Effect van polyethyleenglycol op de NiO-fotokathode
Abstract
In deze studie werd een uniforme nanoporeuze NiO-film, met een dikte tot 2,6 m, bereid met polyethyleenglycol (PEG). De toevoeging van PEG verminderde de scheuren in de NiO-film aanzienlijk en verhinderde het afpellen van de NiO-film van een met fluor gedoteerd tinoxidesubstraat. De NiO-kathode werd bereid met behulp van CdSeS-kwantumdots (QD's) als sensibilisator, met een geoptimaliseerde foto-elektrische conversie van 0,80%. De geoptimaliseerde QD-gesensibiliseerde NiO-films werden eerst geassembleerd met de TiO2 anode voor geprepareerde QD-gesensibiliseerde p-n-type tandemzonnecellen. De nullastspanning was groter dan die verkregen met behulp van de gescheiden NiO-kathode of TiO2 anode.
Achtergrond
Zonne-energie demonstreert potentieel als de primaire energiebron in de toekomst vanwege de zuiverheid, het hoge vermogen, de snelle verwerking en de brede beschikbaarheid [1, 2]. Sinds de ontwikkeling van zonnecellen in de afgelopen 30 jaar zijn gesensibiliseerde zonnecellen efficiënte apparaten geworden voor het gebruik van zonne-energie. Deze studies richten zich echter op n-type zonnecellen, die zijn gebaseerd op een gesensibiliseerde n-type fotoanode, bijv. TiO2 , ZnO en SnO2 [2,3,4,5,6]. De kortsluitstroomdichtheid was groter dan 15 mA cm −2 , en de foto-elektrische conversie-efficiëntie was ongeveer 13% [5]. Hij et al. hebben het gebruik gerapporteerd van p-n-type tandem-kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) [7], die mogelijk een hogere nullastspanning (OCV) en foto-elektrische conversie-efficiëntie opleveren. Nakasa et al. hebben een OCV van 0,918 V gerapporteerd door de combinatie van merocyanine NK-2684-gesensibiliseerd NiO en TiO2 fotoanode [8]. Nattestad et al. hebben een afname gemeld van de ladingsrecombinatie van de NiO-fotokathode door de optimalisatie van donor-acceptorkleurstoffen en bereikten een geabsorbeerd foton-naar-elektron conversie-efficiëntie van meer dan 90% over een spectraal bereik van 400-500 nm [9], met een nullastspanning van 1079 mV. Deze waarde is de hoogste waarde die tot nu toe is gerapporteerd voor p-n-type tandem DSSC's.
Om hogere fotostromen te verkrijgen die vergelijkbaar zijn met n-type fotoanodes, is een manier om een nieuwe p-type kathode te maken [10, 11]. Een andere manier is om dikke mesoporeuze fotokathoden te bereiden die de voorkeur hebben voor het adsorberen van een grote hoeveelheid kleurstofmoleculen. Er zijn enkele pogingen gedaan om de dikte van NiO-films te verbeteren; de gegenereerde fotostroomdichtheid is echter nog steeds een orde van grootte minder dan die waargenomen voor n-type DSSC's, en dikke films hebben vaak last van een slechte mechanische stabiliteit. Wu et al. hebben NiO-films gemaakt met de hydrothermische methode en hun eigenschappen verbeterd door de filmdikte en het specifieke oppervlak te optimaliseren [12]. Qu et al. hebben gelaagde NiO-films gemaakt van gerimpelde poreuze NiO-nanobladen en hebben significant verbeterde fotostroom en fotospanning gerapporteerd [13]. Zhang et al. hebben de fotospanning verbeterd door toepassing van zeer kristallijn NiO [14]. Powar et al. hebben een hoge fotostroom verkregen van 7,0 mA cm −2 met behulp van nanogestructureerde NiO-microballen als actieve materialen voor de fotokathode [15]. Sumikura et al. hebben nanoporeuze NiO-films gemaakt door de hydrolyse van NiCl2 in een water/ethanol gemengde oplossing met een reeks polyethyleenoxide-polypropyleenoxide-polyethyleenoxide (PEO-PPO-PEO) triblokcopolymeren als sjabloon [16]. Ze onderzochten de effecten van de PEO-PPO-PEO-sjabloon in detail. Li et al. hebben de bereidingsmethode overgenomen die wordt gebruikt door Sumikura et al. en bereidde dikke NiO-films met een tweestaps-rakelmethode [17]. Ze behaalden een record incident foton-naar-stroom efficiëntie (IPCE) van 64% en een kortsluitstroom (J SC ) van 5,48 mA cm −2 . De efficiëntie van de foto-elektrische conversie van de p-type NiO-elektrode wordt echter met verschillende kleurstoffen tussen 0,02 en 0,3% gehouden. In dit experiment werden precursoroplossingen van NiO bereid met behulp van F108 (polyethyleenoxide-polypropyleenoxide-polyethyleenoxide (PEO-PPO-PEO) triblokcopolymeren, MW:ca. 14.600) als de sjabloon volgens de methode van Sumikura et al.. Polyethyleenglycol (PEG; MW:ca. 20.000) werd toegevoegd aan de voorloperoplossing en de effecten ervan op de NiO-film werden in detail onderzocht. Ten slotte werden ook p-n-type quantum dot (QD)-gesensibiliseerde tandemzonnecellen geassembleerd.
Experimenteel
Een voorloperoplossing van NiO werd bereid volgens een eerder gerapporteerde methode [17]. Ten eerste, watervrij NiCl2 (1 g) en F108 (1 g) werden opgelost in een mengsel van gedeïoniseerd water (3 g) en ethanol (6 g). Ten tweede werd de oplossing 3 dagen met rust gelaten. Ten derde werd een specifiek gehalte aan polyethyleenglycol (MW van 20.000) toegevoegd aan de NiO-precursoroplossing. Vervolgens werd het mengsel 4 uur geroerd en bij 8000 rad/min gecentrifugeerd. Het PEG-gehalte werd gecontroleerd op 0,03, 0,075, 0,15 en 0,3 g. De bovenstaande oplossing werd afgezet op een met fluor gedoteerd tinoxide (FTO) glassubstraat door middel van de rakelmethode en gedroogd bij kamertemperatuur. De films werden 30 minuten onder lucht bij 400 ° C gesinterd. CdSeS QD's werden bereid door synthese met hete injectie volgens eerdere experimenten gerapporteerd door onze groep [18]. De bereide NiO-films werden gesensibiliseerd door CdSeS QD's door de elektroforetische methode met behulp van een gemengd acetonitril/tolueen (1:2.5 v /v ) oplossing door gedurende een bepaalde tijd een gelijkstroom van 50 V toe te passen. TiO2 films werden mede gesensibiliseerd met CdS/CdSe met behulp van de conventionele opeenvolgende ionische laagadsorptie- en reactiemethode (SILAR) [19]. QD-gesensibiliseerde TiO2 films werden gebruikt als anode in plaats van CuS om p-n-type QD-gesensibiliseerde zonnecellen te assembleren.
De morfologie van de NiO-films werd onderzocht met behulp van een JSM-7001F veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM). Fotostroomdichtheid–voltage (J –V ) kenmerken werden gemeten met behulp van een Keithley 2440-bronmeter onder AM 1.5G-verlichting van een Newport Oriel-zonnesimulator met een intensiteit van 1 zon.
Resultaten en discussie
De NiO-film werd bereid met de doctorblading-methode. De film zou loslaten in het geval van de NiO-precursoroplossing zonder PEG wanneer de bladtijd langer dan vier keer was. Figuur 1a, c, e toont de oppervlakte- en kruismorfologie van de NiO-films met vier bladen. De NiO-films, die verschillende microravijnen vertoonden, krulden op van het FTO-substraat. Figuur 1b, d, f toont het oppervlak en de dwarsdoorsnede van de NiO-films bereid met PEG. De films werden zeven keer bladen. Er werden bijna geen scheuren in de NiO-films waargenomen. De deeltjesgrootte was kleiner dan die van de NiO-film bereid zonder PEG. Bovendien werden duidelijke veranderingen waargenomen in de dwarsdoorsneden van deze twee NiO-films bereid met of zonder PEG. De NiO-film bereid met de NiO-precursoroplossing zonder PEG was blijkbaar samengesteld uit nanosheets. In feite zouden deze nanosheets eruit moeten zien als gekrulde NiO-films, die van het FTO-substraat kunnen loskomen. De NiO-films die zijn bereid met behulp van de NiO-precursoroplossing met PEG, bestonden echter uit verschillende lagen, waarbij elke NiO-filmlaag aan de andere lagen was gebonden. Er waren geen duidelijke scheuren tussen verschillende lagen, met een dikte van ongeveer 2,6 m. PEG kan twee effecten hebben in het vormingsproces van NiO-film. Een daarvan was dat PEG de verbinding tussen deze NiO-deeltjes zou kunnen verbeteren en het verschijnen van scheuren tijdens het droogproces zou verminderen nadat de NiO-gels op het FTO-substraat waren aangebracht. Ondertussen kan PEG worden gebruikt als structuursturend middel. De toevoeging van PEG kan het specifieke oppervlak en het porievolume van NiO-film verbeteren.
SEM-microfoto's van de NiO-films:a , c , en e werden vervaardigd uit de voorloperoplossing zonder polyethyleenglycol. b , d , en f werden vervaardigd uit de voorloperoplossing met polyethyleenglycol
De bereide NiO-films met twee lagen werden gesensibiliseerd met CdSeS QD's door elektroforetische afzetting. De fotostroom–spanning (J –V ) curven werden opgenomen onder een intensiteit van 1 zon met behulp van de Newport Oriel-zonnesimulator als lichtbron. Afbeelding 2 toont de J–V aldus verkregen curven. Zoals kan worden waargenomen in figuur 2, werd met de toevoeging van 0 tot 0,15 g PEG de omzettingsefficiëntie aanzienlijk verbeterd van 0,08 tot 0,32%. De OCV, J SC , en de vulfactor (FF) voor de beste NiO-fotokathode was 0,158 V, 4,40 mA cm −2 , en 0,46, respectievelijk. De eigenschap zou sterk afnemen met de verandering in het PEG-gehalte van 0,15 naar 0,3 g. Vandaar dat de concentratie van PEG in de NiO-precursoroplossing de eigenschap van de NiO-kathode aanzienlijk beïnvloedde.
Stroomdichtheid-spanningskarakteristieken van de NiO-fotokathoden met verschillend PEG-gehalte in de voorloperoplossing
De effecten van de NiO-filmdikte werden ook onderzocht. In dit experiment werd het PEG-gehalte vastgesteld op 0,15 g. Figuur 3 toont de curven van foto-elektrische eigenschappen. Met de toename van de filmdikte van 0,6 naar 2,1 μm, de OCV en J SC toegenomen. Deze beide factoren hadden de neiging af te nemen met de verdere toename van de filmdikte. De FF vertoonde bijna geen veranderingen met de toename van de filmdikte. Deze zwakke veranderingen kunnen verband houden met de toename van de fotostroomdichtheid. Als gevolg hiervan nam de efficiëntie van de foto-elektrische conversie toe met de aanvankelijke verdikking van de NiO-film. Er werden zwakke veranderingen waargenomen voor een filmdikte van meer dan 1,5 μm, gerelateerd aan de lage gatentransportsnelheid en de korte levensduur van het gat [20].
Effect van filmdikte op de fotovoltaïsche eigenschappen van de NiO-fotokathoden
De geprepareerde NiO-kathode werd samen met de TiO2 . geassembleerd anode om QD-gesensibiliseerde p-n-type tandem zonnecellen te bereiden. Afbeelding 4 toont de J–V krommen van de NiO-kathode en de TiO2 anode, evenals de tandem TiO2 (omlaag)/NiO(omhoog) en TiO2 (up)/NiO(down) zonnecellen. De p–n-type tandem zonnecellen met TiO2 (down)/NiO(up)-configuratie vertoonde een significant verbeterde OCV in vergelijking met de gescheiden NiO-kathode of TiO2 anode. De efficiëntie van de foto-elektrische conversie was 0,43%, met een OCV van 0,594 V, J SC van 2,0 mA cm −2 , en een FF van 0,36. Dit is de eerste studie over de QD-gesensibiliseerde p-n-type tandemzonnecellen. Echter, de J SC van de tandemzonnecellen was significant minder dan die van de NiO-kathode en TiO2 anode. Bovendien was de efficiëntie van de foto-elektrische conversie lager dan die van de NiO-kathode en TiO2 anode. In de toekomst moeten er meer onderzoeken worden uitgevoerd om de hoge prestaties van QD-gesensibiliseerde p-n-type tandemzonnecellen te verbeteren.
Stroomdichtheid-spanningskarakteristieken van p-n-type quantum dot-gesensibiliseerde p-n-type tandem zonnecellen
Conclusie
Polyethyleenglycol (PEG) werd gebruikt om NiO-films te maken. De toevoeging van PEG verminderde de scheuren in de NiO-films aanzienlijk. Er werd een uniforme 2,6 m dikke nanoporeuze NiO-film gemaakt. Het geoptimaliseerde foto-elektrische conversierendement was 0,80%. De geoptimaliseerde kwantumdot-gesensibiliseerde NiO-film werd voor het eerst geassembleerd met de TiO2 anode voor geprepareerde QD-gesensibiliseerde p-n-type tandemzonnecellen. De nullastspanning (OCV) was groter dan die vertoond door de gescheiden NiO-kathode of TiO2 anode. De TiO2 (down)/NiO(up) tandem-zonnecellen zorgden voor een totale foto-elektrische conversie van 0,43%, met een OCV, kortsluitstroomdichtheid en vulfactor van 0,594 V, 2,0 mA cm −2 , en 0,36, respectievelijk.
Nanomaterialen
- Het cashflow-effect van robots begrijpen
- Wat is het huideffect?
- Het Nike-effect:de Industry 4.0-innovatiecyclus in de praktijk
- Het effect van cryogene temperaturen op plastic materialen
- Het effect van pH op gele kleurstoffen uit de tuin
- Het effect van een kleine hoeveelheid SiO2 op de sinterkinetiek van tetragonale zirkoniumoxidenanopoeders
- Het effect van sulfaatanionen op de ultrafijne Titania-kiemvorming
- Het effect van contactloos plasma op structurele en magnetische eigenschappen van Mn Х Fe3 − X О4 Spinels
- Effect van in situ gloeibehandeling op de mobiliteit en morfologie van op TIPS pentaceen gebaseerde organische veldeffecttransistoren
- Effect van verschillende bindmiddelen op de elektrochemische prestaties van metaaloxide-anode voor lithium-ionbatterijen
- Optimalisatie van de standtijd:het effect van geleidingshoeken op draaibewerkingen