Влияние полиэтиленгликоля на фотокатод NiO

Фон

Солнечная энергия демонстрирует потенциал в качестве основного источника энергии в будущем благодаря своей чистоте, высокой мощности, быстрой обработке и широкой доступности [1, 2]. С момента разработки солнечных элементов за последние 30 лет сенсибилизированные солнечные элементы стали эффективными устройствами для использования солнечной энергии. Однако эти исследования сосредоточены на солнечных элементах n-типа, которые основаны на сенсибилизированном фотоаноде n-типа, например, TiO ₂ , ZnO и SnO ₂ [2,3,4,5,6]. Плотность тока короткого замыкания превышала 15 мА см ⁻² . , а эффективность фотоэлектрического преобразования составила около 13% [5]. He et al. сообщили об использовании сенсибилизированных красителем тандемных солнечных элементов (DSSC) p – n-типа [7], которые, возможно, обеспечивают более высокое напряжение холостого хода (OCV) и эффективность фотоэлектрического преобразования. Накаса и др. сообщили о OCV 0,918 В за счет комбинации сенсибилизированного мероцианином NK-2684 NiO и TiO ₂ фотоанод [8]. Nattestad et al. сообщили об уменьшении рекомбинации заряда фотокатода NiO за счет оптимизации донорно-акцепторных красителей и достигли эффективности преобразования поглощенных фотонов в электроны более 90% в спектральном диапазоне 400-500 нм [9] с напряжение холостого хода 1079 мВ. Это самое высокое значение, о котором сообщалось до сих пор для тандемных DSSC p – n-типа.

Одним из способов получения более высоких фототоков, сопоставимых с фотоанодами n-типа, является изготовление нового катода p-типа [10, 11]. Другой способ - приготовить толстые мезопористые фотокатоды, которые предпочтительны для адсорбции большого количества молекул красителя. Были предприняты некоторые попытки улучшить толщину пленок NiO; однако генерируемая плотность фототока все еще на порядок меньше, чем наблюдаемая для DSSC n-типа, а толстые пленки часто страдают от плохой механической стабильности. Wu et al. изготовили пленки NiO гидротермальным методом и улучшили их свойства за счет оптимизации толщины пленки и удельной поверхности [12]. Qu et al. изготовили слоистые пленки NiO из морщинистых пористых нанолистов NiO и сообщили о значительном улучшении фототока и фотоэдс [13]. Zhang et al. улучшили фотоэдс за счет применения высококристаллического NiO [14]. Powar et al. получили высокий фототок 7,0 мА см ⁻² использование наноструктурированных микрошариков NiO в качестве активных материалов для фотокатода [15]. Sumikura et al. подготовили нанопористые пленки NiO путем гидролиза NiCl ₂ в смешанном растворе вода / этанол с использованием ряда триблок-сополимеров полиэтиленоксид – полипропиленоксид – полиэтиленоксид (ПЭО – ППО – ПЭО) в качестве темплата [16]. Они подробно исследовали эффекты шаблона PEO – PPO – PEO. Ли и др. приняли метод приготовления, используемый Sumikura et al. и приготовили толстые пленки NiO двухступенчатым методом ракеля [17]. Они получили рекордную эффективность падающего фотона по току (IPCE) 64% и ток короткого замыкания ( Дж _SC ) 5,48 мА · см ⁻² . Однако эффективность фотоэлектрического преобразования NiO-электрода p-типа поддерживается в пределах от 0,02 до 0,3% с использованием различных красителей. В этом эксперименте растворы предшественников NiO были приготовлены с использованием трехблочного сополимера F108 (полиэтиленоксид-полипропиленоксид-полиэтиленоксид (PEO-PPO-PEO), молекулярная масса:около 14 600) в качестве шаблона, следуя методу Сумикуры и др. В раствор предшественника добавляли полиэтиленгликоль (ПЭГ; молекулярная масса:около 20 000), и его влияние на пленку NiO было детально исследовано. Наконец, были также собраны тандемные солнечные элементы, чувствительные к квантовым точкам (КТ) p – n-типа.

Экспериментальный

Раствор прекурсора NiO был приготовлен согласно ранее описанному методу [17]. Во-первых, безводный NiCl ₂ (1 г) и F108 (1 г) растворяли в смеси деионизированной воды (3 г) и этанола (6 г). Во-вторых, раствор оставляли на 3 дня. В-третьих, в раствор предшественника NiO добавляли полиэтиленгликоль с определенным содержанием (молекулярная масса 20 000). Затем смесь перемешивали в течение 4 ч и центрифугировали при 8000 рад / мин. Содержание ПЭГ контролировали на уровне 0,03, 0,075, 0,15 и 0,3 г. Вышеупомянутый раствор был нанесен на стеклянную подложку из оксида олова, легированного фтором (FTO) методом ракельного ножа и высушен при комнатной температуре. Пленки спекали при 400 ° C в течение 30 мин на воздухе. КТ CdSeS были получены методом горячего инжекционного синтеза в соответствии с предыдущими экспериментами, опубликованными нашей группой [18]. Приготовленные пленки NiO сенсибилизировали квантовыми точками CdSeS электрофоретическим методом с использованием смеси ацетонитрил / толуол (1:2,5 v / v ) решение путем подачи постоянного тока 50 В. в течение определенного времени. TiO ₂ Совместную сенсибилизацию пленок с CdS / CdSe использовали стандартным методом последовательной адсорбции и реакции ионного слоя (SILAR) [19]. QD-сенсибилизированный TiO ₂ пленки использовались в качестве анода вместо CuS для сборки солнечных элементов, сенсибилизированных квантовыми точками p – n-типа.

Морфологию пленок NiO исследовали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) JSM-7001F. Плотность фототока – напряжение ( Дж - V ) характеристики были измерены с использованием измерителя источника Keithley 2440 при освещении AM 1.5G от солнечного симулятора Newport Oriel с интенсивностью 1 Солнце.

Результаты и обсуждение

Пленка NiO была приготовлена ​​методом лопатки доктора. Пленка отслаивалась в случае раствора предшественника NiO без ПЭГ, когда время лопания было больше, чем в четыре раза. На рис. 1а, в, д показаны поверхность и поперечная морфология пленок NiO с четырьмя лопатками. Пленки NiO, имевшие несколько микровыступов, сворачивались вверх от подложки FTO. На рис. 1б, г, е показаны поверхность и поперечное сечение пленок NiO, полученных с использованием ПЭГ. Фильмы были прокручены семь раз. В пленках NiO трещин практически не наблюдалось. Размер частиц был меньше, чем у пленки NiO, полученной без ПЭГ. Кроме того, наблюдались явные изменения в поперечных сечениях этих двух пленок NiO, полученных с ПЭГ или без него. Пленка NiO, полученная с использованием раствора прекурсора NiO без ПЭГ, по-видимому, состояла из нанолистов. Фактически, эти нанолисты должны выглядеть как скрученные пленки NiO, которые могут отслаиваться от подложки FTO. Однако пленки NiO, полученные с использованием раствора предшественника NiO с ПЭГ, состояли из нескольких слоев, причем каждый слой пленки NiO был связан с другими слоями. Не было явных трещин между разными слоями толщиной примерно 2,6 мкм. ПЭГ может иметь два эффекта в процессе формирования пленки NiO. Один из них заключался в том, что ПЭГ может улучшить соединение между этими частицами NiO и уменьшить появление трещин в процессе сушки после того, как гели NiO были нанесены на подложку FTO. Между тем, PEG можно использовать как агент, регулирующий структуру. Добавление ПЭГ может улучшить удельную поверхность и объем пор пленки NiO.

СЭМ-микрофотографии пленок NiO: a , c и e были изготовлены из раствора прекурсора без полиэтиленгликоля. б , d , и f были изготовлены из раствора прекурсора с полиэтиленгликолем

Полученные двухслойные пленки NiO сенсибилизировали квантовыми точками CdSeS методом электрофоретического осаждения. Фототок – напряжение ( Дж - V ) кривые были записаны при интенсивности 1 Солнце с использованием солнечного симулятора Newport Oriel в качестве источника света. На рисунке 2 показаны J – V полученные таким образом кривые. Как видно из фиг. 2, при добавлении от 0 до 0,15 г PEG эффективность преобразования значительно улучшилась с 0,08 до 0,32%. OCV, J _SC , а коэффициент заполнения (FF) для лучшего фотокатода NiO составлял 0,158 В, 4,40 мА см ⁻² , и 0,46 соответственно. Это свойство резко ухудшалось бы при изменении содержания ПЭГ с 0,15 до 0,3 г. Следовательно, концентрация ПЭГ в растворе прекурсора NiO существенно влияет на свойства катода NiO.

Вольт-амперные характеристики фотокатодов NiO с различным содержанием ПЭГ в растворе прекурсора

Также были исследованы эффекты толщины пленки NiO. В этом эксперименте содержание ПЭГ было зафиксировано на уровне 0,15 г. На рис. 3 представлены кривые фотоэлектрических свойств. При увеличении толщины пленки с 0,6 до 2,1 мкм OCV и J _SC вырос. Оба эти фактора имели тенденцию к исчезновению при дальнейшем увеличении толщины пленки. FF практически не изменился с увеличением толщины пленки. Эти слабые изменения могут быть связаны с увеличением плотности фототока. В результате эффективность фотоэлектрического преобразования увеличивалась при первоначальном утолщении пленки NiO. Слабые изменения наблюдались при толщине пленки более 1,5 мкм, что связано с низкой скоростью переноса дырок и коротким временем жизни дырок [20].

Влияние толщины пленки на фотоэлектрические характеристики фотокатодов NiO

Подготовленный катод NiO собирали вместе с TiO ₂ анод для изготовления тандемных солнечных элементов p – n-типа, сенсибилизированных квантовыми точками. На рисунке 4 показаны J – V кривые катода NiO и TiO ₂ анод, а также тандемный TiO ₂ (вниз) / NiO (вверх) и TiO ₂ (вверх) / NiO (вниз) солнечные элементы. Тандемные солнечные элементы p – n-типа с TiO ₂ Конфигурация (вниз) / NiO (вверх) демонстрирует значительно улучшенный OCV по сравнению с отдельным катодом NiO или TiO ₂ анод. Эффективность фотоэлектрического преобразования составила 0,43% при OCV 0,594 В, Дж . _SC 2,0 мА см ⁻² и FF 0,36. Это первое исследование тандемных солнечных элементов p – n-типа, сенсибилизированных квантовыми точками. Однако J _SC тандемных солнечных элементов было значительно меньше, чем у катода NiO и TiO ₂ анод. Кроме того, эффективность фотоэлектрического преобразования была меньше, чем у катода NiO и TiO ₂ . анод. В будущем необходимо провести дополнительные исследования для повышения эффективности сенсибилизированных квантовыми точками тандемных солнечных элементов p – n-типа.

Кривые зависимости плотности тока от вольт-амперной характеристики тандемных солнечных элементов p-n-типа, сенсибилизированных квантовыми точками, p-n-типа

Заключение

Для изготовления пленок NiO использовался полиэтиленгликоль (ПЭГ). Добавление ПЭГ значительно уменьшило трещины в пленках NiO. Была приготовлена ​​однородная нанопористая пленка NiO толщиной 2,6 мкм. Оптимизированная эффективность фотоэлектрического преобразования составила 0,80%. Оптимизированная пленка NiO, сенсибилизированная квантовыми точками, была впервые собрана с использованием TiO ₂ анод к готовым тандемным солнечным элементам p – n-типа, сенсибилизированным квантовыми точками. Напряжение холостого хода (OCV) было больше, чем у разделенного катода NiO или TiO ₂ . анод. TiO ₂ (вниз) / NiO (вверх) тандемные солнечные элементы обеспечивают полное фотоэлектрическое преобразование 0,43% с OCV, плотностью тока короткого замыкания и коэффициентом заполнения 0,594 В, 2,0 мА см ⁻² и 0,36 соответственно.