Steigerung der Quantenpunkt-Solarzellen-Effizienz durch Konzentrator-Photovoltaik und doppelte Photoanoden

Zusammenfassung

Trotz großer Anstrengungen zur Steigerung der Energieumwandlungseffizienz (PCE) von Quantenpunkt-sensibilisierten Solarzellen (QDSSCs) in den letzten zwei Jahrzehnten liegt die Effizienz von QDSSCs noch weit hinter ihrem theoretischen Wert. Die aktuellen Ansätze zur Verbesserung der PCE konzentrieren sich hauptsächlich auf die Anpassung des Bandabstands von QDs zur Verbreiterung der Lichternte und die Optimierung der Grenzflächen der Komponententeile. Hier wird eine neue Solarzellenarchitektur vorgeschlagen, indem das Konzentrator-Solarzellen-Konzept (CPV) in QDSSCs mit einem doppelten Photoanoden-Design integriert wird. Das Cu₂S-Gitter wird als Gegenelektrode verwendet und zwischen zwei Photoanoden eingeschlossen. Diese entworfene Batteriestruktur kann die PCE um 260 % im Vergleich zu einer einzelnen Photoanode steigern. Mit den am häufigsten verwendeten CdS/CdSe-QD-Sensibilisatoren wurde eine Champion-PCE von 8,28 % (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) erreicht. Dies ist hauptsächlich auf die Erhöhung von J_sc durch das doppelte Photoanoden-Design und die Einführung des CPV-Konzepts zurückzuführen. Ein weiterer Grund ist, dass konzentrierte Sonnenbestrahlung einen photothermischen Effekt induzierte, der die vorangehenden chemischen Reaktionen, die mit der Umwandlung von Polysulfid-Spezies verbunden sind, beschleunigte. Die hier berichtete Zellfertigung und -design liefert einen neuen Einblick für die weitere Entwicklung von QDSSCs.

Einleitung

Als vielversprechendes und vergleichsweise wirtschaftliches fotoelektrisches Umwandlungsgerät haben Quantenpunkt-sensibilisierte Solarzellen (QDSSCs) aufgrund ihrer hohen theoretischen Energieumwandlungseffizienz (PCE) große Aufmerksamkeit erregt [1, 2]. QDSSCs übernehmen die Struktur von Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen, einschließlich Photoanode (typischerweise eine Schicht porösen Oxidhalbleiters mit breitem Bandabstand, bedeckt mit Halbleiter-QDs als Sensibilisatoren), flüssigem Elektrolyten und Gegenelektrode. Um die Zellen-PCE für potenzielle kommerzielle Anwendungen zu steigern, wurden zahlreiche Strategien hauptsächlich aus materialwissenschaftlicher Sicht untersucht, einschließlich der Synthese neuer QD-Sensibilisatoren zur Verbreiterung des Lichterntebereichs; der Herstellung von Photoanoden mit verschiedenen Nanostrukturen wie porösen Filmen [3], Nanoröhren [4, 5] und Nanostäben für bessere Elektronenextraktion [6, 7]; der Fertigung von edelmetall-dotierten Photoanoden unter Nutzung lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz [8, 9]; der Entwicklung von Sulfid- und anderen Gegenelektroden zum Ersatz von Pt-Gegenelektroden; der Synthese verschiedener Elektrolyte; und so weiter.

Einer der wichtigsten Faktoren, der die fotoelektrische Umwandlungseffizienz von QDSSCs begrenzt, ist der enge Absorptionsbereich der Sonnenstrahlung [10]. Der Absorptionsbereich hängt stark vom Photoanoden-Dünnfilm und den QDs ab. Die Verringerung des Bandabstands von QDs ist ein effektiver Weg zur Verbreiterung des Lichterntebereichs. Zhong et al. synthetisierten Zn-Cu-In-Sn-legierte QDs und verbesserten die PCE von QDSSCs erheblich, wodurch mehrere PCE-Rekorde von QDSSCs aufgestellt wurden [11-13]. Derzeit beträgt der höchste gemeldete PCE von QDSSCs 14,02 %, erreicht von Zhao et al. [14]. In ihrer Arbeit wurden Zn-Cu-In-Sn-legierte QDs als Sensibilisator verwendet, und die Gegenelektrode (CE) ist CuS, dotiert mit Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, was ein neues Niveau der PCE von QDSSCs einleitete. Allerdings führt eine übermäßige Verringerung des Bandabstands zur Verbesserung der Sonnenlicht-Ernte zu einem Verlust der Leerlaufspannung und verringert die Geräteleistung aufgrund der Absenkung der Leitungsbandkante.

Um die Zellenleistung weiter zu verbessern, wurde die Gerätekonfiguration in Betracht gezogen. In Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und kolloidalen Quantenpunktsolarzellen [15] wurden Tandemstrukturen bereits als bedeutender Ansatz verwendet, um die PCE-Grenzen zu durchbrechen [16, 17]. Für die meisten Tandemstrukturen von Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen wird ein halbtransparentes Pt auf leitendem Glas oder Pt-Gitter in der Mitte der Zelle als Gegenelektrode angewendet [18]. TiO₂-Filme werden in zwei oder mehr Schichten aufgeteilt, die mit demselben oder unterschiedlichen Farbstoffen sensibilisiert sind, was das Spektralantwortvermögen erweitern und dadurch die Zellenleistung signifikant verbessern kann [19-21]. Für QDSSCs entwarfen Meng et al. eine doppelte Photoanodenstruktur mit einer halbtransparenten, gitterstrukturierten Cu₂S-Gegenelektrode, die zwischen zwei TiO₂-Photoelektroden eingeschlossen ist. Unter Ein-Sonnen-Bestrahlung von der oberen Elektrode zeigte die optimierte Zelle eine 12 %ige Steigerung der PCE [22]. In ihrer Arbeit wurde die Tandemstruktur erstmals in QDSSCs verwendet. Die Lichtausnutzungseffizienz der Batterie-Tandemstruktur ist jedoch begrenzt. Xu et al. demonstrierten die NIR-Licht-verstärkte Polysulfid-Reduktion an der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche durch Bestrahlung der CuS-Gegenelektrode mit NIR-Licht, was eine 15 %ige Steigerung der PCE zeigte, was auf photothermische Effekte und plasmonische Resonanzabsorption zurückgeführt wird [23].

Dank der großen Anstrengungen in den letzten Jahrzehnten ist die PCE von QDSSCs vergleichbar mit der des parallelen Geräts, der Farbstoff-sensibilisierten Solarzelle, geworden. Die Effizienz von QDSSCs liegt jedoch noch weit hinter ihrem theoretischen Wert zurück und bleibt für kommerzielle Anwendungen zu lösen. Daher ist die Erforschung neuer Strategien zur Steigerung der PCE von QDSSCs weiterhin eine dringende Aufgabe. Hier integrieren wir das Konzentrator-Photovoltaik-Konzept in QDSSCs mit doppelten porösen TiO₂-Photoanoden und Cu₂S-Gitter-Gegenelektroden-Design [24], erreichen eine 260 %ige Steigerung der PCE im Vergleich zum traditionellen Einzel-Photoanoden-Gerät. Mit den am häufigsten verwendeten CdS/CdSe-QD-Sensibilisatoren wird eine Champion-PCE von 8,28 % (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) erreicht.

Lichtmanagement als wichtige Technologie zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz in Solarzellen zielt darauf ab, den Photonenfluss zu erhöhen, den Solarzellen empfangen [25]. Die Lichtfangstruktur ist eine häufig verwendete Methode für Lichtmanagement, einschließlich Spiegel [26, 27], Lambertische Oberflächen [28] und texturierte Oberflächen [29, 30]. Durch den Lichtfang-Effekt wird der optische Pfad verlängert, wodurch die PCE von Solarzellen verbessert wird. Eine der grundlegenden Lichtfangstrukturen ist die Herstellung eines Spiegels auf der Rückseite der Solarzelle, und die Reflektivität des Spiegels kann bis zu 95 % betragen [31]. Inspiriert durch die obige Diskussion veranschaulicht Abb. 1 die in der vorliegenden Arbeit verwendete Gerätearchitektur. Ein doppeltes TiO₂-Photoanoden-Design wird übernommen, das durch Cu₂S-Gitter als Gegenelektrode getrennt ist. Die Dicke der TiO₂-Photoanode beträgt etwa 4,5 μm, was in Abb. S1 zu sehen ist. Die obere und untere Zelle verwenden dasselbe Material und dieselbe Struktur, sodass es nicht notwendig ist, die Gitterkonstante und den Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Halbleitermaterialien in den beiden Photoanoden zu berücksichtigen. Das auf Cu-Gitter gewachsene Cu₂S als Gegenelektrode lässt das von der oberen Zelle durchgelassene Licht zur unteren Photoanode gelangen. Die breitbandigen Materialien oben filtern hochenergetische Photonen heraus, und die niederenergetischen Photonen passieren sie und werden dann von den schmalbandigen Materialien in der unteren Zelle absorbiert. Offensichtlich ist die PCE der doppelten Photoanodenstruktur höher als die der einzelnen Photoanodenstruktur, da die doppelte Photoanodenstruktur mehr Licht einfangen und somit die Stromdichte erhöhen kann. Allerdings induziert die Bestrahlung nur von der oberen Richtung lediglich eine 18 %ige Steigerung der PCE im Vergleich zu einem Einzel-Photoanoden-Gerät, wie später gezeigt, was auf die starke Absorption und Reflexion des Sonnenlichts durch die obere Zelle zurückzuführen ist, wodurch unzureichende Lichtdichte für die untere Zelle verbleibt [22].

Da das eingefangene Licht der unteren Zelle begrenzt ist, führen wir das Konzept der Konzentrator-Photovoltaikzelle (CPV) in das aktuelle Gerät [32, 33] ein und platzieren einen parabolischen Reflektor unter der unteren Photoanode. CPV-Systeme verwenden optische Elemente, um Licht auf einen kleinen Bereich von Solarzellen zu fokussieren, was die Effizienz der Photovoltaik-Technologie verbessert und gleichzeitig die Kosten minimiert. Die Reduzierung der Zellenfläche kann die Kosten von CPV mit Flachpanel-Photovoltaik wettbewerbsfähig machen. Wie in Abb. 1 gezeigt, fokussiert der parabolische Reflektor das Licht auf die untere Photoanode. Durch Kontrolle des Abstands zwischen Reflektor und unterer Photoanode könnte der aktive Bereich an die Zellenfläche angepasst werden. Darüber hinaus könnte das verstärkte Licht durchdringen und die obere Photoanode erreichen, was zusätzliche Anregungsenergie für die Lichternte liefert. Natürlich sollte der durch CPV verursachte photothermische Effekt einen Einfluss auf die PV-Leistung haben [34], was später detailliert diskutiert wird.

Methoden

Materialien

Titandioxid (99,8 %, 10–25 nm, TiO₂) und Natriumsulfit (AR, Na₂SO₃) wurden von Aladdin geliefert. Fluor-dotiertes Zinnoxid-leitfähiges Glas (FTO, Dicke 1,6 mm, Transmissionsgrad 83 %, Flächenwiderstand 15/Ohm) wurde von Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China) bezogen. Methanol (AR, CH₃OH), Ethanol (AR, CH₃CH₂OH) und Aceton (AR, CH₃OCH₃) wurden von Beijing Chemical Works (China) geliefert. Ethylendiamin (AR, C₂H₈N₄) und Selen (AR, Se) wurden vom Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China) bezogen. Salzsäure (36 %, HCl), Ethylcellulose ethoce (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]_n), Alpha-Terpineol (AR, C₁₀H₈O), Cadmiumacetat (AR, Cd(CH₃COOH)₂), Zinkacetat (AR, Zn(CH₃COOH)₂), Natriumsulfid (AR, Na₂S·9H₂O), Schwefel (AR, S) und Thioharnstoff (AR, CH₄N₂S) wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China) geliefert. Nitrilotriessigsäure-trisodium (98 %, C₆H₉NNa₃O₆) wurde von TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China) bezogen. Messinggitter wurde von Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China) geliefert.

Herstellung der Cu₂S-Gegenelektrode

Das Messinggitter wurde 2 h bei 70 °C in HCl (36 %) eingeweicht, um das Zink auf der Oberfläche des Cu-Gitters zu entfernen. Das Kupfergitter wurde mit deionisiertem Wasser gespült und nach dem Entfernen aus der Lösung bei Raumtemperatur getrocknet. Dann wurde das Cu-Gitter in eine wässrige Lösung mit 1 M Na₂S und 1 M S für 5 s getaucht, um blättriges Cu₂S zu erhalten, gefolgt von Waschen mit deionisiertem Wasser und Trocknen bei Raumtemperatur. Zur Herstellung von körnigem Cu₂S wurde das mit HCl (36 %) behandelte Cu-Gitter in eine gemischte Lösung von CH₄N₂S (0,01 M) und C₂H₈N₄ (0,4 ml) für 24 h getaucht, gefolgt von Waschen mit deionisiertem Wasser und Trocknen bei Raumtemperatur.

Herstellung von CdS/CdSe-QDs ko-sensibilisierten TiO₂-Photoanoden

TiO₂-mesoporöser Film wurde durch Spin-Coating einer Paste hergestellt, die TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀H₈O (3,245 g) und CH₃CH₂OH (8,5 ml) auf gereinigten FTO-Substraten enthielt, welcher bei 60 °C in einem Ofen getrocknet und anschließend 30 min bei 450 °C geglüht wurde, um die organischen Lösungsmittel zu entfernen. Die Drehzahl des Spin-Coaters beträgt 7500 rpm für 30 s. Der successive ionische Schichtadsorptions- und Reaktionsprozess (SILAR) wurde verwendet, um die CdS-QDs abzuscheiden. Typischerweise wurde der TiO₂-Film abwechselnd in Methanollösung von Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 M) und Na₂S-Lösung (0,02 M mit Methanol und deionisiertem Wasser 1:1 v/v) für 30 s in jedem Zyklus für insgesamt 5 Zyklen getaucht. CdSe-QDs wurden durch chemische Badabscheidung (CBD) aufgebracht. Im Detail wurde eine Lösung mit Cd²⁺- und Se²⁻-Quelle durch folgende Methode hergestellt. 1,55 g Na₂SO₃ wurden in 25 ml deionisiertem Wasser gelöst. 0,155 g Se-Pulver als Se²⁻-Quelle wurde der obigen Lösung zugesetzt. Die erhaltene Lösung wurde 3 h bei 125 °C unter Rühren in einem Ölbad erhitzt. Die Cd²⁺-Lösung wurde durch Mischen von 25 ml Nitrilotriessigsäure-deionisierter Wasserlösung (120 mM) und 25 ml Cd(CH₃COO)₂-deionisierter Wasserlösung (80 mM) hergestellt. Dann wurden die vorbereiteten Se²⁻-Lösung und Cd²⁺-Lösung zusammen gemischt. Die so vorbereiteten CdS-beschichteten Photoanoden wurden in die obige gemischte Lösung bei 24 °C für 2 h im Dunkeln gegeben. Für die ZnS-Passivierung wurden die sensibilisierten Filme durch abwechselndes Eintauchen in 0,1 M Zn(CH₃COO)₂ und 0,1 M Na₂S (mit Methanol und Wasser 1:1 v/v) Lösungen für 1 min abwechselnd und 4 Zyklen abgeschieden. Der aktive Bereich der Solarzelle beträgt 0,25 cm². Der Polysulfid-Elektrolyt (2 M Na₂S und 2 M S Lösung mit Methanol und deionisiertem Wasser 7:3 v/v) wurde über einen Injektor in die Zelle eingefüllt.

Elektrochemische Messung

Die elektrochemische Analyse wurde mit dem DyneChem elektrochemischen Arbeitsplatz durchgeführt, wobei Platin und Ag/AgCl als Gegenelektrode bzw. Referenzelektrode verwendet wurden. Die zyklischen Voltammogramm- und Tafel-Polarisationskurven wurden in 2 M Polysulfid-Elektrolyt getestet. Nyquist-Plots von QDSSCs sind unter der Bestrahlung von einer vollen Sonnenintensität. Die während der EIS-Messungen verwendete Spannung beträgt 0,5 V.

Charakterisierung

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

Ergebnisse und Diskussion

Es gibt zahlreiche nanostrukturierte Materialien, die als Gegenelektroden für QDSSCs verwendet werden können, einschließlich Cu₂S, CoS, GeC [35] und NCW [36]. Die Cu₂S-Gegenelektrode auf Messinggitterbasis zeigt jedoch ideale katalytische Aktivität gegenüber dem Sn²⁻/S²⁻-Redox-Paar. Zur Herstellung der Cu₂S-Gegenelektrode werden zwei verschiedene Methoden verwendet. Eine besteht darin, Zn von der Oberfläche des Messinggitters mit Salzsäure zu entfernen, gefolgt vom Eintauchen des Gitters in eine gemischte Lösung mit CH₄N₂S und C₂H₈N₄ für 24 h [37]. Die SEM-Bilder des resultierenden Cu₂S-bedeckten Gitters sind in Abb. 2a–c dargestellt. Das vergrößerte SEM-Bild zeigt, dass körnig strukturiertes Cu₂S gebildet wird. Die Querschnittsansicht in Abb. 2d zeigt die Existenz des Cu₂S-Films auf dem Messingdraht, der Riss zwischen ihnen stammt vom Schneiden während der Vorbereitung des Querschnittsproben, und die Dicke beträgt etwa 1,3 μm. Der Querschnittsproben in Abb. 2e zeigt, dass die einzigen dort vorhandenen Elemente Cu und S sind, und das Atomverhältnis von Cu zu S beträgt etwa 2. Die XPS-Spektren von Cu und S sind in Abb. 2f und h dargestellt. Die Peaks von Cu 2p bei 952 eV und 932,5 eV entsprechen der Elektronenbindungsenergie von Cu 2p1/2 bzw. Cu 2p3/2, was mit Cu⁺ konsistent ist [38]. Die in S 2p bei 163,5 eV und 161 eV beobachteten Peaks entsprechen S 2p1/2 bzw. S 2p3/2, was mit S²⁻ konsistent ist [39]. Diese Ergebnisse bestätigen die erfolgreiche Herstellung des Cu₂S-Films auf dem Messinggitter, und die Oberflächenmorphologie soll seine große Oberfläche und ausreichende katalytische Aktivität sicherstellen.

Die andere Methode wurde in früheren Berichten umfassend verwendet, bei der das Messinggitter zunächst in Salzsäure gelegt wird, dann anschließend für eine geeignete Zeit in den Polysulfid-Elektrolyten (1 M Na₂S und 1 M S) getaucht wird [40]. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. S2 dargestellt. Das vergrößerte SEM-Bild zeigt, dass blättchenstrukturiertes Cu₂S gebildet wird. Die Querschnittsansicht zeigt die Existenz des Cu₂S-Films auf dem Messingdraht, und die Dicke beträgt ebenfalls etwa 1,3 μm. Die Cu-XPS-Spektren zeigen Peaks bei 933,1 eV und 952,5 eV, die Cu 2p3/2 bzw. 2p1/2 entsprechen [41]. Das S 2p-Spektrum zeigt einen Peak bei 162,4 eV, der das Vorhandensein von S²⁻ bestätigt [42]. Der Effekt der Cu₂S-Morphologie auf die Zellenleistung wird weiter untersucht.

Um die Leistung von Zellen mit verschiedenen Architekturen und CEs zu charakterisieren, werden die Photostromdichte-Spannungs-(J-V)-Kurven erfasst und in Abb. 3a–d gezeigt. Einzel-Photoanoden-Gerät und doppelte-Photoanoden-Gerät werden beide zum Vergleich mit körnigem und blättrigem Cu₂S als CEs hergestellt. Es gibt drei Bestrahlungsweisen für die Zellen: oben, unten und doppelte Richtungen, wie in Abb. 4e gezeigt, und das Verhalten der Zellen unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen wird detailliert untersucht, und die entsprechenden Zellenparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst, einschließlich Leerlaufspannung (V_oc), Kurzschlussstrom (J_sc), Füllfaktor (FF) und PCE, wobei die Werte nicht in Klammern der experimentelle Durchschnitt von zwanzig Zellgruppen sind und die in Klammern die Champion-Werte sind. Die Testkonfiguration für das Einzel-Photoanoden-Gerät mit körnigem und blättrigem Cu₂S als CEs ist in Abb. S3 dargestellt, und die J-V-Kurven sind in Abb. 3a und b gezeigt. Die PCE bei Bestrahlung von oben, unten und doppelt betragen 2,32 %, 2,00 % und 3,59 %, jeweils, während die V_oc bei etwa 0,6 V gehalten werden, und der Hauptanstieg der PCE ist auf erhöhte J_sc zurückzuführen. Da dies ein Einzel-Photoanoden-Gerät ist, sollte der erhöhte J_sc auf die erhöhte Lichtintensität von der unteren Bestrahlung zurückzuführen sein, was zu erhöhten photoerzeugten Elektronen in den Photoanoden führt. Es sollte beachtet werden, dass die PCE der unteren Bestrahlung niedriger ist als die der oberen Bestrahlung, selbst wenn das konzentrierte Licht eine höhere Intensität als das parallele Licht von oben hat, was eine Erklärung aus Abb. S3 erhalten könnte. Wenn konzentriertes Licht auf Einzel-Photoanoden-QDSSCs fokussiert wird, muss das Licht durch FTO-Glas, dann durch das Cu₂S-Gitter-CE und den Elektrolyten hindurch, um die obere Photoanode zu erreichen, was zu einem gewissen Fotoenergieverlust führt. Aus unserem Ergebnis wäre die Intensität der die obere Photoanode erreichenden Fotoenergie schwächer als die parallele Lichtbestrahlung von oben. Daher ist die PCE der Einzel-Photoanoden-Zellstruktur unter konzentrierter Lichtbestrahlung niedriger als die unter paralleler Lichtbestrahlung auf der oberen Seite. Dies könnte durch die Annahme der in Abb. S4 gezeigten Testkonfiguration weiter unterstützt werden. Das Fokussieren des Lichts direkt auf die untere Photoanode als Arbeits-Elektrode erreicht eine PCE von 4,32 % und einen Kurzschlussstrom von 21,6 mA cm⁻², fast doppelt so hoch wie der Kurzschlussstrom, der durch paralleles Licht, das die Photoanode bestrahlt, erzeugt wird, was bedeutet, dass der Photonenfluss nach Kondensation doppelt so hoch ist wie der des parallelen Lichts von oben. Aus der Änderung des Photonenflusses können wir den Kondensationskoeffizienten als 2 berechnen, was mit unseren gemessenen Ergebnissen konsistent ist. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, beträgt die durchschnittliche PCE der doppelten Photoanoden-Zellstruktur mit körnigem Cu₂S-CE 5,51 % unter der Bedingung konzentrierten Lichts von der unteren Seite, und der Anstieg der PCE ist auf den Beitrag der oberen Photoelektrode zurückzuführen, was darauf hindeutet, dass die obere Photoanode unter Konzentrationsbedingungen mehr Photonen einfängt.

Für das doppelte Photoanoden-Gerät mit körnigem Cu₂S als CEs betragen die PCE bei Bestrahlung von oben, unten und doppelt 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) jeweils. Im Vergleich zur traditionellen Einzel-Photoanoden-Struktur, die von oben bestrahlt wird (2,32 %), steigt die PCE um 260 %. Der Anstieg der PCE ist offensichtlich auf den erhöhten J_sc zurückzuführen, was zeigt, dass die doppelten Photoanoden in einer Parallelkonfiguration arbeiten. Die gemessene Lichtintensität des konzentrierten Lichts von unten beträgt etwa das Doppelte des oberen parallelen Lichts. Unter der Bestrahlungsbedingung des konzentrierten Lichts sollte die PCE von QDSSCs höher sein als die des oberen parallelen Lichts. Dies ist konsistent mit dem vorliegenden Ergebnis, dass die PCE von der unteren Bestrahlung mehr als 2-mal im Vergleich zur oberen Bestrahlung beträgt.

Es sollte beachtet werden, dass das Verhalten der Zellen basierend auf blättrigem Cu₂S-CE ähnlich ist, aber insgesamt abgeschwächte Werte in den photovoltaischen Parametern zeigt. Um den detaillierten Ursprung zu erforschen, werden die zyklischen Voltammogramm (CV)-Kurven und Tafel-Polarisationskurven der beiden Arten von Cu₂S-CEs mit einem Drei-Elektroden-System gemessen. Abb. 3e zeigt die CV-Kurven, und körniges Cu₂S zeigt höhere Stromdichte. Der Reduktionspeak von körnigem Cu₂S ist höher als der von blättrigem Cu₂S, was auf die schnellere Redox-Reaktionsrate von S²⁻/S_n²⁻ im Elektrolyten hinweist. Abb. 3f zeigt die CV-Kurven der Cu₂S-Elektrode mit verschiedenen Morphologien von 1 bis 25 Zyklen. Es gibt keine offensichtliche Variation in der Form der CV-Kurve und der Position des Peaks. Die CV-Kurven überlappen sich gut unter kontinuierlichem Scannen, was darauf hindeutet, dass beide Morphologien der Elektrode eine gute chemische Stabilität besitzen. Aus Abb. 3g ist ersichtlich, dass die Austauschstromdichte (J_0) von körnigem Cu₂S größer ist als die von blättrigem Cu₂S. Laut den Testergebnissen von CV- und Tafel-Polarisationskurven deutet dies darauf hin, dass die katalytische Aktivität von körnigem Cu₂S besser ist als die von Cu₂S-Film. Dies ist konsistent mit der photovoltaischen Leistung der J-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 stellen den Ladungstransferwiderstand an der Gegenelektrode, den Ladungstransferwiderstand an der Photoanoden/Elektrolyt-Grenzfläche und den Serienwiderstand dar. Es ist zu sehen, dass die Struktur einer Einzel-Photoanoden-Zelle und die Ladungstransferwiderstände von R_ct1 für körniges Cu₂S und blättriges Cu₂S 3,522 bzw. 6,753 Ω cm² betragen, und die der doppelten Photoanoden-Zelle 5,990 bzw. 8,088 Ω cm² betragen. Der kleinere R_ct1 von körnigem Cu₂S zeigt eine bessere Leitfähigkeit aufgrund seines geringeren Ladungstransferwiderstands an.

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

$$ b(E,x) = [1-R(E)] b_s(E) \exp\left[-\int_0^x \alpha(E,x') dx'\right] $$ (1)

wobei b(E,x) der Photonenfluss ist, der von QDs an Position x empfangen wird, b_s(E) der Photonenfluss in vertikaler Richtung zur Sonnenbestrahlung, R(E) die Reflexionsfähigkeit der Grenzfläche, und α(E,x) 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. Der Konzentrationsfaktor X ist ein wichtiger Parameter zur Beschreibung der Leistung von Konzentrator-Solarzellen, der die erhöhte Anzahl der Photonenflussdichte b(E) ist und auch angenähert als das Verhältnis der Fläche des gesammelten einfallenden Lichts zur Fläche der Solarzellen. Es könnte angenommen werden, dass das fokussierte Licht innerhalb des halben Konzentrationswinkels (θ_X) gleichmäßig ist, und die erhöhte Anzahl des Sonnenphotonenflusses b_s(E,x) entspricht dem Konzentrationsfaktor X. Daher könnte Gl. (1) für CPV wie folgt ausgedrückt werden:

$$ b(E,x) = [1-R(E)] \cdot X \cdot b_s(E) \exp\left[-\int_0^x \alpha(E,x') dx'\right] $$ (2)

Der von einer Solarzelle unter Lichtbedingungen erzeugte Photostrom (J_ph), bestimmt durch den Photonenfluss und die Leistung der Solarzelle, ist gleich J_sc und kann wie folgt ausgedrückt werden:

$$ J_{ph} = J_{sc} = q \int_0^\infty QE(E) b_s(E, T_s) dE $$ (3)

wobei q die Elementarladung ist. Quantenausbeute (QE) ist eine Funktion der Photonenenergie. Wir nehmen an, dass der Photonenfluss des Kollektors b_s2 Y-mal so hoch ist wie der obere Photonenfluss b_s1, und der J_sc der doppelten Photoanoden-Zelle unter Bestrahlung von der unteren Seite könnte wie folgt ausgedrückt werden:

$$ J_{sc}(Y b_s) = q \int_0^\infty QE(E) \cdot Y \cdot b_s(E, T_s) dE \approx Y J_{sc} $$ (4)

Daher sollte die Summe des J_sc1-Werts unter der Bedingung paralleler Lichtbestrahlung von der oberen Seite und des J_sc2-Werts unter der Bedingung konzentrierter Lichtbestrahlung von der unteren Seite gleich dem J_sc1,2 sein, der durch Lichtbestrahlung auf beiden Seiten der PV erzeugt wird. Gleichung (4) ist im Wesentlichen konsistent mit den J-V-Ergebnissen in Tabelle 1, jedoch mit einigen Abweichungen. Wie aus den J_sc-Daten ersichtlich, ist die Summe von J_sc1 bei Bestrahlung von oben und J_sc2 bei Bestrahlung von unten etwas kleiner als J_sc1,2 bei Bestrahlung von beiden Seiten für doppelte Photoanoden-Geräte. Die Abweichung sollte auf den photothermischen Effekt aufgrund der Temperaturänderung von QDSSCs unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen zurückzuführen sein.

Es ist bekannt, dass fokussiertes Licht auf optoelektronische Geräte thermische Akkumulation und erhöhte Temperaturen induzieren würde. In der vorliegenden Arbeit beträgt der Photonenfluss des konzentrierten Lichts vom parabolischen Reflektor, gemessen mit dem Lichtintensitätsmessgerät, etwa das Doppelte des normalen Sonnenlichtsimulators; das bedeutet, dass der Konzentrationskoeffizient 2 beträgt, was viel kleiner ist als bei praktischen CPV-Geräten. Dennoch ist es notwendig, den Effekt der thermischen Akkumulation auf die Zelle zu untersuchen. Wir verwenden eine Infrarot (IR)-Kamera, um die Temperaturänderung unter verschiedenen Testbedingungen zu überwachen. Die Brennweite des verwendeten parabolischen Reflektors beträgt 6,5 cm. Wir platzieren das photovoltaische Gerät 0,5 cm unter dem Brennpunkt des parabolischen Reflektors, um die vollständige Bestrahlung des aktiven Bereichs sicherzustellen, der etwa 1,5 cm² beträgt. Die IR-Temperaturbilder für doppelte Photoanoden-Geräte sind in Abb. 4b–d dargestellt, und die entsprechenden Bestrahlungsbedingungen sind in Abb. 4e gezeigt. Im Vergleich zu nicht bestrahlten Geräten betragen die Temperaturanstiege 9,3 °C, 20,6 °C und 32,6 °C jeweils. Die doppelseitige Bestrahlung zeigt einen höheren Temperaturanstieg als die Summe der separaten Bestrahlung von oben und unten, was auf einen zusätzlichen Mechanismus vom Material oder der Grenzfläche hinweist. Die Reaktion von S²⁻/S_n²⁻ im Elektrolyten und an der Grenzfläche ist unter verschiedenen Temperaturen nicht ähnlich. Nach der Arrhenius-Formel steigt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit in PV mit der Temperaturerhöhung. Mit der Temperaturerhöhung wurde die Redox-Reaktion in der Nähe der QDSSC-Elektroden verstärkt, was den Abbau der photogenen Löcher in der Photoanode beschleunigte und somit die energieangeregte Redox-Reaktion stark reduzierte.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend entwerfen wir eine neue Solarzellenarchitektur, indem wir das CPV-Konzept in QDSSCs mit doppeltem Photoanoden-Design integrieren. Um die bessere Lichternte zu gewährleisten, wird das Cu₂S-Gitter als Gegenelektrode verwendet und zwischen zwei Photoanoden eingeschlossen, und der Effekt der Cu₂S-Morphologie auf die Zellenleistung wird untersucht und optimiert. Es wurde gezeigt, dass das spezielle Design eine 260 %ige Steigerung der PCE im Vergleich zur einzelnen Photoanode, die von oben bestrahlt wird, erreichte. Während die Leerlaufspannung sich nicht ändert, erhöht das doppelte Photoanoden-Design die Stromdichte erheblich und steigert damit die PCE. Zusätzlich könnte der durch CPV induzierte photothermische Effekt hilfreich sein, die PCE zu verbessern, und eine Champion-PCE von 8,28 % (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) wird erreicht. Es sollte erwähnt werden, dass die vorliegende Arbeit einen neuen Weg zur Steigerung der PCE von QDSSCs bietet, aber das Gerätedesign speziell für den CPV-Teil könnte weiter optimiert werden, und die Leistung der Zelle würde weiter verbessert werden. Wir glauben, dass mit besseren QD-Sensibilisatoren und Gerätedesign-Techniken die in der vorliegenden Arbeit vorgeschlagene Idee großen Fortschritt in QDSSCs induzieren und auf andere Solarzellen ausgeweitet werden könnte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

QDSSCs:

Quantenpunkt-sensibilisierte Solarzellen

PCE:

Energieumwandlungseffizienz

CPV:

Konzentrator-Photovoltaik

QDs:

Quantenpunkte

FF:

Füllfaktor

SILAR:

Successive ionische Schichtadsorption und Reaktion

CV:

Zyklische Voltammetrie

CBD:

Chemische Badabscheidung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie