist-Plots von QDSSCs mit unterschiedlichen CEs und unterschiedlichen Strukturen unter Beleuchtung einer vollen Sonnenintensität. ich Vergrößerter Teil des schwarz gepunkteten Rahmens in h

Infrarotaufnahmen verschiedener Lichtverhältnisse:a ohne Licht, b paralleles Licht auf der Oberseite, c gebündeltes Licht vom Parabolreflektor, d Licht von beiden Seiten scheint gleichzeitig, und e Simulationsdiagramm verschiedener Lichtverhältnisse

Für die Doppel-Photoanoden-Vorrichtung mit körnigem Cu₂ S wie CEs beträgt die von oben, unten und in zwei Richtungen einstrahlende PCE 2,64 % (J _sc =11.552 mA cm ⁻² ), 5,53% (J _sc =26,287 mA cm ⁻² ) und 8,28 % (J _sc =32,247 mA cm ⁻² ), bzw. Verglichen mit der herkömmlichen von oben bestrahlten Einzelphotoanodenstruktur (2,32 %) erhöht sich der PCE um 260 %. Der Anstieg des PCE ist offensichtlich auf das erhöhte J . zurückzuführen _sc , was darauf hinweist, dass die Doppelphotoanoden in einer parallelen Konfiguration arbeiten. Die gemessene Lichtintensität des konzentrierten Lichts von unten ist ungefähr doppelt so groß wie die des oberen parallelen Lichts. Unter den Bestrahlungsbedingungen des konzentrierten Lichts sollte die PCE von QDSSCs höher sein als die des oberen parallelen Lichts. Es stimmt mit dem vorliegenden Ergebnis überein, dass der PCE bei Bestrahlung von unten mehr als doppelt so hoch ist wie bei Bestrahlung von oben.

Es sollte beachtet werden, dass das Verhalten von Zellen basierend auf Flocken-Cu₂ S CE sind ähnlich, zeigen jedoch insgesamt abgefallene Werte der Photovoltaikparameter. Um die detaillierte Entstehung zu untersuchen, die zyklischen Voltammogramm (CV)-Kurven und Tafel-Polarisationskurven der beiden Kinder von Cu₂ S CEs werden mit einem Drei-Elektroden-System gemessen. Abbildung 3e sind die CV-Kurven und körniges Cu₂ S zeigt eine höhere Stromdichte. Der Reduktionspeak von körnigem Cu₂ S ist höher als Flocken-Cu₂ S, was die schnellere Redoxreaktionsgeschwindigkeit von S ²⁻ . anzeigt /S_n ²⁻ im Elektrolyten. Abbildung 3f zeigt die CV-Kurven des Cu₂ S-Elektrode mit unterschiedlichen Morphologien von 1 bis 25 Zyklen. Für die Form der CV-Kurve und die Position des Peaks konnte keine offensichtliche Variation gefunden werden. Die CV-Kurven überlappen sich bei kontinuierlichem Scannen gut, was darauf hindeutet, dass die beiden Morphologien der Elektrode beide eine gute chemische Stabilität besitzen. Aus Abb. 3g ist ersichtlich, dass die Austauschstromdichte (J ₀ ) aus körnigem Cu₂ S ist größer als das von Flocken-Cu₂ S. Gemäß den Testergebnissen der CV- und Tafel-Polarisationskurven deutet dies darauf hin, dass die katalytische Aktivität von körnigem Cu₂ S ist besser als Cu₂ S-Film. Dies stimmt mit der Photovoltaikleistung von J . überein –V Kurven in Abb. 3a–d. Um die katalytische Aktivität der Gegenelektroden weiter zu bestätigen, werden EIS-Spektren untersucht und in Abb. 3h gezeigt. Die lila durchgezogenen Linien stellen Anpassungskurven dar und die Anpassungsdaten sind in Tabelle 2 zusammengefasst. R _ct1 , R _ct2 , und R _s repräsentieren den Ladungsübertragungswiderstand an der Gegenelektrode, den Ladungsübertragungswiderstand an der Photoanode/Elektrolyt-Grenzfläche bzw. den Serienwiderstand. Es ist ersichtlich, dass die Struktur einer einzelnen Photoanodenzelle und die Ladungsübergangswiderstände von R _ct1 für körniges Cu₂ S und Flocken-Cu₂ S ist 3,522 und 6,753  cm ² , und die der Doppel-Photoanodenzelle sind 5.990 und 8.088 cm ² , bzw. Das kleinere R _ct1 aus körnigem Cu₂ S zeigt aufgrund seines geringeren Ladungsübergangswiderstands eine bessere Leitfähigkeit an.

Der Photonenfluss innerhalb eines Absorbers entspricht dem Lambert-Beer-Gesetz:

wo b (E , x ) ist der Photonenfluss, der von QDs an Position x . empfangen wird , bs (E ) ist der Photonenfluss, der in vertikaler Richtung zur Sonneneinstrahlung empfangen wird, R (E ) ist das Reflexionsvermögen der Grenzfläche und α (E , x ) ist der Absorptionskoeffizient an Position x . CPV sammeln einfallendes Licht über einen großen Bereich und fokussieren es auf einen kleinen Bereich der Solarzelle für die photovoltaische Umwandlung. Konzentrationsfaktor X ist ein wichtiger Parameter, um die Leistung von konzentrierenden Solarzellen zu beschreiben, d. h. die verlängerten Zeiten der Photonenflussdichte b (E ) und wird auch als das Verhältnis der Fläche des gesammelten einfallenden Lichts zur Fläche der Solarzellen angenähert. Es könnte angenommen werden, dass das fokussierte Licht innerhalb des halben Konzentrationswinkels (θ _X ) und die verlängerten Zeiten des solaren Photonenflusses b _s (E ,x ) entspricht dem Konzentrationsfaktor X . Daher gilt für CPV, Gl. (1) könnte ausgedrückt werden als:

Der Photostrom (J _ph ) erzeugt von einer Solarzelle unter Lichtbedingungen, bestimmt durch den Photonenfluss und die Leistung der Solarzelle, J _ph ist gleich J _sc , und kann ausgedrückt werden als:

wo Q ist die elementare Ladung. Die Quanteneffizienz (QE) ist eine Funktion der Photonenenergie. Wir nehmen an, dass der Photonenfluss des Kollektors bs ₂ ist J mal so hoch wie der oberste Photonenfluss bs ₁ , und das J _sc der Doppel-Photoanodenzelle bei Bestrahlung von unten könnte ausgedrückt werden als:

Daher ist die Summe von J _sc1 Wert unter der Bedingung paralleler Lichteinstrahlung von der Oberseite und J _sc2 Wert unter der Bedingung einer konzentrierten Lichteinstrahlung von der Unterseite sollte gleich J . sein _{sc1, 2} durch Lichteinstrahlung auf beiden Seiten der PV erzeugt. Gleichung (4) stimmt im Wesentlichen mit J überein –V Ergebnisse in Tabelle 1, jedoch mit einigen Abweichungen. Wie aus dem J hervorgeht _sc Daten, die Summe von J _sc1 von oben beleuchtet und J _sc2 von unten beleuchtet ist etwas kleiner als die von J _{sc1, 2} Beleuchtung von beiden Seiten für Doppel-Photoanoden-Geräte. Die Abweichung sollte aus dem photothermischen Effekt aufgrund der Temperaturvariation von QDSSCs unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen resultieren.

Es ist allgemein bekannt, dass das fokussierte Licht auf optoelektrischen Geräten eine thermische Akkumulation und eine erhöhte Temperatur bewirken würde. In der vorliegenden Arbeit beträgt der vom Lichtintensitätsmesser gemessene Photonenfluss des konzentrierten Lichts vom Parabolreflektor ungefähr das Doppelte des normalen Sonnenlichtsimulators; Dies bedeutet, dass der Konzentrationskoeffizient 2 ist, was viel kleiner ist als bei praktischen CPV-Geräten. Es ist jedoch noch notwendig, den Effekt der thermischen Akkumulation auf die Zelle zu untersuchen. Wir verwenden eine Infrarot (IR)-Kamera, um die Temperaturschwankungen unter verschiedenen Testbedingungen zu überwachen. Die Brennweite des verwendeten Parabolreflektors beträgt 6,5 cm. Wir platzieren das Photovoltaik-Gerät 0,5 cm unter dem Brennpunkt des Parabolreflektors, um die volle Ausleuchtung des aktiven Bereichs zu gewährleisten, der etwa 1,5 cm ² . beträgt . Die IR-Temperaturbilder für Doppel-Photoanoden-Vorrichtungen sind in Abb. 4b–d gezeigt, und die entsprechenden Bestrahlungsbedingungen sind in Abb. 4e gezeigt. Im Vergleich zu unbestrahlten Geräten beträgt die Temperaturerhöhung 9,3 °C, 20,6 °C bzw. 32,6 °C. Die doppelseitige Bestrahlung zeigt einen höheren Temperaturanstieg als die Summe der getrennten Bestrahlung von oben und unten, was auf den zusätzlichen Mechanismus durch das hier beteiligte Material bzw. die Grenzfläche hinweist. Die Reaktion von S ²⁻ /S_n ²⁻ in Elektrolyt und Grenzfläche ist bei unterschiedlichen Temperaturen nicht ähnlich. Nach der Arrhenius-Formel nimmt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit in PV mit steigender Temperatur zu. Mit steigender Temperatur wurde die Redoxreaktion in der Nähe der QDSSC-Elektroden verstärkt, was die Verarmung der photogenen Löcher in der Photoanode beschleunigte und so die energieangeregte Redoxreaktion stark reduzierte.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend entwerfen wir eine neue Solarzellenarchitektur, indem wir das CPV-Konzept in QDSSCs mit Doppel-Photoanoden-Design integrieren. Um ein besseres Lichtsammeln zu gewährleisten, ist der Cu₂ S-Mesh wird als Gegenelektrode verwendet und zwischen zwei Photoanoden eingebettet, und die Wirkung von Cu₂ Die S-Morphologie auf die Zellleistung wird untersucht und optimiert. Es hat sich gezeigt, dass das spezielle Design eine PCE-Verbesserung von 260 % ​​im Vergleich zu der von oben bestrahlten einzelnen Photoanode erreicht. Während sich der Leerlaufspannungskreis nicht ändert, erhöht das Doppel-Photoanoden-Design die Stromdichte stark und erhöht somit den PCE. Darüber hinaus könnte der durch CPV induzierte photothermische Effekt hilfreich sein, um den PCE zu verbessern, und ein Champion-PCE von 8,28% (V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) erreicht. Es sollte erwähnt werden, dass die Gegenwart zwar einen neuen Weg zur Erhöhung der PCE von QDSSCs bietet, jedoch das Gerätedesign speziell für den CPV-Teil weiter optimiert und die Leistung der Zelle weiter verbessert werden könnte. Wir glauben, dass die in der vorliegenden Arbeit vorgeschlagene Idee mit besseren QD-Sensibilisatoren und Gerätedesigntechniken zu großen Fortschritten bei QDSSCs führen und auf andere Solarzellen ausgeweitet werden könnte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten bzw. analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

QDSSCs:

Quantenpunktsensibilisierte Solarzellen

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

CPV:

Konzentrierende Solarzelle

QDs:

Quantenpunkte

FF:

Füllfaktor

SILAR:

Successive ionic layer adsorption and reaction

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

CBD:

Chemical bath deposition

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektren