Prestatieverbetering van CdS/CdSe Quantum Dot-Sensitized zonnecellen met (001)-Oriented Anatase TiO2 Nanosheets Photoanode

Abstract

CdS/CdSe quantum dot-sensitized zonnecellen (QDSSC's) werden gefabriceerd op twee soorten TiO₂ fotoanodes, namelijk nanosheets (NS's) en nanodeeltjes. De TiO₂ NS's met hoog (001) blootgestelde facetten werden bereid via een hydrothermische methode, terwijl de TiO₂ nanodeeltjes gebruikten de commerciële Degussa P-25. Er werd gevonden dat de poriegrootte, het specifieke oppervlak, de porositeit en de elektronentransporteigenschappen van TiO₂ NS's waren over het algemeen superieur aan die van P-25. Als gevolg hiervan is de TiO₂ Op NS gebaseerde CdS/CdSe QDSSC heeft een stroomconversie-efficiëntie van 4,42% laten zien, wat overeenkomt met een verbetering van 54% in vergelijking met de op P-25 gebaseerde referentiecel. Deze studie biedt een effectief fotoanode-ontwerp met behulp van nanostructuurbenadering om de prestaties van TiO₂ . te verbeteren -gebaseerde QDSSC's.

Achtergrond

In de afgelopen jaren hebben quantum dot-sensitized zonnecellen (QDSSC's) veel aandacht getrokken als veelbelovende alternatieven voor kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's). De specifieke voordelen van kwantumdots (QD's) ten opzichte van organische kleurstoffen en op Ru-gebaseerde kleurstoffen zijn onder meer een grotere extinctiecoëfficiënt, afstembare energiebandgap door de puntgrootte en chemische samenstelling te regelen, hogere fotonische en chemische stabiliteit en mogelijkheid voor het genereren van meerdere excitonen en overdracht van hete dragers [1,2,3,4]. Theoretisch kunnen QDSSC's de conversie-efficiëntie van licht naar elektriciteit verbeteren tot voorbij de Shockley-Queisser-limiet van 32% [5].

Het foto-elektrische conversieschema van QDSSC's is vergelijkbaar met dat van DSSC's, maar gebruikt anorganische nanokristallen in plaats van organische kleurstoffen als lichtabsorberende middelen. Over het algemeen bestaan QDSSC's uit een QD-gecoat metaaloxide als het fotoanode, polysulfidecomplex (S ²⁻ /S _x ²⁻ ) als de vloeibare redox-elektrolyt en Pt-metaal als de tegenelektrode. Veel soorten halfgeleider-QD's met smalle bandgap, zoals CdS, CdSe, CdTe en PbS, zijn gebruikt als lichtabsorbeerders in het zichtbare lichtregime [6,7,8,9,10]. Om het lichtabsorptiebereik uit te breiden en de dragerinjectie in QDSSC's te vergemakkelijken, de QD's met geschikte energieniveau-aanpassing, zoals CuInS₂ /CdS [11, 12], CdTe/CdSe [13] en CdS/CdSe [14,15,16,17,18,19,20,21] zijn gecombineerd om QD-co-sensitizers met kern/schilstructuur te vormen . Onder hen zijn de CdS / CdSe core / shell-structuur-QD's op grote schaal bestudeerd vanwege hun relatieve stabiliteit en eenvoudige synthese, en de resulterende cellen vertoonden over het algemeen vermogensconversie-efficiënties van < 5%. Op dit moment vertonen de gerapporteerde best presterende QDSSC's nog steeds een matige stroomconversie-efficiëntie van 6-8% [10, 13, 22, 23] als gevolg van ernstige ladingsrecombinatie en lage QD-dekking op de fotoanodes. Om de prestaties van QDSSC's verder te verbeteren, is de huidige strategie gericht geweest op het gebruik van de mesoporeuze metaaloxiden als fotoanodematerialen om het elektronentransport, het oogsten van licht en het laden van QD's te verbeteren.

In zowel QDSSC's als DSSC's, TiO₂ is een poreus fotoanodemateriaal dat de voorkeur heeft vanwege zijn hoge efficiëntie, lage kosten en uitstekende chemische stabiliteit [24]. Het is algemeen bekend dat de prestaties van TiO₂ -gebaseerde fotovoltaïsche energie is sterk afhankelijk van de morfologie en kristalstructuur van TiO₂ , en de beschikbare anatase TiO₂ nanodeeltjes (NP's) worden meestal gedomineerd door de thermodynamisch stabiele (101) facetten [25]. Echter, theoretische en experimentele studies hebben aangetoond dat de (001) facetten veel actiever zijn dan de thermodynamisch stabiele (101) oppervlakken [26], die gunstig zijn voor kleurstof- of QD-absorptie en helpen om ladingsrecombinatie te vertragen [27,28,29 ]. Bovendien is bevestigd dat de bandrand van de (001) facetten lager is dan die van de (101) facetten, wat voordelig is voor spanningsverbetering [30].

Diverse TiO₂ nanostructuren met hoge (001) blootgestelde facetten, waaronder nanosheets (NS's), holle bollen en nanobuisjes [31,32,33,34], zijn gebruikt in het DSSC-systeem. In het bijzonder de anatase TiO₂ Van NS's met een hoog percentage (001)-blootgestelde facetten is bewezen dat ze unieke oppervlaktestructuurkenmerken vertonen die mogelijk leiden tot prestatieverbeteringen bij watersplitsing, fotokatalyse en lithium-ionbatterijen [31, 35, 36]. Voor zover wij weten, zijn er echter veel minder rapporten over het gebruik van de nieuwe (001) facet-tailed TiO₂ nanosheetstructuur in het QDSSCs-systeem [28]. In dit werk presenteren we een vergelijkende studie over de fotovoltaïsche prestaties van de TiO₂ NS- en NP-gebaseerde CdSe/CdS QDSSC's. De TiO₂ NS's met hoog (001) blootgestelde facetten werden bereid via een hydrothermische methode [37], terwijl de TiO₂ NP's gebruikten de commerciële Degussa P-25. We ontdekten dat de poriegrootte, het specifieke oppervlak en de porositeit van TiO₂ NS's waren over het algemeen superieur aan die van P-25. De resulterende TiO₂ Op NS gebaseerde CdSe/CdS QDSSC vertoonde een energieconversie-efficiëntie van 4,42%, die significant verbeterd is tot 54% in vergelijking met de op P-25 gebaseerde referentiecel onder vergelijkbare fabricageomstandigheden.

Methoden

Voorbereiding van verschillende TiO₂ Fotoanodes

De anataas TiO₂ NS's met hoog (001) blootgestelde facetten werden gesynthetiseerd via een hydrothermische methode [37]. In het kort werd 2,4 ml fluorwaterstofzuur (Aldrich, 48 wt%) eerst druppelsgewijs toegevoegd aan 30 ml titaniumbutoxide (Ti(OBu)₄ , Aldrich,> -97%), en het mengsel werd afgesloten in een gedroogde met Teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf. Het syntheseproces werd vervolgens uitgevoerd bij 180 ° C gedurende 16 ° C in een elektrische oven. De resulterende TiO₂ NS-precipitaten werden verzameld door centrifugeren en verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water en ethanol. Twee soorten zeefdrukbare pasta's, de TiO₂ NS's en commerciële P-25 werden bereid door 6 g TiO₂ . te mengen NSs (of P-25-poeder), 20 ml terpineol en 30 ml 10 wt% ethylcellulose (EC) in een rotovapkolf met ronde bodem. Na sonicatie en concentratie werden de resulterende 13 wt% homogene pasta's gecoat op de met fluor gedoteerde tinoxide (FTO) glassubstraten (10 ohm per vierkant, 2,2 mm dikte) door zeefdruk. Eindelijk, de gezeefdrukte TiO₂ NS's en P-25 fotoanodes werden gedurende 1 uur in lucht bij 500 °C uitgegloeid om een goede elektrische geleiding mogelijk te maken.

Depositie en sensibilisatie van CdS/CdSe QD's

De afzettingsmethoden van QD's op metaaloxiden in QDSSC's kunnen in twee typen worden ingedeeld:(1) in situ groei via het opeenvolgende ion-layer-absorptie- en reactieproces (SILAR) voor CdS QD's en samen met de chemische badafzetting (CBD) of chemisch dampafzettingsproces voor CdSe QD's; en (2) absorptie van bereide QD-colloïden via gemodificeerde liganden. Hoewel de laatste methode gemakkelijker is om de QD-grootte en oppervlaktemodificatie te regelen, heeft de in situ groei die gepaard gaat met direct contact op de metaaloxidemethode lagere fabricagekosten [17]. In dit werk zijn de twee verschillende fotoanodes, TiO₂ NS's en P-25 werden ook in situ gesensibiliseerd met CdS en CdSe QD's met behulp van respectievelijk de SILAR- en CBD-processen. Voor de afzetting van CdS QD's werden twee afzonderlijke voorloperoplossingen bereid:20 mM CdCl₂ en 20 mM Na₂ S werden opgelost in een mengsel van methanol en gedeïoniseerd water (1:1, v /v) als respectievelijk kation- en anionbronnen. Zowel de TiO₂ NS's en P-25 fotoanodes werden eerst in de Cd²⁺ gedompeld voorloperoplossing gedurende 1 min, en vervolgens ondergedompeld in de S²⁻ voorloperoplossing gedurende 1 min. Voor elke onderdompeling werden de fotoanoden gespoeld met methanol en vervolgens gedroogd met N₂ stromen. Deze procedures werden verschillende cycli herhaald om een geschikte CdS QD-laag te vormen. Voor de daaropvolgende afzetting van CdSe QD's op de CdS QD's, de TiO₂ /CdS-fotoanodes werden gedompeld in een waterige oplossing bestaande uit 2,5 mM Cd(CH₃ COO)₂ , 2,5 mM Na₂ SeSO₃ en 75 mM NH₄ OH. Het depositieproces werd gedurende 1 uur op 70°C gehouden. Het laden van de CdSe QD's werd gecontroleerd door het aantal reactiecycli aan te passen.

Assemblage en karakterisering van QDSSC's

De verschillende TiO₂ gebaseerde CdS/CdSe QDSSC's werden geassembleerd in een conventionele sandwichstructuur. Het met platina gecoate FTO-glas en CdS/CdSe QD's maakten TiO₂ gevoelig fotoanodes werden aan elkaar geseald en gescheiden met een 25 m hot-melting polymer spacer (DuPont Surlyn). De polysulfide-elektrolyt, die bestond uit 0,2 M Na₂ S, 0,2 M S en 0,02 M KCl in waterige oplossing werden in de ruimte tussen de elektroden geïnjecteerd. Het actieve gebied van alle QDSSC's was ~ 0.16 cm² (~ 0,4 cm × 0,4 cm).

Alle CdS/CdSe QDSSC's werden gekarakteriseerd met behulp van veldemissie-scanningmicroscopie (FE-SEM, JEOL JSM-6500F), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, JEOL JEM-3000F en Hitachi HT7700) en invallende röntgendiffractie (GIXRD, PANalytical X 'Pert PRO MPD). De ladingen van QD's op de verschillende TiO₂ fotoanodes werden geschat door een inductief gekoppelde plasmamassaspectrometer (ICP-MS, Agilent 7500ce). De stroom-spanningskarakteristieken en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) metingen van de fotovoltaïsche cellen werden uitgevoerd onder gesimuleerde één-zon verlichting (100 mW/cm² , AM 1,5 G). Het invallende foton omgezet in stroomrendement (IPCE) werd gemeten door gebruik te maken van een 150-W XQ-lamp met een monochromator onder de DC-modus. De optische absorptie werd uitgevoerd met een UV-VIS-spectrofotometer (Jasco V-670) met een wolfraam-halogeenlamp.

Resultaten en discussie

In deze studie werd de anatase TiO₂ NS's met hoge (001) blootgestelde facetten werden bereid als de fotoanodes van QDSSC's via een hydrothermische methode. Hun prestaties werden onderzocht, besproken en vergeleken met de commerciële nanoporeuze Degussa P-25 fotoanode. De kristalstructuur en samenstelling van TiO₂ NS's werden gekenmerkt door röntgendiffractometrie. Zoals weergegeven in Fig. 1a, zijn alle geïdentificeerde pieken van TiO₂ NS's kunnen worden geïndexeerd tot een zuivere anatase TiO₂ fase met een tetragonale structuur en ruimtegroep I4₁ /amd (JCPDS-kaarten, nr. 71-1169), waarbij geen rutielfase werd waargenomen. De (004) en (200) reflectiepieken vertegenwoordigen de c - en een -assen, respectievelijk. De verbeterde scherpe (200) piek duidt op goed gekristalliseerde TiO₂ NS's gegroeid langs de a -as. Een typisch FE-SEM-beeld van P-25 wordt getoond in figuur 1b. De FE-SEM- en TEM-beelden van TiO₂ NS's worden getoond in respectievelijk Fig. 1c en d, die de goed gedefinieerde plaatvorm weergeven met een gemiddelde zijlengte van 50 nm en een dikte van 5 nm. De TEM-afbeelding met hoge resolutie (inzet van Fig. 1d) toont het zijaanzicht van een enkele TiO₂ NS kristal. De roosterafstand van 0.235 nm kan direct worden waargenomen, wat overeenkomt met de (001) vlakken van de anatase TiO₂ NS'en. Analyse van de bovenstaande resultaten geeft ~ 70% van TiO₂ . aan NS's bestaan uit de blootgestelde (001) facetten (zie aanvullend bestand 1). Voor de P-25 daarentegen is het percentage blootgestelde (001) facetten minder dan 10%, waarbij meer dan 90% wordt gedomineerd door de (101), (110), enz. facetten. Het specifieke oppervlak en de poriegrootteverdeling van de TiO₂ NSs en P-25 fotoanodes werden onderzocht met behulp van stikstofabsorptie en desorptie-isothermen. Zoals weergegeven in Fig. 2 is de isotherm van een TiO₂ NS-fotoanode wordt geïdentificeerd als type IV op basis van de classificatie van Brunauer-Deming-Deming-Teller (BDDT) [38]. De corresponderende hysteresislus bij de hoge relatieve druk (P /P _o ) bereik van 0,75-1 behoort tot type H3, wat wijst op de aanwezigheid van spleetachtige mesoporiën en macroporiën. Dit soort poreuze structuren zorgen voor een relatief groot oppervlak en een groot totaal poriënvolume. Het BET-specifieke oppervlak werd bepaald als ~ 52,8 cm² g⁻¹ , gebaseerd op de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) poriegrootteverdeling zoals weergegeven in de inzet van Fig. 2. Tabel 1 geeft een samenvatting van de gedetailleerde informatie over de oppervlaktestructuren van TiO₂ NS en P-25. De relatief grotere kristalgrootte, grotere poriegrootte en grotere oppervlakte van TiO₂ NS's zijn gunstig voor de opname van de CdS/CdSe QD's.

een XRD-patronen van blote TiO₂ NS en P-25. b , c SEM-afbeeldingen van kale TiO₂ NSs en P-25, respectievelijk. d TEM- en HRTEM-afbeeldingen (invoegen) van kale TiO₂ NS'en

Stikstofabsorptie-desorptie-isothermen en poriegrootteverdelingen (insert) van bloot TiO₂ NS'en en P-25

De gecascadeerde CdS/CdSe QD's zijn uitgebreid gebruikt als co-sensitizers voor de QDSSC's vanwege hun brede absorptiebereik en goede elektronenoverdrachtdynamica [39]. In dit werk werden eerst de effecten van de coatingcycli van de SILAR (voor CdS QD's) en CBD (voor CdSe QD's) processen onderzocht, en de resultaten onthulden de optimale coatingcycli van 8 en 2 voor de CdS- en CdSe QDs-afzettingen, respectievelijk. Na afzetting van de gecascadeerde CdS/CdSe QD's door het tweestaps depositieproces, wordt de kleur van de TiO₂ NS-film veranderde van wit in donkerbruin. Afbeelding 3a toont een TEM-afbeelding van de CdS/CdSe QD-gesensibiliseerde TiO₂ NS's geschraapt van het FTO-glassubstraat. Het is te zien dat dichte CdSe-nanokristallen zijn gecoat op het oppervlak van TiO₂ NS's zonder duidelijke aggregatie. Bovendien kunnen de roosterranden van CdSe QD's duidelijk worden onderscheiden in het TEM-beeld met hoge resolutie in Fig. 3b, wat de hoge kristalliniteit aangeeft van CdSe QD's met een korrelgrootte van 4-6 nm.

een TEM en (b ) HRTEM-beelden van CdS/CdSe-gesensibiliseerde TiO₂ NS'en

Afbeelding 4 toont de UV-VIS-absorptiespectra van de CdS/CdSe QD-gesensibiliseerde TiO₂ NSs en P-25 elektroden bereid onder vergelijkbare afzettingsomstandigheden. De excitonische absorptiepieken die gewoonlijk worden waargenomen in colloïdale QD's, werden hier ook gedetecteerd vanwege het brede bereik van grootteverdeling van QD's vervaardigd door de SILAR- en CBD-processen. De corresponderende bandgaps van de CdS en CdSe QD's kunnen nog steeds worden geïdentificeerd als respectievelijk 2,67 en 1,78 eV door de absorptieranden. Blijkbaar zijn deze waarden groter dan die van bulk CdS (2,25 eV) en CdSe (1,7 eV), wat aangeeft dat de deeltjesgroottes van de twee nanokristallen nog steeds binnen de schaal van kwantumopsluiting vallen, zelfs na de opeenvolgende chemische afzettingen. In het zichtbare gebied, een hogere absorptie voor de TiO₂ NS-elektrode vergeleken met de P-25-elektrode wordt waargenomen, wat impliceert dat de ladingen van CdS en CdSe QD's op de TiO₂ NS's zijn hoger dan op de P-25. Verder werd ICP-MS gebruikt om de kwalitatieve QD's te verkrijgen die werden geladen op de twee verschillende soorten TiO₂ fotoanoden. Door de resultaten van de BET en ICP-MS te analyseren, werd de oppervlakteconcentratie van CdS QD's geabsorbeerd op de TiO₂ NS's (5.44 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ) blijkt hoger te zijn dan die op de P-25 (4.59 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ). Dit verifieert de reactieve (001) facetten van TiO₂ NS's kunnen zich effectievere plaatsen veroorloven voor hechting van CdS QD's, waardoor een hogere absorptie van CdSe QD's op CdS QD's wordt verkregen. Als gevolg hiervan is de oppervlakteconcentratie van CdSe QD's op de TiO₂ NS-fotoanode is ook hoger dan die op de P-25 (4.57 × 10⁻⁹ mol cm⁻² vs. 3,77 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ), wat consistent is met de eerder gerapporteerde resultaten [15]. De hoge (001)-blootgestelde facetten van TiO₂ NS's verbeteren blijkbaar de oppervlakteconcentratie van CdSe/CdS-co-sensitizers en verhogen zo de lichtopbrengst van resulterende QDSSC's. De fotovoltaïsche prestaties van de TiO₂ NS- en P-25-gebaseerde CdSe/CdS QDSSC's werden onderzocht door hun stroom-spanningsgedrag te karakteriseren onder de gesimuleerde één-zon verlichting (100 mW cm⁻² , AM 1,5 G). De TiO₂ NS's en P-25 fotoanodes die worden onderzocht, zijn beide ~ 10 m dik. De J -V kenmerken en invallende foton-naar-elektron conversie-efficiëntie van de twee QDSSC's worden geïllustreerd in Fig. 5, en hun gedetailleerde fotovoltaïsche parameters zijn getabelleerd in Tabel 2. Het is te zien dat de TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC bereikte een grotere nullastspanning (V _oc ) van 0,58 V, een hogere kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) van 15,07 mA cm⁻² , en een betere conversie-efficiëntie (η ) van 4,42% vergeleken met de op P-25 gebaseerde QDSSC (V _oc = 0,52 V, J _sc = 11.75 mA cm⁻² , en η =-2,86%). De TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC vertoont een 60 mV grotere V _oc dan de op P-25 gebaseerde cel. Deze verbetering van de nullastspanning in de TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC kan worden toegeschreven aan de negatieve verschuiving van het vlakbandpotentieel voor de (001) facetten [30]. Aan de andere kant is het algemeen bekend dat de J _sc is evenredig met de hoeveelheid licht die op het metaaloxide wordt geabsorbeerd. Daarom is de grotere J _sc in de TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC is consistent met het resultaat van ICP-MS, wat bevestigt dat de facetten van reactieve anatase (001) het laden van kwantumdots per oppervlakte-eenheid bevorderen. Dus het gebruik van zeer reactieve TiO₂ NS's als fotoanodes kunnen de fotostromen van de TiO₂ . aanzienlijk verbeteren -gebaseerde fotovoltaïsche apparaten. Bovendien is de grotere poriegrootte van TiO₂ NSs vermindert de lichtverstrooiing in de TiO₂ NS'en. Dit maakt een grotere afstand mogelijk die licht kan afleggen binnen de TiO₂ NSs, waardoor de kans op elektronenabsorptie wordt vergroot. Zoals weergegeven in Fig. 5b, is de IPCE-spectrumrand van de TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC bevindt zich op 675 nm, wat enigszins rood is verschoven in vergelijking met de op P-25 gebaseerde QDSSC. In het algemeen wordt de IPCE-waarde bepaald door de efficiëntie van het oogsten van licht, de efficiëntie van de ladingsinjectie en de efficiëntie van de ladingverzameling van de fotoanode. Het resultaat komt goed overeen met de UV-VIS-absorptiespectra en de fotostromen die uit de IPCE-curven zijn geïntegreerd, komen goed overeen met de J-V afmetingen. Vergeleken met de op de P-25 gebaseerde QDSSC, is de TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC heeft hogere IPCE-waarden in het meetbereik van 300-800 nm, met een maximale IPCE-waarde van ~ 75%.

UV-VIS absorptiespectra van ~ 3-μm dik TiO₂ NS's en P-25 gesensibiliseerd door CdS en CdSe QD's. Het getal tussen haakjes geeft de coatingcycli van de SILAR (voor CdS) en CBD (voor CdSe) processen aan

(een ) J-V kenmerken en (b ) IPCE-spectra van de TiO2 NS's en P-25-gebaseerde QDSSC's

Het zeer reactieve (001) oppervlak van TiO₂ Het is geverifieerd dat NS's een effectiever oppervlak bieden voor QD-absorptie. Bovendien, TiO₂ Van NS's wordt verwacht dat ze de oppervlaktevallen en recombinatiecentra op de TiO₂ verminderen -NS/elektrolyt-interface voor elektronentransport [37]. Om een beter inzicht te krijgen in de dynamiek van de grensvlakladingsoverdracht- en ladingstransportprocessen in de huidige QDSSC's, werden elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) metingen [40,41,42] uitgevoerd. Afbeelding 6a toont de Nyquist-grafieken van beide QDSSC's onder één-zonverlichting bij de spanningsloze toestand, waarin de experimentele gegevens worden weergegeven met symbolen en de ononderbroken lijnaanpassingscurven werden verkregen door de Zview-software met behulp van het QDSSC-equivalente circuit zoals weergegeven in afb. 6b. De passende parameters van elektronentransport staan vermeld in Tabel 3, waarbij τ _eff is de effectieve levensduur van het elektron, R _w (=r _w .L ) is de elektronentransportweerstand in de TiO₂ , R _k (=r _k /L ) is de ladingsoverdrachtsweerstand gerelateerd aan recombinatie van elektronen aan de TiO₂ /elektrolyt-interface, D _n is de effectieve elektronendiffusiecoëfficiënt, L _n is de elektronendiffusielengte in TiO₂ , en L (~ 10 μm) is de dikte van de elektroden. D _n wordt geschat volgens de volgende vergelijking [43]:

$$ {D}_n=\left(\frac{R_k}{R_{\mathrm{w}}}\right)\ {L}^2\frac{1}{\tau_{\mathrm{eff}}} $$ (1)

een Nyquist-plots van de TiO₂ NS's en P-25-gebaseerde QDSSC's gemeten bij V _oc onder eenzonlicht. Inzet:de bijbehorende fase Bode-plots. b Het equivalente circuit van QDSSC's, waarbij R _s is de serieweerstand; R _pt en C _pt zijn respectievelijk de ladingsoverdrachtsweerstand en de grensvlakcapaciteit bij de Pt/elektrolyt-interface; R _FT en C _FT zijn de weerstand en de grensvlakcapaciteit bij de FTO/TiO₂ contact opnemen met respectievelijk; R _FTO en CPE_FTO zijn respectievelijk de ladingsoverdrachtsweerstand en het constante fase-element van de elektrische dubbellaag op het FTO/elektrolyt-interface

Uit de fase Bode-grafieken, inzet van figuur 6a, kunnen we de karakteristieke piekfrequentie van de QDSSC, f krijgen _piek , en de eerste-orde reactiesnelheidsconstante voor elektronenverlies, k _eff ≈ 2πf _max . De τ _eff kan dan als volgt worden geschat:

$$ {\tau}_{\mathrm{eff}}\circa \frac{1}{k_{\mathrm{eff}}} $$ (2)

De TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC heeft een lagere karakteristieke piekfrequentie in vergelijking met de op P-25 gebaseerde QDSSC, wat wijst op de elektronen in de TiO₂ NS's kunnen verder diffunderen. Het resultaat onthult dat het gebruik van de nanobladstructuur het elektronentransport bevordert en de ladingsrecombinatie onderdrukt. De getailleerde kleinere R _w en grotere R _k voor de TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC bevestigen ook het resultaat. De kleinere R _w voor de TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC geeft aan dat het verbindingsnetwerk van de zeer kristallijne (001) facetten een beter georiënteerde elektronenroute biedt, die het korrelinterface-effect minimaliseert en het elektronenverlies van TiO₂ vermindert NS's naar het FTO-substraat. Evenzo laat het aanpasresultaat ook zien dat de TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC heeft een grotere R _k (28,26 Ω) dan de P-25-gebaseerde QDSSC (8,98 Ω). De grotere R _k presenteert een hogere weerstand voor het elektronenrecombinatieproces, vanwege de hogere oppervlaktedekking van QD's op de TiO₂ NS's, wat resulteert in meer elektronen die overleven van de terugreactie op de onbedekte TiO₂ -NS/elektrolyt-interface. Eerdere rapporten met behulp van de ZnS-passiveringsbehandelingstechniek op de P-25-gebaseerde QDSSC's toonden ook vergelijkbare resultaten [40]. De corresponderende elektronendiffusielengte L _n van TiO₂ NS's werden geschat op ~ 21 m, wat twee keer langer is dan die van P-25. Bovendien is de L _n van TiO₂ NSs wordt veel langer gevonden dan de dikte van de fotoanodes (21 m versus 10 μm), wat impliceert dat de meeste van de door foto gegenereerde elektronen kunnen worden verzameld zonder recombinatie. De hoge efficiëntie van het verzamelen van elektronen in de TiO₂ NS-film kwam tot uiting door de hoge IPCE-waarde.

Conclusies

2D anatase TiO₂ NS's met hoge (001) blootgestelde facetten zijn bereid door een eenvoudig hydrothermisch proces en gebruikt als de fotoanodes voor de CdS/CdSe co-gesensibiliseerde zonnecellen (Fig. 5). Het TEM-onderzoek en de UV-VIS-absorptiespectra tonen zeer kristallijne TiO₂ NS'en met meer dan 70% van (001) facetten. Zowel de TiO₂ Op NS en P-25 gebaseerde QDSSC's worden gekarakteriseerd in termen van de fotovoltaïsche prestaties en de dynamiek van elektronentransport en recombinatie. De TiO₂ Op NS gebaseerde QDSSC kan een algehele energieconversie-efficiëntie van 4,42% behalen, wat overeenkomt met 54% verbetering in vergelijking met de op P-25 gebaseerde cel (2,86%) onder vergelijkbare fabricageomstandigheden. Bovendien kan de IPCE-waarde van meer dan 70% worden bereikt in het golflengtebereik van 450-600 nm voor de TiO₂ NS-gebaseerde QDSSC, toegeschreven aan de hogere lichtopbrengst en elektronenverzamelingsefficiëntie van de TiO₂ NS fotoanode. De EIS-analyse bevestigt ook de dominante (001) facetten van TiO₂ NS's kunnen de energieconversie-efficiëntie van de TiO₂ . drastisch verbeteren -gebaseerd op CdS/CdSe gesensibiliseerd QDSSC-systeem. Deze bevinding onthult de mogelijkheid van het exploiteren van de (001)-georiënteerde TiO₂ NS's in colloïdale QDSSC-toepassing omdat de QD's waarschijnlijk kunnen worden verankerd op de TiO₂ NS's zonder de noodzaak van extra linkers (dit zijn barrières voor elektronenoverdracht tussen de QD's en TiO₂ in de meeste gevallen). Bovendien is het gebruik van TiO₂ NS's in dit werk hebben de volgende voordelen laten zien:stabiel, massaproductie, goedkoop, enz., aangezien het fabricageproces niet ingewikkeld is en geen dure additieven nodig heeft.