Verhoging van de efficiëntie van de energieconversie van Quantum Dot-Sensitized zonnecellen door een concentrerend fotovoltaïsch concept te integreren met dubbele fotoanodes

Resultaten en discussie

Er zijn talloze nanogestructureerde materialen die kunnen worden gebruikt als tegenelektroden voor QDSSC's, waaronder Cu₂ S, CoS, GeC [35] en NCW [36]. Echter, de Cu₂ S-tegenelektrode op basis van messing gaas vertoont ideale katalytische activiteit richting Sn ²⁻ /S ²⁻ redox paar. De Cu₂ . voorbereiden S tegenelektrode, er worden twee verschillende methoden gebruikt. Een daarvan is om Zn van het oppervlak van koperen gaas te verwijderen met zoutzuur, gevolgd door onderdompeling van het gaas in een gemengde oplossing die CH₄ bevat. N₂ S en C₂ H₈ N₄ gedurende 24 h [37]. De SEM-afbeeldingen van de resulterende Cu₂ S bedekt gaas wordt getoond in Fig. 2a-c. Het vergrote SEM-beeld geeft de korrelig gestructureerde Cu₂ . aan S worden gevormd. De dwarsdoorsnede in Fig. 2d geeft het bestaan ​​van Cu₂ . aan S-film op de koperdraad, de scheur ertussen is afkomstig van snijden tijdens de voorbereiding van het dwarsdoorsnedemonster, en de dikte is ongeveer 1,3 μ3oss-doorsnedemonster in Fig. 2e onthult dat de enige elementen die daar bestaan ​​Cu en S zijn , en de atoomverhouding van Cu tot S is ongeveer 2. De XPS-spectra van Cu en S worden respectievelijk getoond in Fig. 2f en h. De pieken van Cu 2p bij 952 eV en 932,5ev komen overeen met de elektronenbindingsenergie van respectievelijk Cu 2p1/2 en Cu 2p3/2, wat consistent is met de Cu ¹⁺ [38]. De pieken waargenomen in S 2p bij 163,5 eV en 161 eV komen overeen met respectievelijk S 2p1/2 en S 2p3/2, wat consistent is met S ²⁻ [39]. Deze resultaten bevestigen de succesvolle bereiding van Cu₂ S-film op het koperen gaas en de oppervlaktemorfologie wordt verondersteld het grote oppervlak en voldoende katalytische activiteit te garanderen.

SEM-afbeeldingen van de mesh-gestructureerde Cu₂ S tegenelektrode:a bovenaanzicht; b , c vergroot zicht op oppervlaktemorfologie; d dwarsdoorsnede en vergrote weergave van de Cu₂ S-laag. e EDS van Cu₂ S. v , g XPS-onderzoeksspectra van Cu₂ S-voorbeelden

De andere methode is uitgebreid gebruikt in eerdere rapporten, waarbij het koperen gaas eerst in zoutzuur wordt geplaatst en vervolgens wordt ondergedompeld in de polysulfide-elektrolyt (1 M Na₂ S en 1 M S) voor een geschikte tijd [40]. De overeenkomstige resultaten worden getoond in Fig. S2. Het vergrote SEM-beeld geeft de vlok-gestructureerde Cu₂ . aan S worden gevormd. De dwarsdoorsnede geeft het bestaan ​​van Cu₂ . aan S-film op de koperdraad, en de dikte is ook ongeveer 1,3 μ.3s. De Cu XPS-spectra vertonen pieken bij 933.1 eV en 952.5 eV, overeenkomend met respectievelijk Cu 2p3/2 en 2p1/2 [41]. Het S 2p-spectrum vertoont een piek bij 162,4 eV, wat de aanwezigheid van S ²⁻ bevestigt [42]. Het effect van Cu₂ S-morfologie op celprestaties wordt verder onderzocht.

Om de prestaties van cellen met verschillende architecturen en CE's te karakteriseren, is de fotostroomdichtheid-spanning (J –V ) curven worden verkregen en getoond in Fig. 3a-d. Een enkel fotoanode-apparaat en een dubbel fotoanode-apparaat zijn beide vervaardigd ter vergelijking met korrelig en vlokvormig Cu₂ S als respectievelijk CE's. Er zijn drie manieren om de cellen te verlichten:boven-, onder- en dubbele richtingen zoals getoond in Fig. 4e, en het gedrag van cellen die onder verschillende verlichtingsomstandigheden werken, wordt in detail onderzocht, en de corresponderende celparameters zijn samengevat in Tabel 1 inclusief open -circuitspanning (V _oc ), kortsluitstroom (J _sc ), vulfactor (FF) en PCE, waarbij de waarden die niet tussen haakjes staan ​​het experimentele gemiddelde zijn van twintig groepscellen en die tussen haakjes kampioenswaarden zijn. De testconfiguratie voor het enkele fotoanode-apparaat met korrelig en vlok Cu₂ S als CE's wordt getoond in Fig. S3, en de J –V curven worden getoond in Fig. 3a en b. De PCE die vanuit de boven-, beneden- en dubbele richtingen uitstraalt, is respectievelijk 2,32%, 2,00% en 3,59%, terwijl de V _oc worden rond de 0,6 V gehouden en de belangrijkste toename in PCE is te wijten aan verhoogde J _sc . Aangezien dit een enkel fotoanode-apparaat is, is de verhoogde J _sc zou te wijten moeten zijn aan de verhoogde lichtintensiteit van bestraling aan de onderkant, wat resulteert in verhoogde foto-gegenereerde elektronen in fotoanodes. Opgemerkt moet worden dat de PCE van bestraling naar beneden lager is dan die van bestraling van bovenaf, zelfs als het geconcentreerde licht een hogere intensiteit heeft dan parallel licht van bovenaf, wat een verklaring zou kunnen krijgen uit Fig. S3. Bij het concentreren van licht op enkele fotoanode QDSSC's, moet het licht door FTO-glas gaan en vervolgens door de Cu₂ S mesh CE en elektrolyt om de bovenste fotoanode te bereiken, wat tot op zekere hoogte verlies van foto-energie veroorzaakt. Uit ons resultaat blijkt dat de intensiteit van de foto-energie die de bovenste fotoanode bereikt, zwakker zou zijn dan de parallelle lichtbestraling vanaf de bovenkant. Daarom is de PCE van de enkele fotoanodecelstructuur onder geconcentreerde lichtbestraling lager dan die onder parallelle lichtbestraling aan de bovenzijde. Het kan verder worden ondersteund door de testconfiguratie aan te nemen die wordt getoond in Fig. S4. Door licht direct op de onderste fotoanode te focussen als werkelektrode wordt een PCE van 4,32% en een kortsluitstroom van 21,6 mA cm ⁻² bereikt , bijna twee keer de kortsluitstroom die wordt gegenereerd door het parallelle licht dat de fotoanode bestraalt, wat betekent dat de fotonenflux na condensatie twee keer zo groot is als die van het parallelle licht van bovenaf. Uit de verandering van de fotonflux kunnen we berekenen dat de condensatiecoëfficiënt 2 is, wat consistent is met onze gemeten resultaten. Zoals te zien is in tabel 1, is de gemiddelde PCE van de dubbele fotoanodecelstructuur met granulair Cu₂ S CE is 5,51% onder de voorwaarde van het concentreren van licht vanaf de onderkant, en de toename in PCE is te wijten aan de bijdrage van de bovenste foto-elektrode, wat aangeeft dat de bovenste fotoanode meer fotonen vangt onder de concentrerende omstandigheden.

Kampioen J –V curven van QDSSC's met verschillende structuren. een Enkele fotoanode en korrelig Cu₂ SCE. b Enkele fotoanode en vlok Cu₂ SCE. c Dubbele fotoanode en korrelig Cu₂ SCE. d Dubbele fotoanode en vlok Cu₂ SCE. e CV en g tafel polarisatiecurven van twee Cu₂ S CE's, respectievelijk. v Elektrochemische stabiliteit van verschillende CE's bestudeerd door CV. u Nyquist-plots van QDSSC's met verschillende CE's en verschillende structuren onder de verlichting van één volle zonintensiteit. ik Vergroot deel van het zwarte gestippelde kader in h

Infraroodfoto's van verschillende lichtomstandigheden:a zonder licht, b parallel licht aan de bovenzijde, c geconcentreerd licht van de parabolische reflector, d licht van beide kanten schijnt tegelijkertijd, en e simulatiediagram van verschillende lichtomstandigheden

Voor het apparaat met dubbele fotoanode met korrelig Cu₂ S als CE's is de PCE die van boven naar beneden en in dubbele richtingen uitstraalt 2,64% (J _sc =11,552 mA cm ⁻² ), 5,53% (J _sc =26,287 mA cm ⁻² ), en 8,28% (J _sc =32.247 mA cm ⁻² ), respectievelijk. Vergeleken met die van de traditionele enkelvoudige fotoanodestructuur die van bovenaf wordt bestraald (2,32%), neemt de PCE met 260% toe. De toename in PCE is duidelijk te wijten aan de toegenomen J _sc , wat aangeeft dat de dubbele fotoanodes in een parallelle configuratie werken. De gemeten lichtintensiteit van het geconcentreerde licht van onderen is ongeveer het dubbele van dat van het bovenste parallelle licht. Onder de bestralingsconditie van het geconcentreerde licht, zou de PCE van QDSSC's hoger moeten zijn dan die van het bovenste parallelle licht. Het is consistent met het huidige resultaat dat de PCE van bestraling van onder meer dan 2 keer is in vergelijking met die van bestraling van boven.

Opgemerkt moet worden dat het gedrag van cellen op basis van Cu₂ S CE zijn vergelijkbaar, maar vertonen algemene vervallen waarden in fotovoltaïsche parameters. Om de gedetailleerde oorsprong te onderzoeken, de cyclische voltammogram (CV) curven en tafel polarisatiecurven van de twee kinderen van Cu₂ S CE's worden gemeten met een systeem met drie elektroden. Figuur 3e is de CV-curve en granulair Cu₂ S toont een hogere stroomdichtheid. De reductiepiek van granulair Cu₂ S is hoger dan vlok Cu₂ S, wat de snellere redoxreactiesnelheid van S ²⁻ . aangeeft /S_n ²⁻ in de elektrolyt. Afbeelding 3f toont de CV-curven van de Cu₂ S-elektrode met verschillende morfologieën van 1 tot 25 cycli. Er is geen duidelijke variatie gevonden voor de vorm van de CV-curve en de positie van de piek. De CV-curven overlappen elkaar goed bij continu scannen, wat aangeeft dat de twee morfologieën van de elektrode beide een goede chemische stabiliteit bezitten. Uit figuur 3g blijkt dat de uitwisselingsstroomdichtheid (J ₀ ) van korrelig Cu₂ S is groter dan die van vlok Cu₂ S. Volgens de testresultaten van CV en tafel polarisatiecurven, suggereert dit dat de katalytische activiteit van granulair Cu₂ S is beter dan die van Cu₂ S-film. Dit komt overeen met de fotovoltaïsche prestaties van J –V krommen in Fig. 3a-d. Om de katalytische activiteit van de tegenelektroden verder te bevestigen, worden EIS-spectra bestudeerd en weergegeven in Fig. 3h. De paarse ononderbroken lijnen vertegenwoordigen aanpascurves en de aanpasgegevens zijn samengevat in Tabel 2. R _ct1 , R _ct2 , en R _s vertegenwoordigen de ladingsoverdrachtsweerstand op de tegenelektrode, de ladingsoverdrachtsweerstand bij de fotoanode/elektrolyt-interface en de serieweerstand, respectievelijk. Het is te zien dat de structuur van een enkele fotoanodecel en de ladingsoverdrachtsweerstanden van R _ct1 voor granulair Cu₂ S en vlok Cu₂ S is 3,522 en 6,753 Ω cm ² , respectievelijk, en die van dubbele fotoanodecel zijn 5.990 en 8.088 Ω cm ² , respectievelijk. De kleinere R _ct1 van korrelig Cu₂ S geeft een betere geleidbaarheid aan vanwege de kleinere weerstand tegen ladingsoverdracht.

De fotonenflux in een absorber voldoet aan de wet van Lambert-Beer:

waar b (E , x ) is de fotonenflux die wordt ontvangen door QD's op positie x , bs (E ) is de fotonenflux ontvangen in de verticale richting naar zonnestraling, R (E ) is de reflectiviteit van de interface, en α (E , x ) is de absorptiecoëfficiënt op positie x . CPV verzamelt invallend licht over een groot gebied en focust het op een klein gebied van de zonnecel voor fotovoltaïsche conversie. Concentratiefactor X is een belangrijke parameter om de prestatie van concentrerende zonnecellen te beschrijven, namelijk de verhoogde tijden van fotonfluxdichtheid b (E ) en wordt ook benaderd als de verhouding van het oppervlak van opgevangen invallend licht tot het oppervlak van zonnecellen. Er kan worden aangenomen dat het gefocusseerde licht uniform is binnen de halve concentratiehoek (θ _X ), en de toegenomen tijden van zonnefotonflux b _s (E ,x ) is gelijk aan concentratiefactor X . Daarom is voor CPV, Vgl. (1) kan worden uitgedrukt als:

De fotostroom (J _ph ) gegenereerd door een zonnecel onder lichtomstandigheden, bepaald door de fotonenflux en de prestaties van de zonnecel, J _ph is gelijk aan J _sc , en kan worden uitgedrukt als:

waar Q is de elementaire lading. kwantumefficiëntie (QE) is een functie van fotonenergie. We nemen aan dat de fotonenflux van de collector bs ₂ is Y maal die van de bovenste fotonflux bs ₁ , en de J _sc van de dubbele fotoanodecel onder bestraling vanaf de onderkant kan worden uitgedrukt als:

Daarom is de som van J _sc1 waarde onder de voorwaarde van parallelle lichtinstraling vanaf de bovenzijde en J _sc2 waarde onder de voorwaarde van geconcentreerde lichtinstraling vanaf de onderkant moet gelijk zijn aan J _{sc1, 2} gegenereerd door lichtinstraling aan beide zijden van de PV. Vergelijking (4) is in principe consistent met J –V resultaten in Tabel 1, echter met enkele afwijkingen. Zoals te zien is aan de J _sc gegevens, de som van J _sc1 verlicht van bovenaf en J _sc2 oplichtend van beneden is iets kleiner dan die van J _{sc1, 2} verlicht van beide kanten voor dubbele fotoanode-apparaten. De afwijking moet het gevolg zijn van het fotothermische effect als gevolg van de temperatuurvariatie van QDSSC's onder verschillende verlichtingsomstandigheden.

Het is algemeen bekend dat het gefocusseerde licht op opto-elektrische apparaten thermische accumulatie en verhoogde temperatuur zou veroorzaken. In het huidige werk is de fotonenflux van het geconcentreerde licht van de parabolische reflector gemeten door de lichtintensiteitsmeter ongeveer tweemaal de normale zonlichtsimulator; het betekent dat de concentratiecoëfficiënt 2 is, wat veel kleiner is dan praktische CPV-apparaten. Het is echter nog steeds nodig om het effect van thermische accumulatie op de cel te onderzoeken. We gebruiken een infrarood (IR) camera om het temperatuurverloop onder verschillende testomstandigheden te monitoren. De brandpuntsafstand van de gebruikte parabolische reflector is 6,5 cm. We plaatsen het fotovoltaïsche apparaat 0,5 cm onder het focuspunt van de parabolische reflector om de volledige verlichting van het actieve gebied te verzekeren, dat is ongeveer 1,5 cm ² . De IR-temperatuurbeelden voor dubbele fotoanode-apparaten worden getoond in Fig. 4b-d, en de overeenkomstige bestralingsomstandigheden worden getoond in Fig. 4e. Vergeleken met niet-bestraalde apparaten zijn de temperatuurstijgingen respectievelijk 9,3 °C, 20,6 °C en 32,6 °C. De dubbelzijdige bestraling laat een hogere temperatuurstijging zien dan de som van de afzonderlijke bestraling van boven naar beneden, wat duidt op het aanvullende mechanisme van het materiaal of de interface die hier betrokken is. De reactie van S ²⁻ /S_n ²⁻ in elektrolyt en interface is niet vergelijkbaar onder verschillende temperaturen. Volgens de formule van Arrhenius neemt de chemische reactiesnelheid in PV toe met de temperatuurstijging. Met de toename van de temperatuur werd de redoxreactie nabij de QDSSC-elektroden versterkt, wat de uitputting van fotogenieke gaten in de fotoanode versnelde, waardoor de energie-opgewonden redoxreactie sterk werd verminderd.