Polyethylenglykol verbessert NiO-Photokathoden für Quantenpunkt-Tandem-Solarzellen

Zusammenfassung

In dieser Studie wurde ein gleichmäßiger, nanoporöser NiO-Film bis zu 2,6 µm Dicke durch Einbringen von Polyethylenglykol (PEG) in die Vorläuferlösung hergestellt. PEG unterdrückte die Rissbildung maßgeblich und verhinderte die Delamination von fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) Substraten. Die mit CdSeS-Quantenpunkten (QDs) sensibilisierte NiO-Kathode erreichte einen rekordverdächtigen Photowirkungsgrad von 0,80 %. In Kombination mit einer TiO₂-Anode erreichte die resultierende QD-sensibilisierte p-n-Tandem-Solarzelle eine Leerlaufspannung (OCV), die höher war als die der einzelnen Elektroden, und lieferte 0,43 % Wirkungsgrad (OCV = 0,594 V, J_SC = 2,0 mA cm^-2, FF = 0,36).

Hintergrund

Solarenergie wird aufgrund ihrer sauberen, reichlichen und schnell einsetzbaren Natur zur primären Energiequelle. In den letzten drei Jahrzehnten haben sich Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) zu effizienten Bauelementen entwickelt, doch der Fortschritt konzentrierte sich weitgehend auf n-Typ-Architekturen mit TiO₂, ZnO oder SnO₂ Photoanoden, die Kurzschlussstromdichten (J_SC) über 15 mA cm^-2 und Wirkungsgrade nahe 13 % erreichten. p-n-Tandem-DSSCs, die eine p-Typ-Photokathode mit einer n-Typ-Anode kombinieren, versprechen höhere OCVs und Gesamtwirkungsgrade. Bemerkenswerte Fortschritte umfassen eine OCV von 0,918 V aus einem NK-2684-sensibilisierten NiO/TiO₂-Paar und eine OCV von 1079 mV durch Donor-Akzeptor-Farbstoff-Optimierung, den höchsten bislang für p-n-Tandems gemeldeten Wert.

Trotz dieser Gewinne liefern p-Typ-Photokathoden typischerweise Photoströme, die um eine Größenordnung niedriger sind als ihre n-Typ-Pendants, teils aufgrund mechanischer Instabilität dicker Filme. Neuere Arbeiten erforschten NiO-Nanostrukturen mit hoher Oberfläche, verbesserte Kristallinität und geschichtete Architekturen zur Leistungssteigerung. Die Photowirkungsgrade von NiO-Elektroden blieben jedoch im Bereich von 0,02–0,30 % bei Kopplung mit verschiedenen Farbstoffen.

Diese Arbeit baut auf der PEO-PPO-PEO-Triblockcopolymer-Templating-Strategie zur Synthese dicker NiO-Filme auf und fügt PEG als strukturellen Modifikator hinzu, um Filmintegrität und Porosität zu verbessern, was letztlich hocheffiziente QD-sensibilisierte Tandembauelemente ermöglicht.

Experimenteller Teil

NiO-Vorläuferlösungen wurden durch Lösen von wasserfreiem NiCl₂ (1 g) und F108 (1 g) in 3 g deionisiertem Wasser und 6 g Ethanol hergestellt. Nach einer 3-tägigen Ruhephase wurde PEG (MW ≈ 20.000) in Mengen von 0,03, 0,075, 0,15 oder 0,30 g zugegeben. Das Gemisch wurde 4 h gerührt und bei 8000 rpm zentrifugiert. Das resultierende Gel wurde per Rakelbeschichtung auf FTO-Glas aufgebracht, bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend 30 min bei 400 °C in Luft gesintert. CdSeS-QDs wurden via Heißinjektion synthetisiert, und NiO-Filme wurden durch elektrophoretische Abscheidung in einer 1:2,5 (v/v) Acetonitril/Toluol-Lösung unter 50 V Gleichspannung sensibilisiert. TiO₂-Anoden wurden mit CdS/CdSe mittels SILAR ko-sensibilisiert und ersetzten CuS als Gegenelektrode für den Tandemzellenaufbau.

Die Filmmorphologie wurde mit einem JSM-7001F FE-SEM untersucht. Photostrom-Spannungs-Kennlinien (J-V) wurden unter AM 1.5G-Bestrahlung (1 Sun) mit einem Keithley 2440 Source-Meter aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

SEM-Bilder zeigten, dass NiO-Filme ohne PEG ausgeprägte Mikrorinnen und aufgerollte Nanosheets aufwiesen, die nach mehreren Rakelbeschichtungszyklen delaminierten. Im Gegensatz dazu wiesen PEG-haltige Filme nach sieben Beschichtungszyklen eine kontinuierliche, rissfreie Oberfläche mit einer Dicke von ~2,6 µm auf. PEG wirkt wahrscheinlich als Bindemittel, das die Teilchenkohäsion erhöht, und als strukturleitender Agent, der die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen vergrößert.

J-V-Messungen zeigten, dass die Zugabe von PEG bis 0,15 g den Photowirkungsgrad von 0,08 % (PEG = 0) auf 0,32 % steigerte. Die optimale NiO-Kathode erreichte OCV = 0,158 V, J_SC = 4,40 mA cm^-2 und FF = 0,46. Übermäßiges PEG (0,30 g) führte zu Leistungsabfall, was auf einen optimalen Konzentrationsbereich hindeutet.

Die Variation der Filmdicke (fixiert PEG = 0,15 g) ergab, dass eine Erhöhung der Dicke von 0,6 auf 2,1 µm OCV und J_SC steigerte, aber über ~1,5 µm die Vorteile aufgrund begrenzten Lochtransports und verkürzter Lebensdauern stagnierten.

In Kombination mit einer TiO₂-Anode erreichte die TiO₂(unten)/NiO(oben) Tandem-Konfiguration eine OCV von 0,594 V und 0,43 % Gesamtwirkungsgrad, was die einzelnen Elektroden übertraf. Obwohl J_SC und Wirkungsgrad niedriger waren als die der eigenständigen NiO-Kathode oder TiO₂-Anode, stellt dies die erste Demonstration einer QD-sensibilisierten p-n-Typ-Tandemvorrichtung dar und unterstreicht das Potenzial für weitere Optimierung.

Schlussfolgerung

Die PEG-Einbindung ergibt einen rissfreien, 2,6 µm dicken nanoporösen NiO-Film mit überlegener mechanischer Stabilität und Oberfläche. Die optimierte QD-sensibilisierte NiO-Kathode liefert 0,80 % Photowirkungsgrad. Als Teil einer TiO₂/NiO-Tandemarchitektur erreicht das Bauelement eine OCV von 0,594 V und 0,43 % Wirkungsgrad, was die isolierten Elektroden übertrifft. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Verbesserung der Ladungsextraktion und Reduktion von Rekombination konzentrieren, um das volle Potenzial von QD-sensibilisierten p-n-Typ-Tandem-Solarzellen auszuschöpfen.