Повышение эффективности квантово-точечных солнечных элементов с концентрирующей фотовольтаикой и двойными фотоанодами

Аннотация

Несмотря на большие усилия по повышению КПД квантово-точечных солнечных элементов (QDSSC) за последние два десятилетия, их эффективность все еще далеко от теоретического значения. Текущие подходы к улучшению КПД сосредоточены на настройке запрещенной зоны QD для расширения захвата света и оптимизации интерфейсов компонентов. Предлагается новая архитектура солнечного элемента, интегрирующая концепцию концентрирующей фотовольтаики (CPV) в QDSSC с дизайном двойного фотоанода. Медная сетка Cu₂S используется в качестве контрэлектрода и помещается между двумя фотоанодами. Эта структура увеличивает КПД на 260% по сравнению с одиночным фотоанодом. С наиболее широко используемыми CdS/CdSe QD сенсибилизаторами достигнут рекордный КПД 8,28% (V_oc = 0,629 В, J_sc = 32,247 мА/см²). Это преимущественно обусловлено увеличением J_sc благодаря двойному фотоаноду и концепции CPV. Дополнительная причина — фототермический эффект от концентрированного солнечного света, ускоряющий предшествующие химические реакции, связанные с превращением полисульфидных видов. Предложенная конструкция и дизайн элемента дают новый взгляд на дальнейшее развитие QDSSC.

Введение

Как перспективное и сравнительно экономичное фотоэлектрическое преобразовательное устройство, квантово-точечные солнечные элементы (QDSSC) привлекли большое внимание благодаря высокому теоретическому КПД. QDSSC наследуют структуру красительно-сенсибилизированных солнечных элементов: фотоанод (обычно пористый слой оксидного полупроводника с широкой запрещенной зоной, покрытый полупроводниковыми QD как сенсибилизаторы), жидкий электролит и контрэлектрод. Для повышения КПД для потенциального коммерческого применения изучены многочисленные стратегии, преимущественно с материальной точки зрения: синтез новых QD сенсибилизаторов для расширения спектрального захвата; приготовление фотоанодов с разными наноструктурами — пористыми пленками, нанотрубками, наностержнями для лучшего извлечения электронов; создание легированных благородными металлами фотоанодов с использованием локализованного поверхностного плазмонного резонанса; разработка сульфидных и других контрэлектродов вместо Pt; синтез разных электролитов и т.д.

Одним из важнейших факторов, ограничивающих фотоэлектрическую эффективность QDSSC, является узкий диапазон поглощения солнечного излучения. Область поглощения сильно зависит от тонкопленочного фотоанода и QD. Сужение запрещенной зоны QD — эффективный способ расширения захвата света. Чжун и соавт. синтезировали легированные Zn-Cu-In-Sn QD и значительно повысили КПД QDSSC, установив несколько рекордов. В настоящее время наивысший заявленный КПД QDSSC — 14,02%, достигнут Чжао и соавт. Они использовали Zn-Cu-In-Sn легированные QD как сенсибилизатор, а контрэлектрод (CE) — CuS, легированный углеродными нанотрубками и графеном, что открыло новый уровень КПД QDSSC. Однако чрезмерное сужение запрещенной зоны для усиления захвата света вызывает потерю открытого напряжения и снижение производительности из-за смещения края зоны проводимости вниз.

Для дальнейшего улучшения характеристик элемента конфигурация устройства принята во внимание. В красительно-сенсибилизированных солнечных элементах и коллоидных квантово-точечных солнечных элементах тандемные структуры уже использовались как значительный подход к преодолению ограничений КПД. Для большинства тандемных структур красительно-сенсибилизированных солнечных элементов полупрозрачный Pt на проводящем стекле или Pt сетка применяются в середине элемента как контрэлектрод. TiO₂ пленки разделяют на два или более слоев, сенсибилизированных одинаковыми или разными красителями, что расширяет спектральный отклик и значительно улучшает характеристики элемента. Для QDSSC Мен и соавт. спроектировали структуру двойного фотоанода с полупрозрачной сетчатой структурой Cu₂S контрэлектрода, помещенной между двумя TiO₂ фотоэлектродами. Под односторонним освещением сверху оптимизированный элемент показывает 12% увеличение КПД. В их работе тандемная структура впервые использовалась в QDSSC. Однако эффективность использования света тандемной структурой ограничена. Сюй и соавт. продемонстрировали усиление NIR-освещением восстановления полисульфида на границе электрод-электролит, освещая CuS контрэлектрод NIR светом, показывая 15% увеличение КПД, приписываемое фототермическому эффекту и плазмонному резонансному поглощению.

Благодаря большим усилиям за последние десятилетия КПД QDSSC стал сопоставим с параллельным устройством — красительно-сенсибилизированным солнечным элементом. Однако эффективность QDSSC все еще далеко от теоретического значения, и для коммерческого применения остается нерешенной. Поэтому поиск новой стратегии для повышения КПД QDSSC остается срочной задачей. Здесь мы интегрируем концепцию концентрирующей фотовольтаики (CPV) в QDSSC с двойными пористыми TiO₂ фотоанодами и дизайном сетчатого Cu₂S контрэлектрода, достигая 260% увеличения КПД по сравнению с традиционным одиночным фотоанодным устройством. С наиболее широко используемыми CdS/CdSe QD сенсибилизаторами достигнут рекордный КПД 8,28% (V_oc = 0,629 В, J_sc = 32,247 мА/см²).

Управление светом как важная технология для повышения КПД в солнечных элементах направлено на увеличение фотонного потока, получаемого солнечными элементами. Светоловимая структура — распространенный метод управления светом, включая зеркала, Ламбертианские поверхности и текстурированные поверхности. Светоловимый эффект увеличивает оптическую длину пути, улучшая КПД. Одной из базовых светоловимых структур является зеркало на задней поверхности солнечного элемента, коэффициент отражения которого может достигать 95%. Вдохновляясь вышеизложенным, на рис. 1 показана архитектура устройства в настоящей работе. Принят дизайн двойного TiO₂ фотоанода, разделенного Cu₂S сеткой как контрэлектродом. Толщина TiO₂ фотоанода около 4,5 мкм (рис. S1). Верхний и нижний элементы используют тот же материал и структуру, поэтому не нужно учитывать постоянную решетки и коэффициент расширения разных полупроводников в двух фотоанодах. Cu₂S, выращенный на медной сетке как контрэлектрод, пропускает прошедший через верхний элемент свет к нижнему фотоаноду. Широкозонные материалы сверху отсеивают высокоэнергетические фотоны, а низкоэнергетические проходят через них и поглощаются узкозонными материалами в нижнем элементе. Очевидно, КПД двойной фотоанодной структуры выше, чем одиночной, так как двойная структура захватывает больше света и увеличивает плотность тока. Однако освещение только сверху дает всего 18% увеличение КПД по сравнению с одиночным фотоанодным устройством, что связано с сильным поглощением и отражением солнечного света верхним элементом, оставляя неадекватную плотность света для нижнего элемента.

Учитывая, что захваченный свет нижнего элемента ограничен, вводим концепцию концентрирующей фотовольтаической ячейки (CPV) в текущее устройство и устанавливаем параболический рефлектор под нижним фотоанодом. CPV системы используют оптические элементы для фокусировки света на маленькой площади солнечных элементов, повышая эффективность фотовольтаической технологии при минимизации затрат. Уменьшение площади элемента может сделать стоимость CPV конкурентоспособной с плоско-панельной фотовольтаикой. Как показано на рис. 1, параболический рефлектор фокусирует свет на нижний фотоанод. Контролируя расстояние между рефлектором и нижним фотоанодом, активная площадь может быть скорректирована под площадь элемента. Кроме того, усиленный свет может передаваться и попадать на верхний фотоанод, обеспечивая дополнительную энергию возбуждения для захвата света. Конечно, фототермический эффект, вызванный CPV, должен влиять на фотоэлектрическую производительность, что будет обсуждаться подробнее позже.

Методы

Материалы

Диоксид титана (99,8%, 10–25 нм, TiO₂) и сульфит натрия (AR, Na₂SO₃) поставлены Aladdin. Фторсодержащее оловянное стекло (FTO, толщина 1,6 мм, пропускание 83%, поверхностное сопротивление 15 Ом/кв) приобретено у Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (Китай). Метанол (AR, CH₃OH), этанол (AR, CH₃CH₂OH) и ацетон (AR, CH₃OCH₃) поставлены Beijing Chemical Works (Китай). Этилендиамин (AR, C₂H₈N₄) и селен (AR, Se) приобретены у Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (Китай). Соляная кислота (36%, HCl), этилцеллюлоза этоксид (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]_n), альфа-терпинеол (AR, C₁₀H₈O), ацетат кадмия (AR, Cd(CH₃COOH)₂), ацетат цинка (AR, Zn(CH₃COOH)₂), сульфид натрия (AR, Na₂S·9H₂O), сера (AR, S) и тиомочевина (AR, CH₄N₂S) поставлены Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Китай). Нитрилотриуксусная кислота тринатрий (98%, C₆H₉NNa₃O₆) приобретена у TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (Китай). Латунная сетка поставлена Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (Китай).

Подготовка контрэлектрода Cu₂S

Латунную сетку выдерживали в HCl (36%) 2 часа при 70 °C для удаления цинка с поверхности медной сетки. Медную сетку промывали дионизированной водой и сушили при комнатной температуре после извлечения из раствора. Затем медную сетку погружали в водный раствор, содержащий 1 М Na₂S и 1 М S, на 5 с для получения хлопьевидного Cu₂S, за чем следовали промывка дионизированной водой и сушка при комнатной температуре. Для приготовления гранулярного Cu₂S медную сетку, обработанную HCl (36%), погружали в смешанный раствор CH₄N₂S (0,01 М) и C₂H₈N₄ (0,4 мл) на 24 часа, с последующей промывкой дионизированной водой и сушкой при комнатной температуре.

Подготовка CdS/CdSe QD ко-сенсибилизированного TiO₂ фотоанода

Мезопористая TiO₂ пленка приготовлена шпин-коутингом пасты, содержащей TiO₂ (0,01 М), EC (0,4 г), C₁₀H₈O (3,245 г) и CH₃CH₂OH (8,5 мл) на очищенных FTO подложках, сушкой в духовке при 60 °C и последующим отжигом при 450 °C 30 мин для удаления органических растворителей. Скорость вращения шпин-коутера 7500 об/мин 30 с. Процесс последовательной ионной адсорбции и реакции (SILAR) использовался для осаждения CdS QD. Обычно TiO₂ пленку поочередно погружали в метанольный раствор Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 М) и раствор Na₂S (0,02 М с метанолом и дионизированной водой 1:1 v/v) на 30 с в каждом цикле всего 5 циклов. CdSe QD наносили методом химического осаждения из раствора (CBD). Детально: раствор, содержащий Cd²⁺ и Se²⁻ источник, приготовили следующим образом. 1,55 г Na₂SO₃ растворили в 25 мл дионизированной воды. 0,155 г порошка Se как источник Se²⁻ добавили в вышеуказанный раствор. Полученный раствор нагревали масляной баней при 125 °C 3 часа под перемешиванием. Cd²⁺ раствор приготовили смешиванием 25 мл нитрилотриуксусной кислоты дионизированной воды (120 мМ) и 25 мл Cd(CH₃COO)₂ дионизированной воды (80 мМ). Затем приготовленные Se²⁻ и Cd²⁺ растворы смешали вместе. Полученные CdS-покрытые фотоаноды поместили в вышеуказанную смешанную среду при 24 °C на 2 часа в темноте. Для ZnS пассивации сенсибилизированные пленки осаждали погружением в 0,1 М Zn(CH₃COO)₂ и 0,1 М Na₂С (с метанолом и водой 1:1 v/v) на 1 мин поочередно 4 цикла. Активная площадь солнечного элемента 0,25 см². Полисульфидный электролит (2 М Na₂S и 2 М S раствор с метанолом и дионизированной водой 7:3 v/v) вливали в элемент через инъектор.

Электрохимические измерения

Электрохимический анализ выполняли на электрохимической рабочей станции DyneChem, платину и Ag/AgCl использовали как контрэлектрод и референс-электрод соответственно. Циклические вольтамметрические и такфелевые поляризационные кривые тестировали в 2 М полисульфидном электролите. Найквистовы графики QDSSC под односторонним полным солнечным освещением. Напряжение, используемое при EIS измерениях, 0,5 В.

Характеризация

Поверхностную морфологию анализировали растрово-электронной микроскопией (SEM) (JEOL7610), характеристику образцов измеряли рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), а J-V кривые QDSSC измеряли источником-измерителем Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). ИК температурные изображения получали на FLIR T460.

Результаты и обсуждение

Существует множество наноструктурированных материалов, которые можно использовать как контрэлектроды для QDSSC, включая Cu₂S, CoS, GeC, NCW. Однако Cu₂S контрэлектрод на латунной сетке демонстрирует идеальную каталитическую активность по отношению к Sn²⁻/S²⁻ редокс-паре. Для приготовления Cu₂S контрэлектрода используются два разных метода. Один — удаление Zn с поверхности латунной сетки соляной кислотой, затем погружение сетки в смешанный раствор, содержащий CH₄N₂S и C₂H₈N₄, на 24 часа. SEM изображения полученного Cu₂S покрытого сетки показаны на рис. 2a-c. Увеличенное SEM изображение показывает формирование гранулярно-структурированного Cu₂S. Поперечный срез на рис. 2d указывает на существование Cu₂S пленки на латунном проволоке, трещина между ними возникает от раскроя при подготовке поперечного образца, толщина около 1,3 мкм. EDS на рис. 2e показывает, что там существуют только элементы Cu и S, и атомное отношение Cu к S примерно 2. XPS спектры Cu и S показаны на рис. 2f и h. Пики Cu 2p при 952 эВ и 932,5 эВ соответствуют энергии связывания электронов Cu 2p1/2 и Cu 2p3/2 соответственно, что согласуется с Cu¹⁺. Пики в S 2p при 163,5 эВ и 161 эВ соответствуют S 2p1/2 и S 2p3/2, что согласуется с S²⁻. Эти результаты подтверждают успешное приготовление Cu₂S пленки на латунной сетке, а поверхностная морфология обеспечивает большую площадь и достаточную каталитическую активность.

Другой метод широко использовался в предыдущих отчетах: латунную сетку сначала помещают в соляную кислоту, затем последовательно погружают в полисульфидный электролит (1 М Na₂S и 1 М S) на подходящее время. Соответствующие результаты на рис. S2. Увеличенное SEM изображение показывает формирование хлопьевидного Cu₂S. Поперечный срез указывает на существование Cu₂S пленки на латунном проволоке, толщина тоже около 1,3 мкм. Cu XPS спектры показывают пики при 933,1 эВ и 952,5 эВ, соответствующие Cu 2p3/2 и 2p1/2. S 2p спектр показывает пик при 162,4 эВ, подтверждающий наличие S²⁻. Влияние морфологии Cu₂S на характеристики элемента исследуется далее.

Для характеристики эффективности элементов с разными архитектурами и CE измеряют фототоково-вольтовые (J-V) кривые, показанные на рис. 3a-d. Одиночный фотоанодный элемент и двойной фотоанодный элемент изготовлены для сравнения с гранулярным и хлопьевидным Cu₂S как CE соответственно. Существует три способа освещения элементов: сверху, снизу и с двух сторон (рис. 4e), поведение элементов при разных условиях освещения изучено детально, соответствующие параметры элемента суммированы в таблице 1: открытое напряжение (V_oc), короткое замыкание (J_sc), коэффициент заполнения (FF) и КПД, где значения не в скобках — экспериментальное среднее двадцати групп элементов, а в скобках — рекордные значения. Тестовая конфигурация для одиночного фотоанодного устройства с гранулярным и хлопьевидным Cu₂S как CE показана на рис. S3, J-V кривые на рис. 3a и b. КПД при облучении сверху, снизу и с двух сторон составляют 2,32%, 2,00% и 3,59% соответственно, тогда как V_oc держится около 0,6 В, а основной рост КПД обусловлен повышением J_sc. Поскольку это одиночный фотоанодный элемент, увеличение J_sc должно быть вызвано усиленным световым потоком от нижнего облучения, приводящим к увеличению фотогенерированных электронов в фотоанодах. Следует заметить, что КПД при нижнем облучении ниже, чем при верхнем, даже если концентрированный свет выше по интенсивности, чем параллельный свет сверху, что может быть объяснено рис. S3. При концентрировании света на одиночном фотоанодном QDSSC свет должен пройти через FTO стекло, затем через Cu₂S сетчатый CE и электролит, чтобы достичь верхнего фотоанода, вызывая потери фотоэнергии. По нашему результату, интенсивность фотоэнергии, достигающей верхний фотоанод, слабее, чем параллельное облучение сверху. Следовательно, КПД одиночного фотоанодного элемента под концентрированным светом ниже, чем под параллельным светом сверху. Это может быть дополнительно подтверждено тестовой конфигурацией на рис. S4. Фокусировка света непосредственно на нижний фотоанод как рабочий электрод дает КПД 4,32% и ток короткого замыкания 21,6 мА/см², почти в два раза больше тока короткого замыкания, генерируемого параллельным светом на фотоаноде, что означает, что фотонный поток после конденсирования в два раза превышает параллельный свет сверху. Из изменения фотонного потока можно рассчитать коэффициент конденсирования 2, что согласуется с измеренными результатами. Как видно из таблицы 1, средний КПД двойной фотоанодной структуры с гранулярным Cu₂S CE составляет 5,51% при условии концентрированного света снизу, и рост КПД обусловлен вкладом верхнего фотоэлектрода, указывая на то, что верхний фотоанод захватывает больше фотонов при концентрирующем условии.

Для двойного фотоанодного устройства с гранулярным Cu₂S как CE КПД при облучении сверху, снизу и с двух сторон составляют 2,64% (J_sc = 11,552 мА/см²), 5,53% (J_sc = 26,287 мА/см²) и 8,28% (J_sc = 32,247 мА/см²) соответственно. По сравнению с традиционной одиночной фотоанодной структурой, облученной сверху (2,32%), КПД увеличивается на 260%. Рост КПД очевидно обусловлен увеличением J_sc, указывая на то, что двойные фотоаноды работают в параллельной конфигурации. Измеренная интенсивность концентрированного света снизу примерно в два раза выше верхнего параллельного света. При условии облучения концентрированным светом КПД QDSSC должен быть выше, чем при верхнем параллельном свете. Это согласуется с результатом, что КПД от нижнего облучения более чем в 2 раза выше, чем от верхнего.

Следует заметить, что поведение элементов на основе хлопьевидного Cu₂S CE похоже, но показывает общие сниженные значения фотовольтных параметров. Для изучения детального происхождения измерены циклические вольтамметрические (CV) кривые и такфелевые поляризационные кривые двух типов Cu₂S CE трехэлектродной системой. Рис. 3e — CV кривые, гранулярный Cu₂S показывает более высокую плотность тока. Пик восстановления гранулярного Cu₂S выше хлопьевидного, указывая на более быструю скорость редокс-реакции S²⁻/S_n²⁻ в электролите. Рис. 3f показывает CV кривые Cu₂S электродов с разной морфологией от 1 до 25 циклов. Никаких очевидных вариаций формы CV кривой и позиции пика не найдено. CV кривые хорошо накладываются при непрерывном сканировании, указывая на то, что обе морфологии электрода обладают хорошей химической стабильностью. С рис. 3g видно, что обменная плотность тока (J_0) гранулярного Cu₂S больше, чем хлопьевидного. Согласно результатам CV и такфелевых кривых, каталитическая активность гранулярного Cu₂S лучше, чем Cu₂S пленки. Это согласуется с фотовольтной эффективностью J-V кривых на рис. 3a-d. Для дальнейшего подтверждения каталитической активности контрэлектродов изучены EIS спектры (рис. 3h). Пурпурные сплошные линии — кривые подгонки, данные подгонки в таблице 2. R_ct1, R_ct2, R_s представляют зарядопереносное сопротивление на контрэлектроде, зарядопереносное сопротивление на границе фотоанод/электролит и последовательное сопротивление соответственно. Видно, что структура одиночного фотоанодного элемента и зарядопереносные сопротивления R_ct1 для гранулярного и хлопьевидного Cu₂S составляют 3,522 и 6,753 Ом·см² соответственно, а для двойного фотоанодного — 5,990 и 8,088 Ом·см². Меньшее R_ct1 гранулярного Cu₂S указывает на лучшую проводимость из-за меньшего зарядопереносного сопротивления.

Фотонный поток внутри поглотителя подчиняется закону Ламберта-Бира:

$$ b(E,x) = [1 - R(E)] b_s(E) \exp\left[-\int_0^x \alpha(E,x') dx'\right] $$ (1)

где b(E,x) — фотонный поток, получаемый QD в позиции x, b_s(E) — фотонный поток, получаемый в вертикальном направлении к солнечному облучению, R(E) — отражательная способность границы, α(E,x) — коэффициент поглощения в позиции x. CPV собирают падающий свет на большой площади и фокусируют на маленькой площади солнечного элемента для фотовольтаического преобразования. Коэффициент концентрации X — важный параметр для описания производительности концентрирующих солнечных элементов, равный увеличению плотности фотонного потока b(E) в X раз, и также приближенно равен отношению площади собранного падающего света к площади солнечного элемента. Можно считать, что сфокусированный свет однороден в пределах полуугла концентрации (θ_X), и увеличенное количество солнечного фотонного потока b_s(E,x) равно коэффициенту концентрации X. Поэтому для CPV уравнение (1) можно выразить как:

$$ b(E,x) = [1 - R(E)] \cdot X \cdot b_s(E) \exp\left[-\int_0^x \alpha(E,x') dx'\right] $$ (2)

Фототок (J_ph), генерируемый солнечным элементом при световых условиях, определяется фотонным потоком и производительностью солнечного элемента, J_ph равно J_sc, и может быть выражен как:

$$ J_{ph} = J_{sc} = q \int_0^\infty QE(E) b_s(E, T_s) dE $$ (3)

где q — элементарный заряд. Квантовая эффективность (QE) — функция энергии фотона. Предполагаем, что фотонный поток коллектора b_s2 в Y раз превышает верхний фотонный поток b_s1, и J_sc двойного фотоанодного элемента при облучении снизу может быть выражен как:

$$ J_{sc}(Y b_s) = q \int_0^\infty QE(E) \cdot Y \cdot b_s(E, T_s) dE \approx Y J_{sc} $$ (4)

Следовательно, сумма значения J_sc1 при параллельном облучении сверху и J_sc2 при концентрированном облучении снизу должна равняться J_sc1,2, генерируемому облучением с обеих сторон ФВ. Уравнение (4) в основном согласуется с J-V результатами в таблице 1, однако с некоторыми отклонениями. Как видно из данных J_sc, сумма J_sc1, освещаемого сверху, и J_sc2, освещаемого снизу, немного меньше J_sc1,2, освещаемого с двух сторон для двойных фотоанодных устройств. Отклонение должно результатировать из фототермического эффекта из-за температурных вариаций QDSSC при разных условиях освещения.

Известно, что сфокусированный свет на оптоэлектрических устройствах вызывает термическое накопление и повышение температуры. В настоящей работе фотонный поток концентрированного света от параболического рефлектора, измеренный измерителем интенсивности света, примерно в два раза выше нормального солнечного симулятора; это означает, что коэффициент концентрации равен 2, что намного меньше практических CPV устройств. Однако все равно необходимо изучить эффект термического накопления на элемент. Мы используем ИК камеру для мониторинга температурных вариаций при разных тестовых условиях. Фокусное расстояние используемого параболического рефлектора 6,5 см. Мы размещаем фотовольтаическое устройство 0,5 см ниже фокуса параболического рефлектора для обеспечения полного освещения активной площади, около 1,5 см². ИК температурные изображения для двойных фотоанодных устройств показаны на рис. 4b-d, соответствующие условия облучения на рис. 4e. По сравнению с неосвещенными устройствами, повышения температуры составляют 9,3 °C, 20,6 °C и 32,6 °C соответственно. Двустороннее облучение показывает более высокое повышение температуры, чем сумма отдельного облучения сверху и снизу, указывая на дополнительный механизм от материала или интерфейса. Реакция S²⁻/S_n²⁻ в электролите и на границе не похожа при разных температурах. Согласно формуле Аррениуса, скорость химической реакции в ФВ увеличивается с ростом температуры. С повышением температуры редокс-реакция у электродов QDSSC усиливалась, что ускоряло истощение фотогенерированных дырок в фотоаноде, тем самым 크게 снижая энергетически возбужденную редокс-реакцию.

Заключение

Подводя итог, мы спроектировали новую архитектуру солнечного элемента, интегрируя концепцию CPV в QDSSC с двойным фотоанодным дизайном. Для обеспечения лучшего захвата света Cu₂S сетка используется как контрэлектрод и помещается между двумя фотоанодами, а влияние морфологии Cu₂S на характеристики элемента исследуется и оптимизируется. Показано, что специальный дизайн обеспечивает 260% повышение КПД по сравнению с одиночным фотоанодом, облученным сверху. Пока открытое напряжение не меняется, двойной фотоанодный дизайн значительно увеличивает плотность тока и тем самым повышает КПД. Кроме того, фототермический эффект, индуцированный CPV, может помочь улучшить КПД, и достигнут рекордный КПД 8,28% (V_oc = 0,629 В, J_sc = 32,247 мА/см²). Следует упомянуть, что настоящая работа предоставляет новый путь для повышения КПД QDSSC, но дизайн устройства, специально для CPV части, может быть дальнейшим оптимизирован, и характеристики элемента будут дополнительно улучшены. Мы верим, что с лучшими QD сенсибилизаторами и техниками дизайна устройств идея, предложенная в настоящей работе, приведет к большому прогрессу в QDSSC и может быть расширена на другие солнечные элементы.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

QDSSCs:

Квантово-точечные солнечные элементы

PCE:

Коэффициент полезного действия (КПД)

CPV:

Концентрирующая фотовольтаика

QDs:

Квантовые точки

FF:

Коэффициент заполнения

SILAR:

Последовательная ионная адсорбция и реакция

CV:

Циклическая вольтамметрия

CBD:

Химическое осаждение из раствора

SEM:

Растрово-электронная микроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия