Verbetering van kwantumstip-zonnecel-efficiëntie met concentrerende fotovoltaïka en dubbele fotoanoden

Samenvatting

Ondanks grote inspanningen om de vermogen-omzettingsefficiëntie (PCE) van kwantumstip-gevoeligde zonnecellen (QDSSCs) in de afgelopen twee decennia te verbeteren, is de efficiëntie van QDSSCs nog ver achter de theoretische waarde. De huidige benaderingen voor het verbeteren van PCE zijn hoofdzakelijk gericht op het afstellen van de bandkloof van QDs om het licht-opbrengstbereik te verbreden en het optimaliseren van interfaces van onderdeeldelen. Hierin wordt een nieuwe zonnecelarchitectuur voorgesteld door het concentrerende zonnecel (CPV) concept te integreren in QDSSCs met een dubbele fotoanode-ontwerp. De Cu₂S mesh wordt gebruikt als tegenelektrode en tussen twee fotoanoden ingeslagen. Deze ontworpen batterijstructuur kan de PCE met 260% verhogen vergeleken met een enkele fotoanode. Met de meest uitgebreid gebruikte CdS/CdSe QD-gevoeligmakers, werd een kampioene PCE van 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) bereikt. Dit is voornamelijk te wijten aan de toename in J_sc door het dubbele fotoanode-ontwerp en de adoptie van het CPV-concept. Bovendien is een andere reden dat geconcentreerde zonneschijnverlichting een fotothermisch effect induceerde, wat de voorafgaande chemische reacties versnelde die geassocieerd zijn met de conversie van polysulfide-soorten. De celverfertiging en ontwerp gerapporteerd hier biedt een nieuw inzicht voor verdere ontwikkeling van QDSSCs.

Inleiding

Als een soort veelbelovende en vergelijkbaar economische foto-elektrische conversie-apparaat, hebben kwantumstip-gevoeligde zonnecellen (QDSSCs) grote aandacht getrokken vanwege hun hoge theoretische vermogen-omzettingsefficiëntie (PCE) [1, 2]. QDSSCs erven de structuur van kleurstof-gevoeligde zonnecellen, inclusief fotoanode (doorgaans een laag porieus oxide halfgeleider met een brede bandkloof bedekt met halfgeleider QDs als gevoeligmakers), vloeibaar elektrolyt en tegenelektrode. Om de cel-PCE te verbeteren voor potentiële commerciële toepassing, zijn talloze strategieën onderzocht voornamelijk vanuit materiaal-oogpunten, betreffende het synthetiseren van nieuwe QD-gevoeligmakers voor het verbreden van het licht-opbrengstbereik; het bereiden van fotoanoden met verschillende nano-structuren zoals porieuze film [3], nanobuizen [4, 5] en nanodraden voor betere elektronen-extrahering [6, 7]; het fabriceren van edelmetaal-gedopte fotoanode met behulp van gelokaliseerde oppervlakte-plasmon-resonantie [8, 9]; het ontwikkelen van sulfides en andere tegenelektroden om Pt-tegenelektrode te vervangen; het synthetiseren van verschillende elektrolyten; en zovoort.

Een van de belangrijkste factoren die de foto-elektrische conversie-efficiëntie van QDSSCs beperkt, is het smalle absorptiebereik van zonnestraling [10]. Het absorptieregio is sterk afhankelijk van de fotoanode dunne film en QDs. Het vernauwen van de bandkloof van QDs is een effectieve manier voor het verbreden van het licht-opbrengstbereik. Zhong et al. synthetiseerden Zn-Cu-In-Sn gelegeerde QDs en verbeterden de PCE van QDSSCs aanzienlijk, waarbij ze verschillende PCE-records van QDSSCs stelden [11-13]. Momenteel is de hoogst gerapporteerde PCE van QDSSCs 14,02% bereikt door Zhao et al. [14]. In hun werk werden Zn-Cu-In-Sn gelegeerde QDs gebruikt als gevoeligmaker, en de tegenelektrode (CE) is CuS gedopt met koolstofnanobuizen en grafene, wat een nieuw niveau van de PCE van QDSSCs initieerde. Echter, excessief verminderen van de bandkloof om zonnestraling-opbrengst te verbeteren, zal de open-circuit-spanning verlies induceren en de apparatuurprestaties verminderen door de afwaartse verschuiving van de geleidingsbandrand.

Om de celprestaties verder te verbeteren, is apparatuurconfiguratie in overweging genomen. In kleurstof-gevoeligde zonnecellen en colloidale kwantumstip-zonnecellen [15], zijn tandemsructuren al gebruikt als een significante aanpak om de PCE-beperkingen te doorbreken [16, 17]. Voor de meeste tandemsructuren van kleurstof-gevoeligde zonnecellen, wordt een semi-transparante Pt op geleidend glas of Pt-mesh in het midden van de cel toegepast als de tegenelektrode [18]. TiO₂ films worden verdeeld in twee of meer lagen gevoelig gemaakt door dezelfde of verschillende kleurstoffen, wat het spectraal respons kan verbreden en daarmee de celprestaties aanzienlijk kan verbeteren [19-21]. Voor QDSSCs, ontwierp Meng et al. een dubbele fotoanode-structuur met een semi-transparante mesh-gestructureerde Cu₂S tegenelektrode ingeslagen tussen twee TiO₂ foto-elektroden. Onder een-zon verlichting van de bovenste elektrode, toont de geoptimaliseerde cel een 12% toename in PCE [22]. In hun werk werd de tandemsructuur voor het eerst in QDSSCs gebruikt. Echter, het lichtgebruiksefficiëntie van de batterij-tandemsructuur is beperkt. Xu et al. demonstreerden de NIR-licht-versterkte polysulfide-reductie aan de elektrode-elektrolyt-interface door de CuS tegenelektrode te verlichten met NIR-licht, wat een 15% toename in PCE toonde, wat toegeschreven wordt aan fotothermisch effect en plasmonische resonantie-absorptie [23].

Dankzij de grote inspanningen in de afgelopen decennia, is de PCE van QDSSCs toegestaan om vergelijkbaar te zijn met die van het parallelle apparaat, kleurstof-gevoelige zonnecel. Echter, de efficiëntie van QDSSCs is nog ver achter de theoretische waarde, en het blijft opgelost voor commerciële toepassing. Daarom is het verkennen van nieuwe strategieën om de PCE van QDSSCs te verhogen nog steeds een urgente taak. Hier integreren we het concentrerende fotovoltaïsche concept in QDSSCs met dubbele porieuze TiO₂ fotoanoden en Cu₂S mesh tegenelektrode ontwerp [24], wat een 260% toename in PCE bereikt vergeleken met het traditionele enkele fotoanode-apparaat. Met de meest uitgebreid gebruikte CdS/CdSe QD-gevoeligmakers, wordt een kampioene PCE van 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) bereikt.

Lichtbeheer als een belangrijke technologie om de conversie-efficiëntie in zonnecellen te verbeteren, heeft als doel de fotonenflux die door zonnecellen wordt ontvangen te verhogen [25]. De licht-opvang-structuur is een veelgebruikte methode voor lichtbeheer, inclusief spiegels [26, 27], Lambertiaanse oppervlakken [28] en getekstureerde oppervlakken [29, 30]. Door het licht-opvang-effect wordt de optische padlengte verhoogd, waardoor de PCE van zonnecellen wordt verbeterd. Een van de basis licht-opvang-structuren is het bereiden van een spiegel op de achterkant van de zonnecel, en de reflectiviteit van de spiegel kan zo hoog zijn als 95% [31]. Geïnspireerd door de bovenstaande discussie, illustreert Fig. 1 de apparaatarchitectuur die in het huidige werk wordt gebruikt. Dubbele TiO₂ fotoanode-ontwerp wordt geadopteerd, wat gescheiden wordt door Cu₂S mesh als de tegenelektrode. De dikte van de TiO₂ fotoanode is ongeveer 4,5 μm, wat te zien is in Fig. S1. De bovenste cel en de onderste cel gebruiken hetzelfde materiaal en structuur, dus het is niet nodig om de roosterconstante en uitdingscoëfficiënt van verschillende halfgeleidermaterialen in de twee fotoanoden te overwegen. De Cu₂S gekweekt op Cu-mesh als de tegenelektrode laat het doorgelaten licht van de bovenste cel de onderste fotoanode bereiken. De brede bandkloof-materialen aan de top filteren hoge-energie fotonen uit, en de lage-energie fotonen passeren door hen en worden dan geabsorbeerd door de smalle bandkloof-materialen aan de onderste cel. Kennelijk is de PCE van de dubbele fotoanode-structuur hoger dan die van de enkele fotoanode-structuur, omdat de dubbele fotoanode-structuur meer licht kan vangen en dus de stroomdichtheid verhogen. Echter, verlichten alleen van de bovenste richting induceert slechts een 18% toename in PCE vergeleken met een enkele fotoanode-apparaat zoals later getoond, wat te wijten is aan de sterke absorptie en reflectie van zonnestraling door de bovenste cel, wat onvoldoende lichtdichtheid voor de onderste cel achterlaat [22].

Verbetering van kwantumstip-zonnecel-efficiëntie met concentrerende fotovoltaïka en dubbele fotoanoden — Schematisch diagram van het celontwerp in het huidige werk

Overwegend dat het gevangen licht van de onderste cel beperkt is, introduceren we het concept van concentrerende fotovoltaïsche cel (CPV) in het huidige apparaat [32, 33] en plaatsen we een parabolische reflector onder de onderste fotoanode. CPV-systemen gebruiken optische elementen om licht te focussen op een klein gebied van zonnecellen, wat de efficiëntie van fotovoltaïsche technologie verbetert terwijl de kosten worden geminimaliseerd. De reductie van het celoppervlak kan de kosten van CPV laten concurreren met vlakke-panneel fotovoltaïka. Zoals getoond in Fig. 1, laat de parabolische reflector gefocust licht op de onderste fotoanode. Door de afstand tussen de reflector en de onderste fotoanode te controleren, kan het actieve gebied worden aangepast om het gebied van de cel te matchen. Bovendien kan het versterkte licht doorgaan en de bovenste fotoanode bereiken, wat additionele excitatie-energie voor licht-opbrengst biedt. Natuurlijk zou het fotothermische effect veroorzaakt door CPV een impact moeten hebben op de PV-prestaties [34], wat later in detail besproken zal worden.

Methoden

Materialen

Titaniumdioxide (99,8%, 10–25 nm, TiO₂) en natriumsulfiet (AR, Na₂SO₃) werden geleverd door Aladdin. Fluorm-gedopte tin-oxide geleidend glas (FTO, dikte 1,6 mm, doorlaatbaarheid 83%, vlakke weerstand 15/vierkant) werd gekocht van Zhuhai Kaivo Optoelektronische Technologie Co., Ltd. (China). Methanol (AR, CH₃OH), ethanol (AR, CH₃CH₂OH) en aceton (AR, CH₃OCH₃) werden geleverd door Beijing Chemische Werken (China). Ethyleendiamine (AR, C₂H₈N₄) en selenium (AR, Se) werden gekocht van Tianjin Guangfu Fijnchemisch Onderzoeksinstituut (China). Zoutzuur (36%, HCl), ethylcellulose ethoce (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]_n), alpha-terpineol (AR, C₁₀H₈O), cadmiumacetaat (AR, Cd(CH₃COOH)₂), zinkacetaat (AR, Zn(CH₃COOH)₂), natriumsulfide (AR, Na₂S∙9H₂O), zwavel (AR, S) en thioureum (AR, CH₄N₂S) werden geleverd door Sinopharm Chemische Reagens Co., Ltd. (China). Nitrilotriazijnzuur trisodium (98%, C₆H₉NNa₃O₆) werd gekocht van TCI (Shanghai) Chemische Industrie Ontwikkelings Co., Ltd. (China). Messingmesh werd geleverd door Hebei Xingheng Draadmesh Producten Co., Ltd. (China).

Bereiding van de Cu₂S tegenelektrode

De messingmesh werd geweek in HCl (36%) gedurende 2 uur bij 70 °C om het zink van het oppervlak van de Cu-mesh te verwijderen. De koperen mesh werd gespoeld met gedemineraliseerd water en gedroogd bij kamertemperatuur na het verwijderen van de koperen mesh uit de oplossing. Vervolgens werd de Cu-mesh gedompeld in een waterige oplossing bevattende 1 M Na₂S en 1 M S gedurende 5 s om vlakkige Cu₂S te krijgen, gevolgd door wassen met gedemineraliseerd water en drogen bij kamertemperatuur. Om korrelige Cu₂S te bereiden, werd de met HCl (36%) behandelde Cu-mesh gedompeld in een gemengde oplossing van CH₄N₂S (0,01 M) en C₂H₈N₄ (0,4 ml) gedurende 24 uur, gevolgd door wassen met gedemineraliseerd water en drogen bij kamertemperatuur.

Bereiding van CdS/CdSe QDs co-gevoeligde TiO₂ fotoanode

TiO₂ mesoporieuze film werd bereid door spin-coating van een pasta bevattende TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀H₈O (3,245 g) en CH₃CH₂OH (8,5 ml) op gereinigde FTO-substraten, wat gedroogd werd in een oven bij 60 °C en gevolgd door anealing bij 450 °C gedurende 30 min om de organische oplosmiddelen te verwijderen. De rotatiesnelheid van de spin-coater is 7500 rpm voor 30 s. Het opeenvolgende ionische laag adsorptie en reactie (SILAR) proces werd gebruikt om de CdS QDs af te zetten. Typisch werd de TiO₂ film afwisselend gedompeld in methanol-oplossing van Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 M) en Na₂S-oplossing (0,02 M met methanol en gedemineraliseerd water 1:1 v/v) gedurende 30 s in elke cyclus voor in totaal 5 cycli. CdSe QDs werden afgestort door chemische bad-afzetting (CBD) methode. In detail, een oplossing bevattende Cd²⁺ en Se²⁻ bron werd bereid door de volgende methode. 1,55 g Na₂SO₃ werd opgelost in 25 ml gedemineraliseerd water. 0,155 g Se-poeder als Se²⁻ bron werd toegevoegd aan de bovenstaande oplossing. De verkregen oplossing werd verwarmd met een oliebad bij 125 °C gedurende 3 uur onder roeromstandigheden. De Cd²⁺ oplossing werd bereid door 25 ml nitrilotriazijnzuur gedemineraliseerd water oplossing (120 mM) en 25 ml Cd(CH₃COO)₂ gedemineraliseerd water oplossing (80 mM) te mengen. Vervolgens werden de bereide Se²⁻ oplossing en Cd²⁺ oplossing samen gemengd. De zo bereide CdS-gecoate fotoanoden werden in de bovenstaande gemengde oplossing bij 24 °C gedurende 2 uur in het donker geplaatst. Voor de ZnS-passivatie, werden de gevoeliggemaakte films afgestort door afwisselend te duiken in 0,1 M Zn(CH₃COO)₂ en 0,1 M Na₂S (met methanol en water 1:1 v/v) oplossingen gedurende 1 minuut afwisselend en 4 cycli. Het actieve oppervlak van de zonnecel is 0,25 cm². Het polysulfide elektrolyt (2 M Na₂S en 2 M S oplossing met methanol en gedemineraliseerd water 7:3 v/v) werd in de cel getransfuseerd via injector.

Elektrochemische meting

Elektrochemische analyse werd vervuld door de DyneChem elektrochemische werkstation, en platina en Ag/AgCl worden gebruikt als de tegenelektrode en referentielektrode, respectievelijk. De cyclische voltammogram en tafel-polarisatiecurves werden getest in 2 M polysulfide elektrolyt. Nyquist-plots van QDSSCs zijn onder de verlichting van een volle zon-intensiteit. De spanning die gebruikt werd tijdens de EIS-metingen is 0,5 V.

Karakterisering

De oppervlaktemorfologie werd geanalyseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM) (JEOL7610), de karakterisering van monsters werd gemeten door Röntgen-foto-elektron-spectroscopie (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), en de J–V curves van QDSSCs werden gemeten door Keithley 2400 bronmeter (Zolix Instruments Co., Ltd.). IR-temperatuurafbeeldingen worden verkregen door FLIR T460.

Resultaten en discussie

Er zijn talloze nanogestructureerde materialen die als tegenelektroden voor QDSSCs gebruikt kunnen worden, inclusief Cu₂S, CoS, GeC [35] en NCW [36]. Echter, de Cu₂S tegenelektrode gebaseerd op messingmesh vertoont ideale katalytische activiteit tegenover de Sn²⁻/S²⁻ redox-koppel. Om de Cu₂S tegenelektrode te bereiden, worden twee verschillende methoden gebruikt. Een is om Zn van het oppervlak van de messingmesh te verwijderen met zoutzuur gevolgd door het dompelen van de mesh in een gemengde oplossing bevattende CH₄N₂S en C₂H₈N₄ gedurende 24 uur [37]. De SEM-afbeeldingen van de resulterende Cu₂S bedekte mesh zijn getoond in Fig. 2a–c. De vergrote SEM-afbeelding geeft aan dat de korrelig-gestructureerde Cu₂S gevormd zijn. De dwarsdoorsnedeweergave in Fig. 2d geeft het bestaan van de Cu₂S-film op de messingdraad aan, de scheur tussen hen ontstaat door snijden tijdens de bereiding van het dwarsdoorsnede-monster, en de dikte is ongeveer 1,3 μm. De dwarsdoorsnede-monster in Fig. 2e onthult dat de enige elementen die er bestaan Cu en S zijn, en de atoomverhouding van Cu tot S is ongeveer 2. De XPS-spectra van Cu en S zijn getoond in Fig. 2f en h, respectievelijk. De pieken van Cu 2p bij 952 eV en 932,5 eV corresponderen met de elektronen-bindingsenergie van Cu 2p1/2 en Cu 2p3/2, respectievelijk, wat consistent is met Cu¹⁺ [38]. De waargenomen pieken in S 2p bij 163,5 eV en 161 eV corresponderen met S 2p1/2 en S 2p3/2, respectievelijk, wat consistent is met S²⁻ [39]. Deze resultaten bevestigen de succesvolle bereiding van Cu₂S-film op de messingmesh, en de oppervlaktemorfologie is bedoeld om de grote oppervlakte en voldoende katalytische activiteit te garanderen.

De andere methode is uitgebreid gebruikt in eerdere rapporten, waarin de messingmesh eerst in zoutzuur wordt geplaatst, daarna vervolgens gedompeld in het polysulfide elektrolyt (1 M Na₂S en 1 M S) voor een geschikte tijd [40]. De corresponderende resultaten zijn getoond in Fig. S2. De vergrote SEM-afbeelding geeft aan dat de vlakkige-gestructureerde Cu₂S gevormd zijn. De dwarsdoorsnedeweergave geeft het bestaan van de Cu₂S-film op de messingdraad aan, en de dikte is ook ongeveer 1,3 μm. De Cu XPS-spectra tonen pieken bij 933,1 eV en 952,5 eV, corresponderend met Cu 2p3/2 en 2p1/2, respectievelijk [41]. Het S 2p-spectrum toont een piek bij 162,4 eV, wat de aanwezigheid van S²⁻ bevestigt [42]. Het effect van Cu₂S-morfologie op celprestaties wordt verder onderzocht.

Om de prestaties van cellen met verschillende architecturen en CE's te karakteriseren, worden de fotostroomdichtheid-spanning (J–V) curves verkregen en getoond in Fig. 3a–d. Enkele fotoanode-apparaat en dubbele fotoanode-apparaat zijn beide gefertigd voor vergelijking met korrelige en vlakkige Cu₂S als CE's, respectievelijk. Er zijn drie manieren om de cellen te verlichten: boven, onder en dubbele richtingen zoals getoond in Fig. 4e, en het gedrag van de cel die onder verschillende verlichtingsomstandigheden werkt, wordt in detail onderzocht, en de corresponderende celparameters worden samengevat in Tabel 1 inclusief open-circuit-spanning (V_oc), kortsluit-stroom (J_sc), vulfactor (FF) en PCE, waarin de waarden niet tussen haakjes de experimentele gemiddelde van twintig groepscellen zijn en die tussen haakjes kampioenswaarden zijn. De testconfiguratie voor het enkele fotoanode-apparaat met korrelige en vlakkige Cu₂S als CE's is getoond in Fig. S3, en de J–V curves zijn getoond in Fig. 3a en b. De PCE bestralend van de bovenkant, onderkant en dubbele richtingen zijn 2,32%, 2,00% en 3,59%, respectievelijk, terwijl de V_oc rond 0,6 V gehouden worden, en de hoofDtoename in PCE is te wijten aan verhoogde J_sc. Aangezien dit een enkel fotoanode-apparaat is, zou de verhoogde J_sc te wijten moeten zijn aan de verhoogde lichtintensiteit van onderverlichting, wat resulteert in verhoogde fotogegenereerde elektronen in fotoanoden. Het moet opgemerkt worden dat de PCE van onderverlichting lager is dan die van bovenaanzicht verlichting, zelfs als het geconcentreerde licht hoger in intensiteit is dan parallel licht van boven, wat een verklaring kan krijgen uit Fig. S3. Bij het concentreren van licht op enkele fotoanode QDSSCs, moet het licht door FTO-glas gaan, dan door de Cu₂S mesh CE en elektrolyt om de bovenste fotoanode te bereiken, wat fotoenergieverlies tot een bepaalde mate induceert. Uit ons resultaat zou de intensiteit van fotoenergie die de bovenste fotoanode bereikt zwakkere zijn dan parallel lichtverlichting van de bovenkant. Daarom is de PCE van de enkele fotoanode-celstructuur onder geconcentreerde lichtverlichting lager dan die onder parallel lichtverlichting op de bovenste zijde. Het kan verder ondersteund worden door het adopteren van de testconfiguratie getoond in Fig. S4. Het focussen van licht direct op de onderste fotoanode als werkende elektrode bereikt een PCE van 4,32% en een kortsluitstroom van 21,6 mA cm⁻², bijna tweemaal de kortsluitstroom gegenereerd door het parallel licht dat de fotoanode bestraalt, wat betekent dat de fotonenflux na condenseren tweemaal die van het parallel licht van boven is. Uit de verandering van fotonenflux kunnen we de condensatiecoëfficiënt berekenen als 2, wat consistent is met onze gemeten resultaten. Zoals te zien is uit Tabel 1, is de gemiddelde PCE van de dubbele fotoanode-celstructuur met korrelige Cu₂S CE 5,51% onder de voorwaarde van geconcentreerd licht van de onderste zijde, 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 voorwaarde.

Voor het dubbele fotoanode-apparaat met korrelige Cu₂S als CE's, zijn de PCE bestralend van de bovenkant, onderkant en dubbele richtingen 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 enkele fotoanode-structuur bestraald van de bovenkant (2,32%), neemt de PCE met 260% toe. De toename in PCE is duidelijk te wijten aan de verhoogde J_sc, wat aangeeft dat de dubbele fotoanoden in een parallelle configuratie werken. De gemeten lichtintensiteit van het geconcentreerde licht van de onderkant is ongeveer tweemaal die van het bovenste parallel licht. Onder de verlichtingsvoorwaarde van het geconcentreerde licht, zou de PCE van QDSSCs hoger moeten zijn dan die van het bovenste parallel licht. Het is consistent met het huidige resultaat dat de PCE van onderverlichting meer dan 2 keer is vergeleken met die van bovenaanzicht verlichting.

Het moet opgemerkt worden dat het gedrag van cellen gebaseerd op vlakkige Cu₂S CE vergelijkbaar is maar met overall afgenomen waarden in fotovoltaïsche parameters. Om de gedetailleerde oorsprong te verkennen, worden de cyclische voltammogram (CV) curves en tafel-polarisatiecurves van de twee soorten Cu₂S CE's gemeten met een drie-elektrode-systeem. Figuur 3e is de CV-curves, en korrelige Cu₂S toont hogere stroomdichtheid. Het reductie-piek van korrelige Cu₂S is hoger dan vlakkige Cu₂S, wat de snellere redox-reactiesnelheid van S²⁻/S_n²⁻ in het elektrolyt aangeeft. Figuur 3f toont de CV-curves van de Cu₂S-elektrode met verschillende morfologieën van 1 tot 25 cycli. Er is geen duidelijke variatie die gevonden kan worden voor de vorm van de CV-curve en de positie van de piek. De CV-curves overlappen goed onder continue scannen, wat aangeeft dat de twee morfologieën van de elektrode allebei goede chemische stabiliteit bezitten. Uit Fig. 3g kan gezien worden dat de wisselstroomdichtheid (J₀) van korrelige Cu₂S groter is dan die van vlakkige Cu₂S. Volgens de testresultaten van CV en tafel-polarisatiecurves, suggereert het dat de katalytische activiteit van korrelige Cu₂S beter is dan die van Cu₂S-film. Dit is consistent met de fotovoltaïsche prestaties van J–V curves in Fig. 3a–d. Om de katalytische activiteit van de tegenelektroden verder te bevestigen, worden EIS-spectra bestudeerd en getoond in Fig. 3h. De paarse doorgetrokken lijnen vertegenwoordigen fitting-curves, en de fitting-data worden samengevat in Tabel 2. R_ct1, R_ct2 en R_s vertegenwoordigen ladingsoverdrachtsweerstand op de tegenelektrode, ladingsoverdrachtsweerstand aan de fotoanode/elektrolyt-interface, en series-weerstand, respectievelijk. Het kan gezien worden dat de structuur van een enkele fotoanode-cel en de ladingsoverdrachtsweerstanden van R_ct1 voor korrelige Cu₂S en vlakkige Cu₂S 3,522 en 6,753 Ω cm² zijn, respectievelijk, en die van dubbele fotoanode-cel zijn 5,990 en 8,088 Ω cm², respectievelijk. De kleinere R_ct1 van korrelige Cu₂S duidt op betere geleiding door de kleinere ladingsoverdrachtsweerstand.

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

$$ b\left(E,x\right)=\left[1-R(E)\right] bs(E)\exp \left[-{\int}_0^x\alpha \left(E,x\hbox{'}\right) dx\hbox{'}\right] $$ (1)

waarbij b(E, x) de fotonenflux is die door QDs op positie x wordt ontvangen, bs(E) de fotonenflux is die in de verticale richting tot zonnestraling wordt ontvangen, R(E) de reflectiviteit van de interface is, en α(E, x) de absorptiecoëfficiënt op positie x is. CPV verzamelt invallicht over een groot gebied en focust het op een klein gebied van zonnecel voor fotovoltaïsche conversie. Concentratiefactor X is een belangrijke parameter om de prestaties van concentrerende zonnecellen te beschrijven, wat de verhoogde keer van fotonenflux-dichtheid b(E) is en ook benaderd wordt als de verhouding van het gebied van verzamelde invallicht tot het gebied van zonnecellen. Het kan worden overwogen dat het gefocuste licht uniform is binnen de halve hoek van concentratie (θ_X), en de verhoogde keer van zonnestraling-fotonenflux b_s(E,x) is gelijk aan concentratiefactor X. Daarom, voor CPV, kan Verg. (1) worden uitgedrukt als:

$$ b\left(E,x\right)=\left[1-R(E)\right]\cdot X\cdot bs(E)\exp \left[-{\int}_0^x\alpha \left(E,x\hbox{'}\right) dx\hbox{'}\right] $$ (2)

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:

$$ J\mathrm{ph}=J\mathrm{sc}=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{QE}(E) bs\left(E, Ts\right) dE $$ (3)

waarbij Q de elementaire lading is. Kwantumefficiëntie (QE) is een functie van fotonenergie. We nemen aan dat de fotonenflux van de collector bs₂ Y keer is die van de bovenste fotonenflux bs₁, en de J_sc van de dubbele fotoanode-cel onder verlichting van de onderkant kan worden uitgedrukt als:

$$ J\mathrm{sc}(Ybs)=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{Q}E(E)\cdot Y\cdot bs\left(E, Ts\right) dE\approx {YJ}_{\mathrm{sc}} $$ (4)

Daarom zou de som van J_sc1 waarde onder de voorwaarde van parallel lichtverlichting van de bovenste zijde en J_sc2 waarde onder de voorwaarde van geconcentreerde lichtverlichting van de onderkant gelijk moeten zijn aan J_{sc1, 2} gegenereerd door lichtverlichting aan beide kanten van de PV. Vergelijking (4) is basis consistent met J–V resultaten in Tabel 1, echter met enige afwijkingen. Zoals te zien is uit de J_sc data, is de som van J_sc1 verlichtend van de bovenkant en J_sc2 verlichtend van de onderkant een beetje kleiner dan die van J_{sc1, 2} verlichtend van beide kanten voor dubbele fotoanode-apparaten. De afwijking zou moeten voortkomen uit het fotothermische effect door de temperatuurvariatie van QDSSCs onder verschillende verlichtingsomstandigheden.

Het is bekend dat het gefocuste licht op opto-elektrische apparaten thermische accumulatie en verhoogde temperatuur zou induceren. In het huidige werk is de fotonenflux van het geconcentreerde licht van de parabolische reflector gemeten door de lichtintensiteitsmeter ongeveer tweemaal de normale zonnestralingssimulator; het betekent dat de concentratiecoëfficiënt 2 is, wat veel kleiner is dan praktische CPV-apparaten. Echter, het is nog steeds noodzakelijk om het effect van thermische accumulatie op de cel te onderzoeken. We gebruiken een infrarood (IR) camera om de temperatuurvariatie onder verschillende testomstandigheden te monitoren. De brandpuntafstand van de gebruikte parabolische reflector is 6,5 cm. We plaatsen het fotovoltaïsche apparaat 0,5 cm onder het brandpunt van de parabolische reflector om de volledige verlichting van het actieve gebied te garanderen, wat ongeveer 1,5 cm² is. De IR-temperatuurafbeeldingen voor dubbele fotoanode-apparaten zijn getoond in Fig. 4b–d, en de corresponderende verlichtingsomstandigheden zijn getoond in Fig. 4e. Vergeleken met niet-verlichte apparaten, zijn de temperatuurstijgingen 9,3 °C, 20,6 °C en 32,6 °C, respectievelijk. De dubbele-zijde verlichting toont een hogere temperatuurstijging dan de som van afzonderlijke verlichting van de bovenkant en onderkant, wat aangeeft dat het additionele mechanisme van het materiaal of de interface hier betrokken is. De reactie van S²⁻/S_n²⁻ in elektrolyt en interface is niet vergelijkbaar onder verschillende temperaturen. Volgens de Arrhenius-formule, neemt de chemische reactiesnelheid in PV toe met de toename van temperatuur. Met de toename van temperatuur werd de redox-reactie nabij de QDSSC-elektroden versterkt, wat de uputting van fotogegenereerde gaten in de fotoanode versnelde, wat de energie-opgewekte redox-reactie aanzienlijk verminderde.

Conclusies

Samenvattend, ontwerpen we een nieuwe zonnecelarchitectuur door het CPV-concept te integreren in QDSSCs met dubbele fotoanode-ontwerp. Om betere licht-opbrengst te garanderen, wordt de Cu₂S mesh gebruikt als tegenelektrode en tussen twee fotoanoden ingeslagen, en het effect van Cu₂S-morfologie op celprestaties wordt onderzocht en geoptimaliseerd. Het is getoond dat het speciale ontwerp een 260% verbetering in PCE bereikte vergeleken met de enkele fotoanode bestraald van de bovenste zijde. Terwijl de open-circuit-spanning niet verandert, verhoogt het dubbele fotoanode-ontwerp de stroomdichtheid aanzienlijk en verhoogt dus de PCE. Bovendien kan het fotothermische effect geïnduceerd door CPV helpen om de PCE te verbeteren, en een kampioene PCE van 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) wordt bereikt. Het moet worden vermeld dat het huidige werk een nieuwe manier biedt voor het verhogen van de PCE van QDSSCs, maar het apparaatontwerp speciaal voor het CPV-deel kan verder geoptimaliseerd worden, en de prestaties van de cel zouden verder verbeterd kunnen worden. We geloven dat met betere QD-gevoeligmakers en apparaatontwerptechnieken, het idee voorgesteld in het huidige werk grote vooruitgang in QDSSCs zou induceren en uitgebreid kan worden naar andere zonnecellen.