Повышение эффективности преобразования энергии квантово-чувствительных солнечных элементов за счет интеграции концепции концентрирующих фотоэлектрических элементов с двойными фотоанодами

Введение

В качестве перспективного и сравнительно экономичного устройства для фотоэлектрического преобразования солнечные элементы, сенсибилизированные квантовыми точками (QDSSC), привлекли большое внимание из-за их высокой теоретической эффективности преобразования энергии (PCE) [1, 2]. QDSSC наследуют структуру сенсибилизированных красителем солнечных элементов, включая фотоанод (обычно слой пористого оксидного полупроводника с широкой запрещенной зоной, покрытый полупроводниковыми квантовыми точками в качестве сенсибилизаторов), жидкий электролит и противоэлектрод. Чтобы улучшить клеточный PCE для потенциального коммерческого применения, были исследованы многочисленные стратегии, в основном с материальной точки зрения, включая синтез новых сенсибилизаторов QD для расширения диапазона сбора света; изготовление фотоанодов с различными наноструктурами, таких как пористая пленка [3], нанотрубка [4, 5] и наностержень для лучшего извлечения электронов [6, 7]; создание фотоанода, легированного благородными металлами, с использованием локализованного поверхностного плазмонного резонанса [8, 9]; разработка сульфидных и других счетчиков для замены счетчика Pt; синтез разных электролитов; и так далее.

Одним из наиболее важных факторов, ограничивающих эффективность фотоэлектрического преобразования QDSSC, является узкий диапазон поглощения солнечного излучения [10]. Область поглощения сильно зависит от тонкой пленки фотоанода и квантовых точек. Сужение запрещенной зоны квантовых точек - эффективный способ расширения диапазона светособираний. Чжун и др. синтезировал КТ, легированные Zn – Cu – In – Sn, и значительно улучшил PCE QDSSC, установив несколько рекордов PCE для QDSSC [11,12,13]. В настоящее время самый высокий PCE QDSSCs составляет 14,02%, достигнутый Zhao et al. [14]. В их работе КТ, легированные Zn – Cu – In – Sn, использовались в качестве сенсибилизатора, а противоэлектрод (CE) - CuS, легированный углеродными нанотрубками и графеном, что положило начало новому уровню PCE QDSSC. Однако чрезмерное уменьшение ширины запрещенной зоны для улучшения улавливания солнечного света вызовет потерю напряжения холостого хода и снизит производительность устройства из-за смещения края зоны проводимости вниз.

Для дальнейшего повышения производительности ячейки была принята во внимание конфигурация устройства. В сенсибилизированных красителями солнечных элементах и ​​солнечных элементах с коллоидными квантовыми точками [15] тандемные структуры уже использовались в качестве важного подхода для преодоления ограничений PCE [16, 17]. Для большинства тандемных структур солнечных элементов, сенсибилизированных красителем, полупрозрачная Pt на проводящем стекле или сетка из Pt применяется в середине элемента в качестве противоэлектрода [18]. TiO ₂ пленки разделяются на два или более слоев, сенсибилизированных одними и теми же или разными красителями, что может расширить спектральный отклик и тем самым значительно улучшить характеристики ячейки [19,20,21]. Для QDSSCs Meng et al. спроектировать структуру двойного фотоанода с полупрозрачной сеткой Cu ₂ Противоэлектрод S зажат между двумя TiO ₂ фотоэлектроды. При освещении одним солнцем от верхнего электрода оптимизированная ячейка показывает увеличение PCE на 12% [22]. В их работе тандемная структура была использована в QDSSCs впервые. Однако эффективность использования света тандемной структурой батарей ограничена. Xu et al. продемонстрировали усиленное ближним инфракрасным светом восстановление полисульфида на границе электрод-электролит путем освещения CuS-противоэлектрода ближним инфракрасным светом, показав увеличение PCE на 15%, что объясняется фототермическим эффектом и поглощением плазмонного резонанса [23].

Благодаря большим усилиям, предпринятым в последние несколько десятилетий, PCE QDSSC можно сравнить с PCE параллельного устройства, сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Однако эффективность QDSSC все еще далеко от теоретического значения, и ее еще предстоит решить для коммерческого применения. Таким образом, изучение новой стратегии повышения PCE QDSSC остается актуальной задачей. Здесь мы интегрируем концентрирующую фотоэлектрическую концепцию в QDSSC с двойной пористой TiO ₂ фотоаноды и Cu ₂ Конструкция противоэлектрода с S-образной сеткой [24], обеспечивающая увеличение PCE на 260% по сравнению с традиционным устройством с одним фотоанодом. С наиболее широко используемыми сенсибилизаторами CdS / CdSe QD рекордное значение PCE составляет 8,28% ( V _oc =0,629 В, Дж _sc =32,247 мА · см ⁻² ) достигается.

Управление светом как важная технология повышения эффективности преобразования в солнечных элементах направлена ​​на увеличение потока фотонов, принимаемых солнечными элементами [25]. Структура захвата света - широко используемый метод управления освещением, включая зеркала [26, 27], ламбертовские поверхности [28] и текстурированные поверхности [29, 30]. Благодаря эффекту улавливания света длина оптического пути увеличивается, тем самым улучшая PCE солнечных элементов. Одной из основных структур улавливания света является изготовление зеркала на задней поверхности солнечного элемента, и коэффициент отражения зеркала может достигать 95% [31]. Вдохновленный приведенным выше обсуждением, рис. 1 иллюстрирует архитектуру устройства, используемого в настоящей работе. Двойной TiO ₂ принята конструкция фотоанода, которая разделена Cu ₂ S-сетка в качестве противоэлектрода. Толщина TiO ₂ размер фотоанода составляет около 4,5 мкм, что видно на рис. S1. В верхней и нижней ячейках используются один и тот же материал и структура, поэтому нет необходимости учитывать постоянную решетки и коэффициент расширения различных полупроводниковых материалов в двух фотоанодах. Cu ₂ S, выращенный на медной сетке в качестве противоэлектрода, позволяет проходящему свету от верхней ячейки попадать на нижний фотоанод. Материалы с широкой запрещенной зоной наверху отфильтровывают фотоны с высокой энергией, а фотоны с низкой энергией проходят через них и затем поглощаются материалами с узкой запрещенной зоной в нижней ячейке. Очевидно, PCE структуры с двойным фотоанодом выше, чем у структуры с одним фотоанодом, потому что структура с двумя фотоанодами может захватывать больше света и, таким образом, увеличивать плотность тока. Однако освещение только в верхнем направлении вызывает увеличение PCE всего на 18% по сравнению с устройством с одним фотоанодом, как показано ниже, что связано с сильным поглощением и отражением солнечного света верхней ячейкой, оставляя недостаточную плотность света для нижней ячейки. [22].

Принципиальная схема конструкции ячейки в настоящей работе

Учитывая, что улавливаемый свет нижней ячейки ограничен, мы вводим концепцию концентрирующего фотоэлектрического элемента (CPV) в текущем устройстве [32, 33] и устанавливаем параболический отражатель под нижним фотоанодом. В системах CPV используются оптические элементы для фокусировки света на небольшой площади солнечных элементов, что повышает эффективность фотоэлектрической технологии при минимальных затратах. Уменьшение площади ячеек может заставить CPV конкурировать с плоскопанельными фотоэлектрическими батареями. Как показано на рис. 1, параболический отражатель направляет сфокусированный свет на нижний фотоанод. Регулируя расстояние между рефлектором и нижним фотоанодом, можно было отрегулировать активную область в соответствии с площадью ячейки. Кроме того, усиленный свет может проходить и попадать на верхний фотоанод, обеспечивая дополнительную энергию возбуждения для сбора света. Конечно, фототермический эффект, вызванный CPV, должен влиять на характеристики PV [34], которые будут подробно обсуждены позже.

Методы

Материалы

Диоксид титана (99,8%, 10–25 нм, TiO ₂ ) и сульфита натрия (AR, Na ₂ SO ₃ ) поставлялись от Аладдина. Проводящее стекло из оксида олова, легированного фтором (FTO, толщина 1,6 мм, коэффициент пропускания 83%, сопротивление листа 15 на квадрат), было приобретено у Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (Китай). Метанол (AR, CH ₃ OH), этанол (AR, CH ₃ Канал ₂ OH) и ацетон (AR, CH ₃ ОСН ₃ ) были поставлены Beijing Chemical Works (Китай). Этилендиамин (AR, C ₂ H ₈ N ₄ ) и селен (AR, Se) были приобретены в Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (Китай). Соляная кислота (36%, HCl), этилцеллюлоза этилцеллюлоза (AR, [C ₆ H ₇ О ₂ (OC ₂ H ₅ ) ₃ ] _n ), альфа-терпинеол (AR, C ₁₀ H ₈ O), ацетат кадмия (AR, Cd (CH ₃ COOH) ₂ ), ацетат цинка (AR, Zn (CH ₃ COOH) ₂ ), сульфид натрия (AR, Na ₂ S ∙ 9H ₂ O), сера (AR, S) и тиомочевина (AR, CH ₄ N ₂ S) были поставлены Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Китай). Тринатрий нитрилотриуксусной кислоты (98%, C ₆ H ₉ NNa ₃ О ₆ ) был приобретен у TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (Китай). Латунную сетку поставляла компания Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (Китай).

Подготовка Cu ₂ S-ответный электрод

Латунную сетку замачивали в HCl (36%) в течение 2 часов при 70 ° C для удаления цинка с поверхности медной сетки. Медную сетку промывали деионизированной водой и сушили при комнатной температуре после удаления медной сетки из раствора. Затем медную сетку погружали в водный раствор, содержащий 1 М Na ₂ . S и 1 M S в течение 5 с для получения хлопьев Cu ₂ S с последующей промывкой деионизированной водой и сушкой при комнатной температуре. Для приготовления гранулированного Cu ₂ S, Cu сетка, обработанная HCl (36%), была погружена в смешанный раствор CH ₄ N ₂ S (0,01 M) и C ₂ H ₈ N ₄ (0,4 мл) в течение 24 ч с последующей промывкой деионизированной водой и сушкой при комнатной температуре.

Получение ко-сенсибилизированного TiO ₂ квантовых точек CdS / CdSe Фотоанод

TiO ₂ мезопористая пленка была приготовлена ​​методом центрифугирования пасты, содержащей TiO ₂ (0,01 M), EC (0,4 г), C ₁₀ H ₈ O (3,245 г) и CH ₃ Канал ₂ OH (8,5 мл) на очищенных подложках из FTO, которые сушили в печи при 60 ° C с последующим отжигом при 450 ° C в течение 30 мин для удаления органических растворителей. Скорость вращения центрифуги для нанесения покрытий составляет 7500 об / мин в течение 30 с. Последовательный процесс адсорбции и реакции ионного слоя (SILAR) был использован для осаждения квантовых точек CdS. Обычно TiO ₂ пленку поочередно погружали в метанольный раствор Cd (CH ₃ COOH) ₂ (0,12 М) и Na ₂ Раствор S (0,02 M с метанолом и деионизированной водой 1:1 об. / Об.) В течение 30 S в каждом цикле, всего 5 циклов. Покрытие квантовых точек CdSe наносили методом химического осаждения из ванны (CBD). Подробно, раствор, содержащий Cd ²⁺ и Se ²⁻ исходник был подготовлен по следующей методике. 1,55 г Na ₂ SO ₃ растворяли в 25 мл деионизированной воды. 0,155 г порошка Se в виде Se ^2- источник был добавлен в вышеуказанный раствор. Полученный раствор нагревали на масляной бане при 125 ° C в течение 3 ч при перемешивании. Компакт-диск ²⁺ раствор был приготовлен смешиванием 25 мл деионизированного водного раствора нитрилотриуксусной кислоты (120 мМ) и 25 мл Cd (CH ₃ COO) ₂ раствор деионизированной воды (80 мМ). Затем подготовленный Se ²⁻ решение и компакт-диск ²⁺ раствор были смешаны вместе. Свежеприготовленные фотоаноды с покрытием CdS помещали в вышеуказанный смешанный раствор при 24 ° C на 2 часа в темноте. Для пассивирования ZnS сенсибилизированные пленки осаждали погружением в 0,1 M Zn (CH ₃ COO) ₂ и 0,1 М Na ₂ S (с метанолом и водой 1:1 об. / Об.) В течение 1 мин попеременно и 4 цикла. Активная площадь солнечного элемента 0,25 см ² . Полисульфидный электролит (2 M Na ₂ S и 2 M раствор S с метанолом и деионизированной водой 7:3 об. / Об.) Переливали в ячейку через инжектор.

Электрохимические измерения

Электрохимический анализ проводился на электрохимической станции DyneChem, а платина и Ag / AgCl использовались в качестве противоэлектрода и электрода сравнения соответственно. Циклическую вольтамперограмму и поляризационные кривые тафеля испытывали в 2 М полисульфидном электролите. Графики Найквиста QDSSC находятся при освещении одной полной солнечной интенсивностью. Напряжение, используемое во время измерений EIS, составляет 0,5 В.

Характеристика

Морфологию поверхности анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (JEOL7610), характеристики образцов измеряли с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) (Kratos Axis UltraDLD) и J - V Кривые QDSSC измеряли с помощью измерителя источника Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). ИК-изображения температуры получены с помощью FLIR T460.

Результаты и обсуждение

Существует множество наноструктурированных материалов, которые можно использовать в качестве противоэлектродов для QDSSC, включая Cu ₂ S, CoS, GeC [35] и NCW [36]. Однако Cu ₂ Противоэлектрод S на основе латунной сетки проявляет идеальную каталитическую активность по отношению к Sn ^2- / S ^2– редокс пара. Для приготовления Cu ₂ S противоэлектрод, используются два разных метода. Первый заключается в удалении Zn с поверхности латунной сетки с помощью соляной кислоты с последующим погружением сетки в смешанный раствор, содержащий CH ₄ N ₂ S и C ₂ H ₈ N ₄ в течение 24 ч [37]. СЭМ-изображения полученного Cu ₂ S-покрытая сетка показана на рис. 2a – c. Увеличенное изображение на сканирующем электронном микроскопе показывает гранулированный Cu ₂ S образуются. Поперечный разрез на рис. 2d указывает на наличие Cu ₂ S на латунной проволоке, трещина между ними возникает в результате резки во время подготовки поперечного сечения образца, а толщина составляет около 1,3 мкм. Образец поперечного сечения на рис. 2e показывает, что единственными элементами, которые там существуют, являются Cu и S. , а атомное отношение Cu к S составляет приблизительно 2. XPS-спектры Cu и S показаны на рис. 2f и h, соответственно. Пики Cu 2p при 952 эВ и 932,5ev соответствуют энергии связи электронов Cu 2p1 / 2 и Cu 2p3 / 2 соответственно, что согласуется с Cu ¹⁺ [38]. Пики, наблюдаемые в S 2p при 163,5 эВ и 161 эВ, соответствуют S 2p1 / 2 и S 2p3 / 2, соответственно, что согласуется с S ²⁻ [39]. Эти результаты подтверждают успешное получение Cu ₂ . S на латунной сетке, а морфология поверхности должна обеспечивать ее большую площадь поверхности и достаточную каталитическую активность.

СЭМ-изображения сетчатой ​​Cu ₂ Противоэлектрод S: a вид сверху; б , c увеличенный вид морфологии поверхности; г поперечный разрез и увеличенный вид Cu ₂ Слой S. е ЭЦП Cu ₂ С. е , г Обзорные спектры РФЭС Cu ₂ S образцы

Другой метод широко использовался в предыдущих отчетах, в котором латунную сетку сначала помещали в соляную кислоту, а затем погружали в полисульфидный электролит (1 M Na ₂ S и 1 M S) на подходящее время [40]. Соответствующие результаты показаны на рис. S2. Увеличенное изображение на сканирующем электронном микроскопе указывает на чешуйчатую Cu ₂ S образуются. Поперечный разрез указывает на наличие Cu ₂ S на латунной проволоке, и толщина также составляет около 1,3 мкм. 3 с. Спектры Cu XPS показывают пики при 933,1 эВ и 952,5 эВ, соответствующие Cu 2p3 / 2 и 2p1 / 2 соответственно [41]. Спектр S 2p показывает пик при 162,4 эВ, что подтверждает присутствие S ^2- [42]. Эффект Cu ₂ Морфология S на производительность клеток дополнительно исследуется.

Чтобы охарактеризовать производительность ячеек с разной архитектурой и CE, плотность фототока – напряжение ( Дж - V ) кривые получены и показаны на рис. 3a – d. Устройство с одним фотоанодом и устройство с двумя фотоанодами изготавливаются для сравнения с гранулированным и чешуйчатым Cu ₂ S как CE соответственно. Есть три способа освещения ячеек:верхнее, нижнее и двойное направление, как показано на рис. 4e, и поведение ячеек, работающих при различных условиях освещения, подробно исследовано, а соответствующие параметры ячеек сведены в Таблицу 1, включая открытые - напряжение цепи ( В _oc ), ток короткого замыкания ( Дж _sc ), коэффициент заполнения (FF) и PCE, в которых значения, не указанные в скобках, являются экспериментальными средними для двадцати групповых ячеек, а значения в скобках - чемпионскими значениями. Тестовая конфигурация для устройства с одним фотоанодом с гранулированным и чешуйчатым Cu ₂ S в качестве CE показан на рис. S3, а J - V кривые показаны на рис. 3а и б. PCE, излучающая сверху, снизу и в двух направлениях, составляет 2,32%, 2,00% и 3,59%, соответственно, в то время как V _oc находятся на уровне 0,6 В, а основное увеличение PCE связано с повышенным значением J _sc . Поскольку это устройство с одним фотоанодом, увеличенный J _sc должно быть связано с повышенной интенсивностью света от нижнего облучения, что приводит к увеличению количества фотогенерируемых электронов в фотоанодах. Следует отметить, что PCE облучения сверху ниже, чем у облучения сверху, даже если концентрированный свет более интенсивен, чем параллельный свет сверху, что можно пояснить на рис. S3. При концентрации света на QDSSC с одним фотоанодом свет должен проходить через стекло FTO, а затем через Cu ₂ S-сетка CE и электролит достигают верхнего фотоанода, что в некоторой степени вызывает потерю фотоэнергии. Исходя из нашего результата, интенсивность фотоэнергии, поступающей на верхний фотоанод, будет слабее, чем параллельное световое излучение сверху. Следовательно, КПЭ структуры ячейки одиночного фотоанода при облучении концентрированным светом ниже, чем при облучении параллельным светом на верхней стороне. Его можно дополнительно поддержать, приняв тестовую конфигурацию, показанную на рис. S4. Фокусировка света непосредственно на нижний фотоанод в качестве рабочего электрода обеспечивает КПД 4,32% и ток короткого замыкания 21,6 мА см ⁻² , почти в два раза больше тока короткого замыкания, генерируемого параллельным светом, излучающим фотоанод, что означает, что поток фотонов после конденсации в два раза больше, чем поток параллельного света сверху. По изменению потока фотонов мы можем вычислить коэффициент конденсации, равный 2, что согласуется с результатами наших измерений. Как видно из Таблицы 1, средний КПД структуры ячеек двойного фотоанода с гранулированным Cu ₂ S CE составляет 5,51% при условии концентрации света с нижней стороны, а увеличение PCE связано с вкладом верхнего фотоэлектрода, что указывает на то, что верхний фотоанод захватывает больше фотонов в условиях концентрации.

Чемпион J - V кривые QDSSC различной структуры. а Однофотоанодный и гранулированный Cu ₂ S CE. б Однофотоанод и чешуйка Cu ₂ S CE. c Двойной фотоанод и гранулированный Cu ₂ S CE. г Двойной фотоанод и чешуйка Cu ₂ S CE. е CV и g тафелевые поляризационные кривые двух Cu ₂ S CE соответственно. е Электрохимическая стабильность различных КЭ изучалась методом CV. ч Графики Найквиста QDSSC с разными КЭ и разными структурами при освещении одной полной солнечной интенсивностью. я Увеличенная часть рамки с черными точками в h

Инфракрасные фотографии при различных условиях освещения: а без света, б параллельный свет на верхней стороне, c концентрированный свет от параболического отражателя, d свет с обеих сторон светит одновременно, и e схема моделирования различных условий освещения

Для устройства двойного фотоанода с гранулированным Cu ₂ S в качестве CE, PCE, излучающая сверху, снизу и в двух направлениях, составляет 2,64% ( J _sc =11,552 мА см ⁻² ), 5,53% ( J _sc =26,287 мА см ⁻² ) и 8,28% ( J _sc =32,247 мА · см ⁻² ), соответственно. По сравнению с традиционной структурой с одним фотоанодом, облученной сверху (2,32%), КПД увеличивается на 260%. Увеличение PCE, очевидно, связано с увеличением J _sc , что указывает на параллельную работу двойных фотоанодов. Измеренная сила света концентрированного света снизу примерно вдвое больше, чем у верхнего параллельного света. В условиях облучения концентрированным светом PCE QDSSCs должен быть выше, чем у верхнего параллельного света. Это согласуется с настоящим результатом, что PCE от нижнего облучения более чем в 2 раза по сравнению с таковым от верхнего облучения.

Следует отметить, что поведение клеток на основе чешуек Cu ₂ S CE аналогичны, но показывают общие пониженные значения фотоэлектрических параметров. Чтобы изучить подробное происхождение, кривые циклической вольтамперограммы (CV) и кривые поляризации тафеля двух детей Cu ₂ S CE измеряются с помощью трехэлектродной системы. На рис. 3e представлены кривые CV, гранулированный Cu ₂ S показывает более высокую плотность тока. Пик восстановления гранулированного Cu ₂ S выше, чем чешуйчатая Cu ₂ S, что указывает на более высокую скорость окислительно-восстановительной реакции S ^2- / S _n ^2– в электролите. На рис. 3f показаны CV-кривые Cu ₂ . Электрод S различной морфологии от 1 до 25 циклов. Нет очевидных изменений, которые можно было бы найти для формы кривой CV и положения пика. Кривые CV хорошо перекрываются при непрерывном сканировании, что указывает на то, что обе морфологии электрода обладают хорошей химической стабильностью. Из рис. 3ж видно, что плотность обменного тока ( Дж ₀ ) гранулированной Cu ₂ S больше, чем у чешуек Cu ₂ S. Согласно результатам испытаний поляризационных кривых CV и тафеля, можно предположить, что каталитическая активность гранулированного Cu ₂ S лучше, чем у Cu ₂ Фильм S. Это соответствует фотоэлектрическим характеристикам J - V кривые на рис. 3а – г. Для дальнейшего подтверждения каталитической активности противоэлектродов изучаются спектры EIS, которые показаны на рис. 3h. Сплошные фиолетовые линии представляют собой аппроксимирующие кривые, а данные аппроксимации сведены в Таблицу 2. R _ct1 , R _ct2 , и R _s представляют сопротивление переноса заряда на противоэлектроде, сопротивление переноса заряда на границе фотоанод / электролит и последовательное сопротивление соответственно. Видно, что структура отдельной ячейки фотоанода и сопротивления переносу заряда R _ct1 для гранулированной Cu ₂ S и чешуйки Cu ₂ S составляет 3,522 и 6,753 Ом · см ² соответственно, а у двойного фотоанода - 5,990 и 8,088 Ом · см ² , соответственно. Меньший R _ct1 гранулированной Cu ₂ S означает лучшую проводимость из-за меньшего сопротивления переносу заряда.

Поток фотонов внутри поглотителя подчиняется закону Ламберта – Бера:

где b ( E , x ) - поток фотонов, принимаемых квантовыми точками в позиции x , bs ( E ) - поток фотонов, принимаемых в вертикальном направлении к солнечному излучению, R ( E ) - коэффициент отражения поверхности раздела, а α ( E , x ) - коэффициент поглощения в позиции x . CPV собирает падающий свет на большой площади и фокусирует его на небольшой площади солнечного элемента для фотоэлектрического преобразования. Коэффициент концентрации X является важным параметром для описания производительности концентрирующих солнечных элементов, то есть увеличения плотности потока фотонов во время b ( E ) и также аппроксимируется как отношение площади собранного падающего света к площади солнечных элементов. Можно считать, что сфокусированный свет однороден в пределах половины угла концентрации ( θ _X ), и увеличенные времена потока солнечных фотонов b _s ( E , x ) равно коэффициенту концентрации X . Следовательно, для CPV уравнение. (1) можно выразить как:

Фототок ( J _ph ), генерируемые солнечным элементом в условиях освещенности, определяемых потоком фотонов и производительностью солнечного элемента, Дж _ph равно J _sc , и может быть выражено как:

где Q это элементарный заряд. квантовая эффективность (QE) является функцией энергии фотона. Считаем, что поток фотонов коллектора bs ₂ равно Y раз больше, чем у верхнего потока фотонов bs ₁ , а J _sc ячейки двойного фотоанода при облучении снизу можно выразить как:

Следовательно, сумма J _sc1 значение при условии параллельного излучения света сверху и Дж _sc2 значение при условии засветки концентрированным светом снизу должно быть равно Дж _{sc1, 2} генерируется световым излучением с обеих сторон фотоэлектрической панели. Уравнение (4) в основном согласуется с J - V результаты приведены в таблице 1, однако с некоторыми отклонениями. Как видно из J _sc данные, сумма J _sc1 подсветка сверху и J _sc2 освещение снизу немного меньше, чем у J _{sc1, 2} подсветка с двух сторон для устройств с двойным фотоанодом. Отклонение должно быть результатом фототермического эффекта из-за изменения температуры QDSSC при различных условиях освещения.

Хорошо известно, что сфокусированный свет на оптоэлектрических устройствах вызывает накопление тепла и повышение температуры. В настоящей работе поток фотонов концентрированного света от параболического отражателя, измеренный измерителем интенсивности света, примерно вдвое превышает нормальный имитатор солнечного света; это означает, что коэффициент концентрации равен 2, что намного меньше, чем у практических устройств CPV. Однако по-прежнему необходимо исследовать влияние теплового накопления на ячейку. Мы используем инфракрасную (ИК) камеру для наблюдения за изменением температуры в различных условиях тестирования. Фокусное расстояние используемого параболического отражателя - 6,5 см. Мы помещаем фотоэлектрическое устройство на 0,5 см ниже точки фокусировки параболического отражателя, чтобы обеспечить полное освещение активной области, которая составляет примерно 1,5 см ² . ИК-изображения температуры для устройств с двойным фотоанодом показаны на рис. 4b – d, а соответствующие условия облучения показаны на рис. 4e. По сравнению с необлученными устройствами повышение температуры составляет 9,3 ° C, 20,6 ° C и 32,6 ° C соответственно. Двухстороннее облучение показывает более высокий рост температуры, чем сумма раздельного облучения сверху и снизу, что указывает на дополнительный механизм со стороны материала или границы раздела, задействованного здесь. Реакция S ²⁻ / S _n ^2– в электролите и интерфейсе не одинаковы при разных температурах. Согласно формуле Аррениуса, скорость химической реакции в ФВ увеличивается с повышением температуры. С повышением температуры окислительно-восстановительная реакция вблизи электродов QDSSC усиливается, что ускоряет истощение фотогенных дырок в фотоаноде, тем самым значительно снижая окислительно-восстановительную реакцию, возбуждаемую энергией.

Выводы

Таким образом, мы проектируем новую архитектуру солнечных элементов, интегрируя концепцию CPV в QDSSC с конструкцией двойного фотоанода. Чтобы обеспечить лучший сбор света, Cu ₂ S-сетка используется в качестве противоэлектрода и зажата между двумя фотоанодами, а эффект Cu ₂ Морфология S на производительность клеток исследуется и оптимизируется. Было показано, что специальная конструкция обеспечивает повышение КПД на 260% по сравнению с одиночным фотоанодом, облучаемым с верхней стороны. Хотя цепь разомкнутого напряжения не меняется, конструкция двойного фотоанода значительно увеличивает плотность тока и, таким образом, увеличивает PCE. Кроме того, фототермический эффект, вызванный CPV, может быть полезен для улучшения PCE, и рекордный PCE составляет 8,28% ( V _oc =0,629 В, Дж _sc =32,247 мА · см ⁻² ) Достигнут. Следует отметить, что настоящее время предоставляет новый способ повышения PCE QDSSC, но конструкция устройства, специально предназначенная для части CPV, может быть дополнительно оптимизирована, и производительность соты будет дополнительно улучшена. Мы считаем, что с улучшенными сенсибилизаторами QD и методами проектирования устройств идея, предложенная в настоящей работе, приведет к значительному прогрессу в QDSSC и может быть распространена на другие солнечные элементы.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

QDSSC:

Солнечные элементы, сенсибилизированные квантовыми точками

PCE:

Эффективность преобразования энергии

CPV:

Concentrating solar cell

QD:

Квантовые точки

FF:

Коэффициент заполнения

SILAR:

Successive ionic layer adsorption and reaction

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

CBD:

Осаждение в химической ванне

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

XPS:

X-ray photoelectron spectra