Polyethyleenglycol verbetert NiO-fotokathodes voor quantum-dot tandem zonnecellen

Samenvatting

In deze studie werd een uniform nanoporös NiO-film tot 2,6 μm dik gefabriceerd door polyethyleenglycol (PEG) toe te voegen aan de precursoroplossing. PEG onderdrukte scheurvorming effectief en voorkomde delaminatie van fluor-gedopeerde tin-oxide (FTO) substraten. De NiO-kathode, gevoelig gemaakt met CdSeS quantum dots (QDs), bereikte een record fotoconversie-efficiëntie van 0,80 %. In combinatie met een TiO₂-anode leverde de resulterende QD-gevoelig p-n-type tandem zonnecel een open-circuitspanning (OCV) op die hoger was dan die van de afzonderlijke elektrodes, met een efficiëntie van 0,43 % (OCV = 0,594 V, J_SC = 2,0 mA cm^-2, FF = 0,36).

Achtergrond

Zonne-energie is gedoen om een primaire energiebron te worden door zijn schone, rijke en snel inzetbare aard. De afgelopen drie decennia zijn dye-gevoelig zonnecellen (DSSCs) geëvolueerd tot efficiënte apparaten, maar de meeste vooruitgang richtte zich op n-type architecturen met TiO₂, ZnO of SnO₂ foto-anoden, met kortsluitingstroomdichtheden (J_SC) boven 15 mA cm^-2 en efficiënties rond 13 %. p-n-type tandem DSSCs, die een p-type fotokathode combineren met een n-type anode, beloven hogere OCV's en algemene efficiënties. Opvallende vooruitgang omvat een OCV van 0,918 V van een NK-2684-gevoelig NiO/TiO₂ paar en een OCV van 1079 mV met donor-acceptor kleurstofoptimalisatie, de hoogste tot nu toe gerapporteerde voor p-n tandems.

Ondanks deze winsten leveren p-type fotokathodes doorgaans fotostromen die een orde van grootte lager zijn dan hun n-type tegenhangers, deels door mechanische instabiliteit in dikke films. Recente werk verken hoog-oppervlakte NiO-nanostructuren, verbeterde kristalliniteit en gelaagde architecturen om prestaties te verbeteren. De fotoconversie-efficiënties van NiO-elektrodes blijven echter in het bereik van 0,02–0,30 % wanneer gekoppeld met diverse kleurstoffen.

Dit werk bouwt voort op de PEO-PPO-PEO triblock-copolymere templating-strategie om dikke NiO-films te synthetiseren, met PEG als structurele modifier om filmintegriteit en porositeit te verbeteren, uiteindelijk leidend tot hoge-efficiënte QD-gevoelige tandem devices.

Experimenteel

NiO-precursoroplossingen werden bereid door anhydrisch NiCl₂ (1 g) en F108 (1 g) op te lossen in 3 g gedemineraliseerd water en 6 g ethanol. Na een rustperiode van 3 dagen werd PEG (MG ≈ 20.000) toegevoegd in hoeveelheden van 0,03, 0,075, 0,15 of 0,30 g. Het mengsel werd 4 uur geroerd en gecentrifugeerd bij 8000 toer/min. De resulterende gel werd met een doctor-blad op FTO-glas aangebracht en bij kamertemperatuur gedroogd, gevolgd door sintering bij 400 °C gedurende 30 min in lucht. CdSeS QDs werden gesynthetiseerd via hot-injectie, en NiO-films werden gevoelig gemaakt door elektroforetische depositie in een 1:2,5 (v/v) acetonitril/tolueen oplossing onder 50 V DC. TiO₂-anoden werden co-gevoelig gemaakt met CdS/CdSe via SILAR, ter vervanging van CuS als counter-electrode voor tandem-cel assemble.

Film-morfologie werd onderzocht met JSM-7001F FE-SEM. Fotostroom-spanning (J-V) kenmerken werden vastgelegd onder AM 1,5G verlichting (1 Zon) met een Keithley 2440 sourcemeter.

Resultaten en Discussie

SEM-beeldvorming onthulde dat NiO-films zonder PEG uitgesproken micro-ravijnen en opgerolde nanosheets vertoonden die na meerdere doctor-blad passes delamineerden. In tegenstelling lieten PEG-bevattende films, na zeven blad-cycli, een continu, scheurvrij oppervlak zien met een dikte van ~2,6 μm. PEG werkt waarschijnlijk als binder, wat de inter-deeltjes cohesie versterkt, en als structurele richtingsagent die de specifieke oppervlakte en poriënvolume verhoogt.

J-V metingen lieten zien dat het toevoegen van PEG tot 0,15 g de fotoconversie-efficiëntie verbeterde van 0,08 % (PEG = 0) naar 0,32 %. De optimale NiO-kathode bereikte OCV = 0,158 V, J_SC = 4,40 mA cm^-2, en FF = 0,46. Overmatig PEG (0,30 g) leidde tot prestatieverval, wat een optimale concentratiegebied aangeeft.

Variatie van filmdikte (vaste PEG = 0,15 g) toonde aan dat het verhogen van de dikte van 0,6 tot 2,1 μm OCV en J_SC verhoogde, maar boven ~1,5 μm de voordelen stagneden door beperkte gat-transport en verkorte levensduur.

In combinatie met een TiO₂-anode bereikte de TiO₂(onder)/NiO(boven) tandem-configuratie een OCV van 0,594 V en een algehele efficiëntie van 0,43 %, wat de afzonderlijke elektrodes overstijgt. Hoewel J_SC en efficiëntie lager waren dan de zelfstandige NiO-kathode of TiO₂-anode, vertegenwoordigt dit de eerste demonstratie van een QD-gevoelige p-n-type tandem device, wat het potentieel voor verdere optimalisatie benadrukt.

Conclusie

PEG-incorporatie levert een scheurvrije, 2,6-μm-dikke nanoporöse NiO-film met superieure mechanische stabiliteit en oppervlakte. De geoptimaliseerde QD-gevoelige NiO-kathode levert 0,80 % fotoconversie-efficiëntie. Als onderdeel van een TiO₂/NiO tandem-architectuur bereikt het device een OCV van 0,594 V en een efficiëntie van 0,43 %, wat de geïsoleerde elektrodes overtreft. Toekomstig werk zal zich richten op het verbeteren van ladingsextractie en het verminderen van recombinatie om het volle potentieel van QD-gevoelige p-n-type tandem zonnecellen te ontgrendelen.