Полиэтиленгликоль улучшает NiO-фотокатоды для квантово-точечных тандемных солнечных элементов

Аннотация

В этом исследовании равномерная нанопористая пленка NiO толщиной до 2,6 мкм получена добавлением полиэтиленгликоля (PEG) в предшественнический раствор. PEG значительно подавляет образование трещин и предотвращает отслоение от подложек из фторированного оловянного оксида (FTO). NiO-катод, сенсибизированный квантовыми точками CdSeS, достиг рекордной фотоэлектрической эффективности 0,80 %. При сборке с TiO₂-анодом полученный p-n тандемный солнечный элемент на квантовых точках продемонстрировал напряжение холостого хода (OCV), превышающее показатели отдельных электродов, с эффективностью 0,43 % (OCV = 0,594 В, J_SC = 2,0 мА/см², FF = 0,36).

Введение

Солнечная энергия готовится стать основным источником питания благодаря своей чистоте, изобилию и быстрому развертыванию. За последние три десятилетия красительно-сенсибизированные солнечные элементы (DSSC) эволюционировали в эффективные устройства, однако основной прогресс сосредоточен на n-типовой архитектуре с фотоанодами из TiO₂, ZnO или SnO₂, достигая плотностей тока короткого замыкания (J_SC) выше 15 мА/см² и эффективностей около 13 %. p-n Тандемные DSSC, объединяющие p-типовой фотокатод с n-типовым анодом, обещают более высокие OCV и общую эффективность. Значительные достижения включают OCV 0,918 В для пары NiO/TiO₂, сенсибизированной NK-2684, и 1079 мВ с оптимизацией донор-акцепторных красителей — максимальное на сегодня значение для p-n тандемов.

Несмотря на эти успехи, p-типовые фотокатоды обычно выдают фоттоки на порядок ниже своих n-типовых аналогов, частично из-за механической нестабильности толстых пленок. Недавние работы изучали высокопористые наноструктуры NiO, улучшенную кристалличность и слоистые архитектуры для повышения производительности. Однако фотоэлектрические эффективности NiO-электродов остаются в диапазоне 0,02–0,30 % при сочетании с различными красителями.

Эта работа развивает стратегию шаблонирования триблоковым полимером PEO-PPO-PEO для синтеза толстых пленок NiO, добавляя PEG как структурный модификатор для усиления целостности и пористости пленки, что в конечном счете позволяет создавать высокоэффективные тандемные устройства, сенсибизированные квантовыми точками.

Эксперимент

Предшественнические растворы NiO готовили растворением безводного NiCl₂ (1 г) и F108 (1 г) в 3 г деионизированной воды и 6 г этанола. После 3-дневного выдержки добавляли PEG (Мв ≈ 20 000) в количествах 0,03; 0,075; 0,15 или 0,30 г. Смесь перемешивали 4 ч и центрифугировали на 8000 об/мин. Полученный гель наносили на стекло FTO методом доктор-блейда и сушили при комнатной температуре, затем калиновали при 400 °C в течение 30 мин в воздухе. Квантовые точки CdSeS синтезировали методом горячей инъекции, а NiO-пленки сенсибилизировали электрофоретическим осаждением в растворителе ацетонитрил/толуол 1:2,5 (объем.) под 50 В постоянного тока. TiO₂-аноды ко-сенсибилизировали CdS/CdSe методом SILAR, заменяя CuS контрэлектродом для сборки тандемного элемента.

Морфологию пленок изучали FE-SEM JSM-7001F. Вольт-амперные характеристики (J-V) регистрировали под освещением AM 1.5G (1 Sun) с измерителем Keithley 2440.

Результаты и обсуждение

SEM-изображения показали, что NiO-пленки без PEG демонстрируют выраженные микровпадины и скрученные нанолисты, отслаивающиеся после многократного блейдинга. Напротив, пленки с PEG после семи циклов блейдинга имели сплошную безтрещинную поверхность толщиной ~2,6 мкм. PEG, вероятно, выступает связующим агентом, усиливающим межчастичную коhezю, и структуродиректирующим агентом, увеличивающим удельную площадь и поровый объем.

J-V измерения показали, что добавление PEG до 0,15 г повысило фотоэлектрическую эффективность с 0,08 % (без PEG) до 0,32 %. Оптимальный NiO-катод достиг OCV = 0,158 В, J_SC = 4,40 мА/см² и FF = 0,46. Избыток PEG (0,30 г) привел к деградации, что указывает на оптимальный диапазон концентрации.

Изучение толщины пленки (при фиксированном PEG = 0,15 г) выявило, что увеличение толщины с 0,6 до 2,1 мкм повышало OCV и J_SC, но выше ~1,5 мкм выгоды стабилизировались из-за ограниченного переноса дыр и сокращения времени жизни.

В паре с TiO₂-анодом тандемная конфигурация TiO₂(низ)/NiO(верх) достигла OCV 0,594 В и общей эффективности 0,43 %, превысив показатели отдельных электродов. Хотя J_SC и эффективность были ниже, чем у автономных NiO-катода или TiO₂-анода, это первая демонстрация QD-сенсибизированного p-n тандемного устройства, подчеркивающая потенциал для дальнейшей оптимизации.

Заключение

Включение PEG дает безтрещинную 2,6-мкм нанопористую пленку NiO с превосходной механической стабильностью и площадью поверхности. Оптимизированный QD-сенсибизированный NiO-катод выдает 0,80 % фотоэлектрической эффективности. В составе тандемной архитектуры TiO₂/NiO устройство достигает OCV 0,594 В и эффективности 0,43 %, превосходя изолированные электроды. Будущая работа сосредоточится на улучшении извлечения заряда и снижении рекомбинации для раскрытия полного потенциала QD-сенсибизированных p-n тандемных солнечных элементов.