Значительное повышение эффективности CdS/CdSe квантово-точечных солнечных элементов с (001)-ориентированными нанолистами TiO₂

Аннотация

CdS/CdSe квантово-точечные солнечные элементы (QDSSC) fabriковали на двух различных фотоанодах TiO₂: высоко (001)-ориентированных нанолистах (NS) и коммерческих наночастицах Degussa P-25. NS синтезировали гидротермальным методом, получая листы с 70% экспозиции активной (001) фасеты, толщиной 5 нм и боковым размером 50 нм. По сравнению с P-25, NS демонстрировали более крупные поры, высокую удельную площадь поверхности (≈ 53 см²/г) и улучшенный электронный транспорт. Следовательно, NS-базированный CdS/CdSe QDSSC достиг коэффициента преобразования мощности (PCE) 4,42%, что на 54% выше, чем 2,86% у P-25 референса. Работа демонстрирует, что адаптация наноструктур TiO₂ для экспозиции (001) фасеты — эффективная стратегия для повышения производительности QDSSC.

Введение

Квантово-точечные солнечные элементы (QDSSC) становятся перспективной альтернативой конвенциональным красительно-сенсибилизированным солнечным элементам (DSSC). Квантовые точки (QD) предлагают более большой коэффициент поглощения, настраиваемые запрещенные зоны через контроль размера и композиции, превосходную фотostaбильность и потенциал для мульти-экcitoнной генерации или извлечения горячих носителей — свойства, способные поднять теоретическую эффективность выше предела Шокли-Квейссера 32%.

QDSSC работают по тому же принципу, что и DSSC, но используют неорганические нанокристаллы вместо органических красителей. Типичная конфигурация состоит из QD-покрытого металл-оксидного фотоанода, полисульфидного электролита и платинового контрэлектрода. Узкозонные полупроводники, такие как CdS, CdSe, CdTe и PbS, применялись как поглотители света, в то время как core/shell комбинации (например, CdS/CdSe) расширяют абсорбционный диапазон и улучшают динамику зарядного введения.

Несмотря на прогресс, лучшие QDSSC все еще достигают только 6–8% PCE, в основном из-за зарядной рекомбинации и ограниченной загрузки QD на фотоаноде. Мезопористый TiO₂ остается материалом выбора для фотоанода благодаря низкой стоимости, химической стабильности и отличному электронному транспорту. Однако производительность TiO₂ высоко чувствительна к морфологии и экспозиции кристаллических фасет. Термодинамически стабильная (101) фасета доминирует в коммерческих наночастицах, тогда как высокоэнергетическая (001) фасета более реактивна, понижает зонный край и подавляет рекомбинацию.

Наноструктуры, экспонирующие (001) фасету — такие как нанолисты, полые сферы и нанотрубки — показывали улучшенную производительность в фотокатализе, расщеплении воды и литий-ионных батареях. Однако мало исследований изучали (001)-ориентированные нанолисты TiO₂ в QDSSC устройствах. Здесь мы сравниваем (001)-богатые нанолисты с P-25 наночастицами для CdS/CdSe QD-сенсибилизированных элементов, выявляя существенное улучшение PCE.

Методы

Подготовка фотоанодов TiO₂

TiO₂ нанолисты синтезировали гидротермально: 2,4 мл HF (48% вес.) капали в 30 мл титанбутоксида, запечатывали в тефлоновой автоклаве и нагревали при 180 °C 16 часов. Осадок собирали, промывали и диспергировали с терпинеолом и 10% этилцеллюлозой для формирования 13% пасты. Аналогичную пасту готовили с коммерческим P-25. Пасты экранной печатью наносили на FTO стекло (10 Ом/см²) и отжигали при 500 °C 1 час для получения проводящих пленок.

Осадка QD

CdS QD выращивали in situ через последовательное ионное слойное адсорбцию и реакцию (SILAR) с использованием 20 мМ CdCl₂ и 20 мМ Na₂S растворов в 1:1 метанол/вода смеси. Фотоаноды поочередно погружали на 1 мин в каждый предшественник, повторяя 8 циклов для оптимального CdS покрытия. CdSe QD осаждали химическим ванным осадком (CBD): 70 °C раствор, содержащий 2,5 мМ Cd(CH₃COO)₂, 2,5 мМ Na₂SeSO₃ и 75 мМ NH₄OH, наносили на 1 час. Два цикла осадки CdSe дали лучшую производительность.

Сборка устройства и характеризация

QDSSC собирали в сэндвич-конфигурации: Pt-покрытый FTO контрэлектрод, 25 мкм Surlyn спейсер и QD-сенсибилизированный TiO₂ фотоанод. Полисульфидный электролит (0,2 М Na₂S/0,2 М S/0,02 М KCl в воде) заполнял элемент. Активная площадь ~ 0,16 см². Устройства характеризовали FE-SEM, TEM, GIXRD, ICP-MS, J-V кривыми под AM 1.5 G освещением, IPCE измерениями, UV-Vis абсорбцией и электрохимической импедансной спектроскопией (EIS).

Результаты и обсуждение

Структурный анализ подтвердил, что нанолисты — чистый анатат TiO₂ с доминантной (001) ориентацией, как свидетельствует сильный (200) XRD пик и 0,235-нм решеточное расстояние в HRTEM. Нанолисты показывали среднюю длину стороны 50 нм и толщину 5 нм, обеспечивая ~70% экспозицию (001) фасеты, по сравнению с <10% для P-25.

Азотные адсорбция-десорбция изотермы показали, что нанолистовые пленки — тип IV с H3 гистерезисом, указывая на щелевые мезо- и макропоры. BET площадь поверхности достигла 52,8 см²/г, больше чем у P-25, облегчая большую загрузку QD.

CdS/CdSe QD, выращенные SILAR/CBD, показали экcitoнные абсорбционные пики при 2,67 эВ (CdS) и 1,78 эВ (CdSe), подтверждая квантовое замыкание. UV-Vis спектры указали на более высокое поглощение света для нанолистового электрода, коррелируя с результатами ICP-MS: загрузка CdS 5,44×10⁻⁹ моль/см² на нанолистах против 4,59×10⁻⁹ моль/см² на P-25; загрузка CdSe 4,57×10⁻⁹ моль/см² против 3,77×10⁻⁹ моль/см².

Фотовольтаическая производительность под one-sun освещением показала, что нанолистовое устройство дает Voc 0,58 В, Jsc 15,07 мА/см² и η 4,42%, по сравнению с 0,52 В, 11,75 мА/см² и 2,86% для P-25 элемента — 54% прирост эффективности. Более высокий Voc обусловлен более низким flat-band потенциалом (001) фасеты, в то время как увеличенный Jsc отражает превосходную загрузку QD и сбор света. IPCE спектры показали, что нанолистовое устройство достигает ~75% при 600 нм и 675-нм отсечке, подтверждая улучшенный сбор заряда.

EIS анализ под open-circuit смещением выявил более низкое зарядопередаточное сопротивление (Rk) 28,26 Ом и более короткое электронное транспортное сопротивление (Rw) для нанолистового устройства, указывая на более быструю электронную диффузию и сниженную рекомбинацию. Расчетная длина электронной диффузии (Ln) составила ~21 мкм — в два раза больше, чем у P-25 устройства — обеспечивая, что большинство фотогенерированных электронов достигают электрода до рекомбинации.

Заключение

Мы fabriковали 2D анататовые TiO₂ нанолисты с >70% экспозицией (001) фасеты через прямолинейный гидротермальный метод и использовали их как фотоаноды для CdS/CdSe core/shell QDSSC. Нанолистовые элементы достигли PCE 4,42%, 54% улучшения над конвенциональными P-25 элементами, и IPCE превышающее 70% между 450–600 нм. Высокоэнергетическая (001) поверхность не только предоставляет больше активных сайтов для присоединения QD, но и уменьшает поверхностные ловушки, улучшая электронный транспорт. Эти выводы подчеркивают потенциал (001)-ориентированных TiO₂ нанолистов как недорогой, масштабируемой платформы для высокопроизводительных QDSSC, устраняя необходимость в дополнительных электронно-передаточных линкерах.