Synthese von MoIn2S4@CNTs zusammengesetzte Gegenelektrode für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Hintergrund

In den letzten Jahrzehnten ist es dringend erforderlich, erneuerbare Energien zu nutzen und zu nutzen, um die herkömmlichen fossilen Brennstoffe zu ersetzen, da die starke Energieknappheit und die zunehmende Umweltzerstörung zunimmt [1, 2]. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) haben aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit, ihres einfachen Herstellungsverfahrens, ihrer brillanten photovoltaischen Leistung usw. weit verbreitete Forschung angezogen [3, 4]. Die Gegenelektrode (CE) als eine der wesentlichen Komponenten einer DSSC spielt die Rolle, Elektronen aus dem externen Stromkreis zu sammeln und die Reduktionsreaktion von I₃ . zu katalysieren ⁻ zu I ⁻ im flüssigen Elektrolyten [5, 6]. Im Allgemeinen weisen ideale CE-Materialien die Vorzüge einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer bemerkenswerten katalytischen Aktivität auf. Platin (Pt) als weit verbreitetes und effizientes CE-Material ist jedoch aufgrund der großen Schwächen der Knappheit, des hohen Preises und der geringen Langzeitstabilität auf großtechnische Anwendungen beschränkt [7, 8]. Daher wurden viele Anstrengungen unternommen, um eine leicht zugängliche, kostengünstige und Pt-ähnliche katalytische Aktivität zu entwickeln, die seit Jahren in DSSC angewendet wird [9].

Bisher wurden verschiedene Arten herausragender alternativer Materialien vorgeschlagen, wie kohlenstoffhaltige Materialien [10, 11], Übergangsmetallchalkogenide [12], leitfähige Polymere [13], Metalllegierungen [14] und deren Verbindungen [15, 16 ]. Unter ihnen erregten die binären Übergangsmetallchalkogenide aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und chemischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit. Zum Beispiel das synthetisierte MoS₂ auf einem FTO-Substrat weist eine Sandwich-Schichtstruktur, eine größere Oberfläche und mehr aktive Randstellen auf, was zu einer extrem photoelektrischen Leistung als CE für DSSC führt [17]. Inzwischen konzentrierten sich umfangreiche Forschungsarbeiten auf die katalytische Aktivität von I₃ ⁻ Reduzierung wurde auch für WS₂ . vorgenommen [18], FeS₂ [19], CoS [20] und NiS₂ [21], die mit der der Pt-Elektrode vergleichbar oder sogar besser waren. Dennoch verhinderten die inhärenten Eigenschaften dieser Materialien, wie geringe elektrische Leitfähigkeit und nur zwei festgelegte chemische Zusammensetzungen, eine weitere Verbesserung ihrer katalytischen Aktivität [22]. Daher wurden zahlreiche Methoden zur Überwindung des oben erwähnten Mangels angewendet, um multinäre Übergangsmetallchalkogenide durch Anpassung der Komponentenelemente, Strukturdesign und Morphologieanpassung zu synthetisieren. Glücklicherweise haben beträchtliche multinäre Übergangsmetallchalkogenide signifikante Verbesserungen der katalytischen Fähigkeit von DSSCs erreicht, wie z. B. NiCo₂ S₄ [23], MIn₂ S₄ (M =Fe, Co, Ni) [22], CuInS₂ [24], CoCuWS_x [25] und Ag₈ GeS₆ [26], deren katalytische Fähigkeit offensichtlich viel besser ist als die ihrer binären Gegenstücke.

Darüber hinaus ist allgemein anerkannt, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) ganz neue Eigenschaften einer großen spezifischen Oberfläche, hervorragender elektrischer Leitfähigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und photochemischer Stabilität aufweisen, die bei der Synthese und Modifikation anderer Materialien weit verbreitet sind [27]. Leider zeigen CNTs eine schwache elektrokatalytische Aktivität für I₃ ⁻ Reduzierung, die ihre Anwendung unabhängig in einem DSSC-Gerät stark einschränkt. Glücklicherweise hat eine große Anzahl von Studien gezeigt, dass die mit CNTs modifizierten Komposit-CE alle eine stark verbesserte photoelektrische Leistung für DSSCs erzielten [18, 28, 29]. Liuet al. haben eine blütenähnliche hierarchische Struktur von Cu₂ . berichtet MnSnS₄ /CNT (CMTS/CNT) CE über die Solvothermalmethode in DSSC erreichte eine photoelektrische Umwandlungseffizienz von 8,97 %, viel höher als die der DSSCs mit CMTS (6,21 %) und Pt (8,37 %) CEs [29].

Basierend auf den obigen Überlegungen wird in dieser Studie ein MoIn₂ S₄ @CNT-Komposit-CE aus DSSC mit Hedgehog-Ball-Struktur wurde unter Verwendung einer einfachen einstufigen hydrothermalen Methode synthetisiert und sollte eine höhere Geräteleistung verbessern. Rasterelektronenmikroskopische Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche CNT-Gehalte zu sichtbaren Veränderungen der Morphologie führen. Gemäß einer Reihe elektrochemischer Charakterisierungen, einschließlich zyklischer Voltammetrie (CV), elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und Tafel-Kurven-Tests, wurde das MoIn₂ S₄ @CNTs CE weist auf eine bemerkenswerte katalytische Aktivität und einen feinen Ladungstransferwiderstand hin. Das DSSC zusammengebaut mit dem MoIn₂ S₄ @CNTs CE mit geeignetem Inhalt erreicht einen überlegenen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 8,38 %, was besser ist als der des DSSC basierend auf dem Pt CE (8,01 %).

Methoden

Materialien

Natriummolybdat-Dihydrat (Na₂ .) MoO₄ ·2H₂ O), Indiumchlorid-Tetrahydrat (InCl₃ ·4H₂ O) und Thioacetamid (TAA) wurden von Shanghai Chemical Agent Ltd., China, bezogen und ohne weitere Reinigung direkt verwendet. Carbon Nanotubes (CNTs) wurden von Aladdin Chemical Agent Ltd., China, bezogen. Der kommerzielle Farbstoff Z907 wurde von Solaronix Ltd. (Schweiz) bezogen. Das fluordotierte SnO₂ (FTO) Glas, gekauft von NSG, Japan (15 Ω sq ⁻¹ ), wurden nacheinander mit Reinigungsmittel und Aceton sowie Ethylalkohol gereinigt, nachdem sie in Quadrate von 1,5 cm × 2,0 cm geschnitten wurden.

Vorbereitung von porösem TiO₂ Photoanoden

Das Kolloid von TiO₂ wurde wie unsere vorherige Arbeit erstellt [30]. Das farbstoffsensibilisierte TiO₂ Photoanoden wurden wie folgt hergestellt:Zuerst ein 3-M-Band (50 μm dick) mit einer belichteten Fläche von 0,283 cm ² wurde auf FTO angebracht. Anschließend wird das so hergestellte TiO₂ Kolloid wurde unter Verwendung eines Klingenbeschichtungsverfahrens aufgetragen. Zweitens die Trocknung von TiO₂ Elektrode wurde bei 450 °C für 30 Minuten im Muffelofen gesintert. Danach wird das TiO₂ Elektrode wurde in ein 40-mM-Titantetrachlorid (TiCl₄ ) wässrige Lösung bei 70 °C für 30 Minuten und dann an Luft bei 450 °C für 30 Minuten getempert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird das TiO₂ Elektrode wurde 24 Stunden lang in Farbstoff Z907 (0,3 mM) absolute Ethanollösung getaucht, um genügend Farbstoffe zu adsorbieren, und erhielt das resultierende farbstoffsensibilisierte TiO₂ Photoanode.

Herstellung des ternären MoIn₂ S₄ @CNTs CE

Das MoIn₂ S₄ dünne Filme wurden nach einem einfachen Ansatz direkt auf FTO-Substraten aufgewachsen, der sich auf unseren vorherigen Bericht [31] bezieht. In einer typischen Zubereitung sind 0,0696 g Na₂ MoO₄ ·2H₂ O, 0,169 g InCl₃ ·4H₂ O und 0,1394 µg TAA wurden in 30 ml entionisiertem Wasser unter Ultraschall für 2 Stunden diffundiert, bis alle Reaktanten gelöst waren. Die vorgereinigten FTO-Substrate wurden mit der leitfähigen Seite nach oben in einen 100 ml teflonbeschichteten Edelstahlautoklaven gegeben, bevor die obige Vorläufermischung hineingegeben wurde. Nach dem Verschließen wurde der Autoklav in einen Ofen gestellt und für eine Reaktionszeit von 15 Stunden auf 200 °C erhitzt. Die mit MoIn₂ . bedeckten FTO-Glassubstrate S₄ Die Materialien wurden aus dem Autoklaven genommen, mit Ethanol und entionisiertem Wasser gewaschen und dann 12 Stunden lang bei 60 °C an der Luft getrocknet.

Um den Einfluss des CNT-Gehalts auf den hergestellten Verbundwerkstoff CE und die Leistung des DSSC zu untersuchen, wurden verschiedene CNT-Gehalte, die dem Vorläufer zugesetzt wurden, untersucht, einschließlich dreier Proben, in denen die CNT-Mengen 10, 20 und 30 mg betrugen , bzw. die anderen Reagenzien und Herstellungsverfahren unverändert lassen. Die obigen Proben wurden mit MoIn₂ . markiert S₄ (0 mg), MoIn₂ S₄ @CNTs-1 (10 mg), MoIn₂ S₄ @CNTs-2 (20 mg) und MoIn₂ S₄ @CNTs-3 (30 mg).

Zum Vergleich wurde als Referenz-CE ein pyrolysiertes Pt-CE verwendet. Die H₂ PtCl₆ in Isopropanollösung (0,50 Gew.-%) wurde auf die Oberfläche des FTO-Glases getropft und dann bei 450 °C in einem Muffelofen für 30 Minuten gesintert, um das Pt CE herzustellen.

Herstellung der DSSCs

Die DSSCs mit Sandwichstruktur wurden durch Beschneiden der Muster-CEs (einschließlich MoIn₂ S₄ , verschiedene MoIn₂ S₄ @CNTs und Pt-CEs) zusammen mit farbstoffsensibilisiertem TiO₂ . wie hergestellt Photoanode. Surlyn wurde als Abstandshalter zwischen den Elektroden verwendet und anschließend wurde der Zwischenraum mit flüssigem Redox-Elektrolyt gefüllt, der aus 0,60 µM Tetrabutylammoniumiodid, 0,10 µM Lithiumiodid, 0,05 µM Iod und 0,50 µM 4-tert-Butyl-Pyridin-Acetonitril-Lösung bestand.

Charakterisierungen

Die chemische Elementzusammensetzung der Proben wurde unter Verwendung von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse (Kratos Axis Ultra) charakterisiert. Die morphologischen Merkmale der Proben wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, JSM-7001F) beobachtet. Die BET-spezifische Oberflächenmethode wurde unter Verwendung eines JW-K-Analysators durch Stickstoffabsorption verwendet, um die Oberfläche und die Porengrößenverteilung zu testen. Die anderen relevanten elektrochemischen Eigenschaften wurden von einer elektrochemischen Workstation CHI660E untersucht. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde in einem Frequenzbereich von 0,1–10 ⁵ . durchgeführt Hz mit einer gestörten Amplitude von 5 mV. Die photovoltaischen Leistungen der DSSCs wurden durch Messung der Stromdichte-Spannung (J -V ) Kennlinien bei Einstrahlung von 100 mW cm ⁻² vom Sonnensimulator (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd).

Ergebnisse und Diskussionen

Zusammensetzung und Morphologie

Das XPS wird verwendet, um die Oberflächenzusammensetzung und den chemischen Zustand jedes Elements in MoIn₂ . zu untersuchen S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs-Filme. Das Spektrum der Umfragedaten in MoIn₂ S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs-2-Proben werden in Abb. 1a gezeigt, um das Vorhandensein von Mo-, In-, S- und C-Elementen (als Referenz) zu überprüfen. Darüber hinaus werden alle Spektren der vier Proben, kalibriert durch den C 1s-Peak bei der Bindungsenergie von 284,6 eV [17], mit der in Abb. 1b und c gezeigten Gaußschen Anpassungsmethode analysiert. Der C 1s-Peak erschien in MoIn₂ S₄ Es ist bekannt, dass die Probe aus dem zufälligen Kohlenstoff stammt, der durch den Kontakt mit der Luft verursacht wurde. In der Mo 3d-Region werden zwei Hauptpeaks bei 228,8 und 232,1 eV Mo 3d5/2 und Mo 3d3/2 des MoS₂ . zugeordnet [32] bzw. Dieses Ergebnis bestätigt, dass sich das Mo-Element in seinem IV-Oxidationszustand befindet, der zu Mo ⁴⁺ . reduziert ist (MoIn₂ S₄ ) ab Mo ⁶⁺ (Na₂ MoO₄ ) [33]. Die Dublettpeaks bei Bindungsenergien von 445,2 und 452,2 eV entsprechen In 3d5/2 und In 3d3/2 [24, 34]. Was die XPS-Spektren von S 2p betrifft, so gehören die Peaks bei 161,8 und 163,1 eV zu S 2p3/2 bzw. 2p1/2, was dem S₂ . zugeschrieben wird ⁻ [17, 32]. Die obigen Ergebnisse stimmen gut mit unseren früheren Studien überein [31]. Darüber hinaus wurde in der Untersuchung kein anderes Element oder kein zusätzlicher Peak gefunden, was erneut bestätigt, dass die synthetisierten Proben eine ähnliche chemische Zusammensetzung und Struktur aufweisen.

XPS-Spektren der Proben

Die Oberflächenmorphologien von MoIn₂ . im präparierten Zustand S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs-Nanofilme werden durch REM-Bilder in Abb. 2 beobachtet. In Abb. 2a ist MoIn₂ S₄ Die Probe weist eine blütenblattartige Nanoblattstruktur mit einer einheitlichen, glatten und dichten Oberfläche auf. Im Gegensatz zu MoIn₂ S₄ Nanofilme, die Hedgehog-Ball-Struktur findet sich in MoIn₂ S₄ @CNT-Proben in Abb. 2b–d und der durchschnittliche Durchmesser des MoIn₂ S₄ @CNTs Nanosphären sind etwa 890 nm groß. Es ist leicht zu beobachten, dass so viele Netzwerk-Nanoblätter vollständig auf dem FTO-Substrat aufgewachsen sind. Im Vergleich zum MoIn₂ S₄ @CNT-Samples mit niedrigem (MoIn₂ S₄ @CNTs-1) und hoch (MoIn₂ S₄ @CNTs-3) CNT-Inhalte, die Stichprobe mit moderatem Inhalt (MoIn₂ S₄ @CNTs-2) zeigt mehr Hedgehog Balls und Nanosheets Array im Netzwerk des MoIn₂ S₄ . Eine gute Kontaktleistung zwischen der Netzwerk-Nanoblatt-Array-Struktur mit einer großen Anzahl von Hedgehog-Kugeln auf dem FTO-Substrat erleichtert die Reduzierung von I₃ ⁻ aufgrund seiner guten Leitfähigkeit und großen katalytisch aktiven Zentren, von denen vorhergesagt werden kann, dass das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE wird eine bessere Leistung erzielen als die des MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1 und MoIn₂ S₄ @CNTs-3 CEs. Darüber hinaus unterschiedliche Morphologien zwischen MoIn₂ S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs weisen darauf hin, dass CNTs eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Morphologie der Proben spielen.

REM-Bilder von a MoIn₂ S₄ , b MoIn₂ S₄ @CNTs-1, c MoIn₂ S₄ @CNTs-2 und d MoIn₂ S₄ @CNTs-3

Abbildung 3 zeigt die XRD-Muster verschiedener Proben. Unter ihnen sind die Beugungspeaks bei 25,74 und 42,85° auf die Signale der CNTs zurückzuführen [31]. Die Beugungspeaks bei 2θ =27,5, 33,4, 43,7, 47,9, 56,2 und 59,6° gehören zur (311), (400), (511), (440), (533) und (444) kristallographischen Ebene (JCPDS Karte Nr. 32-0456) von In₂ S₃ . Die Peaks bei 14,4 und 66,5° werden als (002)- und (114)-Kristallebenen mit kubischer Struktur (JCPDS-Karte Nr. 37-1492) für das MoS₂ . angesehen [33]. Aus dem MoIn₂ S₄ @CNTs-2 und MoIn₂ S₄ Proben erscheinen die Peaks der oben diskutierten in beiden Proben gut. Im Vergleich zum MoIn₂ S₄ Probe, der Peak für die CNTs bei 25,74° ist in MoIn₂ . deutlich zu sehen S₄ @CNTs-2 XRD-Muster. Daraus kann geschlossen werden, dass das MoIn₂ S₄ @CNTs-2-Materialien werden erfolgreich synthetisiert und es werden keine Verunreinigungen eingeführt.

XRD-Muster verschiedener Proben

N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen werden gemessen und in Abb. 4 gezeigt, um die spezifischen Oberflächen und Porenmerkmale zu untersuchen. Im Allgemeinen erleichtert die größere spezifische Oberfläche eine bequemere Ladungsübertragung an der CE/Elektrolyt-Grenzfläche [35]. Es zeigt aus Abb. 4, dass die Proben eine offensichtliche Hystereseschleife des Typs IV-Adsorptions-Desorptions-Verhaltens aufweisen, und ihre entsprechenden Daten, die mit der Brunauer-Emmett-Teller (BET)- und Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Methode berechnet wurden, sind in tabellarisch aufgeführt Tabelle 1. Im Vergleich dazu lässt sich leicht feststellen, dass die spezifische Oberfläche und der durchschnittliche Porendurchmesser des MoIn₂ S₄ @CNT-Samples sind viel besser als die von MoIn₂ S₄ . Unter den drei MoIn₂ S₄ @CNT-Samples, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 zeigt die größte spezifische Oberfläche von 66,80 m ² g ⁻¹ und den kleinsten durchschnittlichen Porendurchmesser von 17,8 nm, der auf die ausgezeichnete Hedgehog-Ball-Struktur nach Dotierung mit moderaten CNTs zurückgeführt werden kann. Es ist vernünftig anzunehmen, dass das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE erhält die feine katalytische Aktivität und erreicht somit eine hocheffiziente Geräteleistung.

N₂ Absorptions-Desorptions-Isothermen verschiedener Proben

Elektrochemische Eigenschaften

CV-Messungen werden durchgeführt, um das elektrokatalytische Verhalten der so erhaltenen Proben im Potentialbereich von − 0,6 bis 1,0 V bei einer Abtastrate von 60 mV s ⁻¹ . zu untersuchen für das MoIn₂ S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs CEs und die berechneten Werte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die linken Peaks der beiden Paare von Oxidations- und Reduktionspeaks in jeder CV-Kurve in Abb. 5a werden der Gleichung (I₃ .) zugeschrieben ⁻ + 2e ⁻ ↔ 3I ⁻ ), die die Leistung der elektrokatalytischen Aktivität der CE-Materialien, insbesondere in DSSCs, bestimmt [23, 36]. Die Werte der negativen Reduktionsspitzenstromdichte (J _pc ), ein Schlüsselparameter im CV-Test, folgt den Ordnungen von Pt (3,80 mA cm ⁻² ) 2 S₄ (4,31 mA cm ⁻² ) 2 S₄ @CNTs-1 (4,68 mA cm ⁻² ) 2 S₄ @CNTs-3 (5,09 mA cm ⁻² ) 2 S₄ @CNTs-2 (7,47 mA cm ⁻² ). Offensichtlich ist das MoIn₂ S₄ CE selbst hat eine gute katalytische Aktivität und das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE zeigt viel höhere J _pc als die des Pt, MoIn₂ S₄ CEs und die anderen beiden Arten von MoIn₂ S₄ @CNTs CEs werden seiner charakteristischen Oberflächenmorphologie, dem synergistischen Effekt der dotierten CNTs und der größeren Oberfläche zugeschrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE hat eine feine elektrokatalytische Aktivität für das I ⁻ /I₃ ⁻ Redoxpaar in DSSC-CEs. Abbildung 5b zeigt die CV-Kurven des MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE bei einer Abtastrate von 60 mV s ⁻¹ und sie ändern sich bei 50 Zyklen fast nicht, was darauf hindeutet, dass das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE besitzt eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität.

a CVs der verschiedenen CEs bei einer Abtastrate von 60 mV s ⁻¹ . b 50 Zyklen CV des MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE

Abbildung 6a–c zeigen die CVs von MoIn₂ S₄ @CNTs CEs mit unterschiedlichen Abtastraten. Mit steigenden Scanraten von 20 auf 120 mV s ⁻¹ , verschieben sich die Oxidations- und Reduktionspeaks aufgrund der schnellen Diffusion von I ⁻ . in positive und negative Richtung /I₃ ⁻ Redoxpaar auf den Oberflächen von CEs und die große elektrochemische Polarisation [28]. Darüber hinaus zeigt Fig. 6d die Beziehung zwischen den Stromdichten der anodischen und kathodischen Spitzen der linken Spitzenpaare gegenüber der Quadratwurzel der Durchlaufraten. Die gut angepassten linearen Beziehungen zeigen, dass die Redoxreaktion von I ⁻ /I₃ ⁻ dominiert von diffusionskontrolliertem Ionentransport [22, 25].

Lebensläufe des MoIn₂ S₄ @CNTs CEs mit unterschiedlichen Abtastraten a MoIn₂ S₄ @CNTs-1, b MoIn₂ S_4@ CNTs-2, c MoIn₂ S₄ @CNTs-3 und d die Einflüsse der Scanrate auf die Redoxpeakstromdichte

Abbildung 7a zeigt die Nyquist-Diagramme der verschiedenen Proben, um weitere Einblicke in die Kinetik des Ladungstransferprozesses an der Grenzfläche zu erhalten. Die EIS-Daten, die aus den angepassten Kurven mit einem Modellersatzschaltbild des Einsatzes erstellt wurden, sind in Tabelle 2 aufgeführt. Typischerweise enthalten die Nyquist-Diagramme zwei Halbkreise, der erste Halbkreis links repräsentiert den Ladungsübergangswiderstand R _ct an der Grenzfläche CE und Elektrolyt, und der zweite Halbkreis entspricht der Nernst-Diffusionsimpedanz im Elektrolyten, während der Achsenabschnitt im Hochfrequenzbereich auf der reellen Achse als Serienwiderstand R _s . Im Allgemeinen R _s und R _ct sind zwei wichtige Parameter zur Bewertung der katalytischen Aktivität von CE in DSSC. Ein kleines R _s weist auf einen guten Kontakt zwischen Katalysator und Substrat hin, und daher ist auch der Widerstand der gesamten Vorrichtung gering [29, 37, 38]. In der Zwischenzeit, kleiner R _ct steht für eine hohe Ladungsübertragungsrate. Wie in Tabelle 2 dargestellt, ist der R _s Werte des MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 und MoIn₂ S₄ @CNTs-3 CEs sind 24,77, 23,16, 18,96 und 19,58 Ω cm ² , bzw. Offensichtlich sind alle zusammengesetzten MoIn₂ S₄ @CNTs CEs haben das kleinere R _s als die des MoIn₂ S₄ CE, was darauf hinweist, dass die Leitfähigkeit des MoIn₂ S₄ @CNTs CEs werden nach dem Dotieren von CNTs verbessert. Darüber hinaus sind unter den vier CEs die Trends von R _ct ist MoIn₂ S₄> MoIn₂ S₄ @CNTs-1> MoIn₂ S₄ @CNTs-3> MoIn₂ S₄ @CNTs-2, was auf eine umgekehrte Reihenfolge der elektrochemischen Impedanz und der katalytischen Fähigkeit der CEs schließen lässt. MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE besitzt den niedrigsten R _ct Wert kann auf die Synergie der CNTs mit feiner Leitfähigkeit und MoIn₂ . zurückgeführt werden S₄ mit ausgezeichneter katalytischer Fähigkeit, was zu einer effektiveren Reduktion von Triiodid an der CE/Elektrolyt-Grenzfläche führt. Offensichtlich sind die Leitfähigkeit und die katalytische Fähigkeit des MoIn₂ S₄ @CNTs Composite CEs wurde stark verbessert als das des MoIn₂ S₄ CE, und das Ergebnis stimmt vollständig mit den BET- und CV-Tests überein.

a EIS und b Tafelkurven des symmetrischen MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs-1, MoIn₂ S₄ @CNTs-2 und MoIn₂ S₄ @CNTs-3 CEs

Die Tafel-Polarisationskurven der verschiedenen CEs werden wie in Abb. 7b gezeigt gemessen, und die entsprechenden Parameterwerte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Normalerweise enthält eine Standard-Tafel-Kurve zwei signifikante Parameter namens Austauschstromdichte (J ₀ ) und begrenzende Diffusionsstromdichte (J _lim ). J ₀ hängt mit der katalytischen Reduktionsreaktion zusammen. Je größer das J ₀ ist, desto besser ist die katalytische Wirkung. J _lim hängt auch positiv mit der Diffusionseffizienz des Elektrolyten zusammen. Das größere J _lim zeigt die schnellere Diffusion von I₃ . an ⁻ Ionen [29, 37]. Wie in Abb. 7b und Tabelle 2 dargestellt, ist der J _lim und J ₀ sind alle in der Ordnung Pt 2 S₄ 2 S₄ @CNTs-1 2 S₄ @CNTs-3 2 S₄ @CNTs-2, was darauf hindeutet, dass die katalytische Aktivität von MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE hat sich nach dem Dotieren von CNTs stark verbessert. Unter den oben genannten CEs ist das MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE weist im Vergleich zu den anderen die beste katalytische Aktivität auf. Das größte J _lim und J ₀ des MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE kann seiner großen spezifischen Oberfläche aus Hedgehog-Ball-Struktur und der verbesserten Leitfähigkeit durch CNTs-Dotierung zugeschrieben werden.

Photovoltaische Leistung der DSSCs

Im Gegensatz dazu sind die DSSCs mit dem MoIn₂ S₄ , MoIn₂ S₄ @CNTs und Pt-CEs werden mit den einheitlichen Photoanoden und dem Elektrolyten hergestellt. Die J -V Kennlinien werden unter 1 Sonne gemessen (AM 1,5 G, 100 mW cm ⁻² ) und die entsprechenden photovoltaischen Parameterwerte sind in Tabelle 3 aufgeführt. Vier Schlüsselparameter einschließlich der Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ), Füllfaktor (FF ) und Leistungsumwandlungseffizienz (η ) werden normalerweise verwendet, um die photovoltaische Leistung der DSSCs zu bewerten. Der FF und η der DSSCs werden nach den Gl. (1) und (2):

wo P _in ist die einfallende Lichtleistung und J _max (mA cm ^–2 ) und V _max (V ) sind die Stromdichte und Spannung am Punkt der maximalen Leistungsabgabe im J–V Kurven.

Wie aus Abb. 8 ersichtlich, sind die DSSCs mit MoIn₂ S₄ und CNTs CEs haben einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 7,44 % und 3,62 %. Im Vergleich zu den DSSCs mit dem MoIn₂ S₄ und CNTs CEs, die DSSCs zusammengesetzt mit den drei MoIn₂ S₄ @CNTs CEs zeigen eine Verbesserung J _sc und η Werte. Außerdem ist die J _sc und η Werte der DSSCs basierend auf dem MoIn₂ S₄ @CNTs CEs steigen mit steigendem CNT-Gehalt von 10 auf 20 mg. Während der CNT-Gehalt weiter auf 30 mg erhöht wird, führt dies zu einem leichten Abfall des J _sc und η . Im Vergleich zum Pt-basierten DSSC sind alle drei MoIn₂ S₄ @CNTs-basierte DSSCs weisen verbesserte η . auf von 8,16 %, 8,31 % und 8,38 %, die höher sind als die der Pt-basierten DSSC (η von 8,01 %) unter der gleichen Bedingung. Insbesondere das DSSC mit dem MoIn₂ . zusammengebaut S₄ @CNTs-2 CE zeigt die beste Photovoltaikleistung und erreicht ein η von 8,38 % und das entsprechende J _sc von 17,17 mA cm ⁻² , V _oc von 0,745 V und FF von 0,655. Die verbesserte photoelektrische Eigenschaft des DSSC mit dem MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE war auf die synergetische Wirkung der CNTs und des MoIn₂ . zurückzuführen S₄ .

J -V Eigenschaften der mit verschiedenen CEs hergestellten DSSCs

Schlussfolgerungen

Ternäres MoIn₂ S₄ und MoIn₂ S₄ @CNTs-Gegenelektroden werden auf einem FTO-Substrat unter Verwendung einer einfachen einstufigen hydrothermalen Methode hergestellt und in DSSCs eingesetzt. Unter optimalen Bedingungen basieren die DSSCs auf dem MoIn₂ S₄ @CNTs CEs erreichen alle eine gute Leistungsumwandlungseffizienz. Besonders das DSSC mit dem MoIn₂ S₄ @CNTs-2 Composite CE weist eine gute Leistungsumwandlungseffizienz von 8,38 % auf, die viel höher ist als die der DSSCs mit dem MoIn₂ S₄ CE (7,44 %) und die Pt-Elektrode (8,01 %). Die verbesserte photoelektrische Eigenschaft des DSSC mit dem MoIn₂ S₄ @CNTs-2 CE war auf die synergetische Wirkung der CNTs und des MoIn₂ . zurückzuführen S₄ . Der synergetische Effekt des MoIn₂ S₄ @CNTs CE in der elektrochemischen Leistung wurde durch eine Reihe von elektrochemischen Tests bestätigt, einschließlich zyklischer Voltammetrie, elektrochemischer Impedanz und Tafel-Kurven. Das zusammengesetzte MoIn₂ S₄ @CNTs Film besitzt eine große spezifische Oberfläche durch N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermentest, der vorteilhaft ist, um mehr Elektrolyt zu adsorbieren und eine größere aktive Kontaktfläche für die Elektrode bereitzustellen. Die Fakten des MoIn₂ S₄ @CNTs CE, die in DSSC serviert werden, erweitert die potenziellen Anwendungen von Übergangsmetallkomplex-Halbleitern auf dem Gebiet der optoelektronischen Chemie.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Datensätze, auf die sich die Schlussfolgerungen des Manuskripts stützen, werden im Hauptpapier vorgestellt.

Abkürzungen

CE:

Gegenelektrode

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

DSSC:

Farbstoffsensibilisierte Solarzelle

I ⁻ /I₃ ⁻ :

Jodid/Trijodid

J ₀ :

Austauschstromdichte

J _lim :

Begrenzung der Stromdichte

J _max :

Maximale Stromdichte

J _sc :

Kurzschlussstromdichte

J-V :

Fotostrom-Fotospannung

P _in :

Auflichtleistung

R _ct :

Ladungsübergangswiderstand

R _s :

Serienwiderstand

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

V _max :

Maximale Spannung

V _oc :

Leerlaufspannung