Aumento de la eficiencia de conversión de energía de células solares sensibilizadas con puntos cuánticos mediante la integración del concepto fotovoltaico de concentración con fotoanodos dobles

Resumen

A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a mejorar la eficiencia de conversión de energía (PCE) de las células solares sensibilizadas por puntos cuánticos (QDSSC) en las últimas dos décadas, la eficiencia de las QDSSC todavía está muy por detrás de su valor teórico. Los enfoques actuales para mejorar la PCE se centran principalmente en adaptar la banda prohibida de los QD para ampliar la captación de luz y optimizar las interfaces de los componentes. En este documento, se propone una nueva arquitectura de celda solar integrando el concepto de celda solar de concentración (CPV) en QDSSC con diseño de doble fotoanodo. El Cu ₂ La malla S se utiliza como contraelectrodo y se intercala entre dos fotoanodos. Esta estructura de batería diseñada puede aumentar el PCE en un 260% en comparación con un solo fotoanodo. Con los sensibilizadores CdS / CdSe QD más utilizados, un PCE campeón del 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ^- 2) se logró. Esto se debe principalmente al aumento de J _sc debido al diseño de doble fotoanodo y la adopción del concepto CPV. Además, otra razón es que la iluminación solar concentrada indujo un efecto fototérmico, acelerando las reacciones químicas precedentes asociadas con la conversión de especies de polisulfuro. La fabricación y el diseño de la celda que se informa aquí proporcionan una nueva perspectiva para un mayor desarrollo de las QDSSC.

Introducción

Como una especie de dispositivo de conversión fotoeléctrica prometedor y comparativamente económico, las células solares sensibilizadas por puntos cuánticos (QDSSC) han atraído una gran atención debido a su alta eficiencia de conversión de potencia teórica (PCE) [1, 2]. Los QDSSC heredan la estructura de las células solares sensibilizadas por colorante, incluido el fotoanodo (normalmente, una capa de semiconductor de óxido poroso con una banda prohibida amplia cubierta por QD de semiconductores como sensibilizadores), electrolito líquido y contraelectrodo. Con el fin de mejorar el PCE celular para una posible aplicación comercial, se han investigado numerosas estrategias principalmente desde el punto de vista de los materiales, que incluyen la síntesis de nuevos sensibilizadores QD para ampliar el rango de captación de luz; preparar fotoanodos con diferentes nanoestructuras como película porosa [3], nanotubo [4, 5] y nanovarilla para una mejor extracción de electrones [6, 7]; fabricar fotoanodo dopado con metal noble utilizando resonancia de plasmón superficial localizado [8, 9]; desarrollar contadores de sulfuro y otros para reemplazar el contador de Pt; sintetizar diferentes electrolitos; y así sucesivamente.

Uno de los factores más importantes que limitan la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las QDSSC es el estrecho rango de absorción de la radiación solar [10]. La región de absorción depende en gran medida de la película delgada del fotoanodo y las QD. Reducir la banda prohibida de los QD es una forma eficaz de ampliar el rango de captación de luz. Zhong y col. sintetizó QD aleados con Zn-Cu-In-Sn y mejoró en gran medida el PCE de QDSSC, estableciendo varios registros de PCE de QDSSC [11,12,13]. Actualmente, el PCE más alto informado de QDSSC es el 14.02% logrado por Zhao et al. [14]. En su trabajo, se utilizaron QD aleados con Zn-Cu-In-Sn como sensibilizador, y el contraelectrodo (CE) es CuS dopado con nanotubos de carbono y grafeno, lo que inició un nuevo nivel de PCE de QDSSC. Sin embargo, disminuir excesivamente la banda prohibida para mejorar la captación de luz solar inducirá la pérdida de voltaje en circuito abierto y disminuirá el rendimiento del dispositivo debido al cambio descendente del borde de la banda de conducción.

Para mejorar aún más el rendimiento de la celda, se ha tenido en cuenta la configuración del dispositivo. En células solares sensibilizadas con colorante y células solares de puntos cuánticos coloidales [15], las estructuras en tándem ya se han utilizado como un enfoque significativo para romper las limitaciones del PCE [16, 17]. Para la mayoría de las estructuras en tándem de células solares sensibilizadas con colorante, se aplica un Pt semitransparente sobre vidrio conductor o una malla de Pt en el centro de la célula como contraelectrodo [18]. TiO ₂ las películas se separan en dos o más capas sensibilizadas por los mismos o diferentes tintes, lo que puede ampliar la respuesta espectral y, por lo tanto, mejorar significativamente el rendimiento celular [19,20,21]. Para QDSSC, Meng et al. diseñar una estructura de fotoanodo doble con una estructura de malla semitransparente Cu ₂ S contraelectrodo intercalado entre dos TiO ₂ fotoelectrodos. Bajo la iluminación de un sol del electrodo superior, la celda optimizada muestra un aumento del 12% en PCE [22]. En su trabajo, la estructura tándem se utilizó en QDSSC por primera vez. Sin embargo, la eficiencia de utilización de la luz de la estructura en tándem de la batería es limitada. Xu y col. demostró la reducción de polisulfuro potenciada por luz NIR en la interfaz electrodo-electrolito al iluminar el contraelectrodo de CuS con luz NIR, mostrando un aumento del 15% en PCE, que se atribuye al efecto fototérmico y la absorción de resonancia plasmónica [23].

Gracias a los grandes esfuerzos de las últimas décadas, se permite que el PCE de los QDSSC sea comparativo con el del dispositivo paralelo, la célula solar sensibilizada con colorante. Sin embargo, la eficiencia de los QDSSC todavía está muy por detrás de su valor teórico, y aún queda por resolver para su aplicación comercial. Por lo tanto, explorar una nueva estrategia para impulsar la PCE de QDSSC sigue siendo una tarea urgente. Aquí, integramos el concepto de concentración fotovoltaica en QDSSC con TiO ₂ poroso doble fotoanodos y Cu ₂ Diseño de contraelectrodo de malla S [24], que logra un aumento del 260% en el PCE en comparación con el dispositivo de fotoanodo único tradicional. Con los sensibilizadores CdS / CdSe QD más utilizados, un PCE campeón del 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) se logra.

La gestión de la luz como tecnología importante para mejorar la eficiencia de conversión en las células solares tiene como objetivo aumentar el flujo de fotones recibido por las células solares [25]. La estructura que atrapa la luz es un método comúnmente utilizado para la gestión de la luz, incluidos los espejos [26, 27], las superficies lambertianas [28] y las superficies texturizadas [29, 30]. Mediante el efecto de captura de luz, se aumenta la longitud del camino óptico, mejorando así el PCE de las células solares. Una de las estructuras básicas para atrapar la luz es preparar un espejo en la superficie posterior de la celda solar, y la reflectividad del espejo puede llegar al 95% [31]. Inspirada en la discusión anterior, la Fig. 1 ilustra la arquitectura del dispositivo utilizada en el presente trabajo. Doble TiO ₂ Se adopta el diseño de fotoanodo, que está separado por Cu ₂ Malla S como contraelectrodo. El grosor del TiO ₂ El fotoanodo mide aproximadamente 4,5 μm, lo que se puede ver en la Fig. S1. La celda superior y la celda inferior usan el mismo material y estructura, por lo que no es necesario considerar la constante de celosía y el coeficiente de expansión de diferentes materiales semiconductores en los dos fotoanodos. El Cu ₂ S cultivado en una malla de Cu como contraelectrodo permite que la luz transmitida desde la celda superior llegue al fotoanodo inferior. Los materiales de banda ancha en la parte superior filtran los fotones de alta energía, y los fotones de baja energía pasan a través de ellos y luego son absorbidos por los materiales de banda estrecha en la celda inferior. Aparentemente, el PCE de la estructura de fotoanodo doble es más alto que el de la estructura de fotoanodo simple porque la estructura de fotoanodo doble puede capturar más luz y así aumentar la densidad de corriente. Sin embargo, iluminar solo desde la dirección superior induce solo un aumento del 18% en el PCE en comparación con un solo dispositivo fotoanodo como se muestra más adelante, lo que se debe a la fuerte absorción y reflexión de la luz solar por la celda superior, lo que deja una densidad de luz inadecuada para la celda inferior. [22].

Diagrama esquemático del diseño de la celda en el presente trabajo

Teniendo en cuenta que la luz capturada de la celda inferior es limitada, introducimos el concepto de celda fotovoltaica de concentración (CPV) en el dispositivo actual [32, 33] y colocamos un reflector parabólico debajo del fotoanodo inferior. Los sistemas CPV utilizan elementos ópticos para enfocar la luz en un área pequeña de las células solares, lo que mejora la eficiencia de la tecnología fotovoltaica al tiempo que minimiza los costos. La reducción del área de la celda puede hacer que el costo del CPV compita con el fotovoltaico de panel plano. Como se muestra en la Fig. 1, el reflector parabólico hace que la luz se enfoque en el fotoanodo inferior. Controlando la distancia entre el reflector y el fotoanodo inferior, el área activa podría ajustarse para que coincida con el área de la celda. Además, la luz aumentada podría transmitir y llegar al fotoanodo superior, proporcionando energía de excitación adicional para la recolección de luz. Por supuesto, el efecto fototérmico causado por el CPV debería tener un impacto en el rendimiento fotovoltaico [34], que se analizará en detalle más adelante.

Métodos

Materiales

Dióxido de titanio (99,8%, 10-25 nm, TiO ₂ ) y sulfito de sodio (AR, Na ₂ SO ₃ ) fueron suministrados por Aladdin. El vidrio conductor de óxido de estaño dopado con flúor (FTO, espesor 1,6 mm, transmitancia 83%, resistencia laminar 15 / cuadrado) se adquirió de Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China). Metanol (AR, CH ₃ OH), etanol (AR, CH ₃ CH ₂ OH) y acetona (AR, CH ₃ OCH ₃ ) fueron suministrados por Beijing Chemical Works (China). Etilendiamina (AR, C ₂ H ₈ N ₄ ) y selenio (AR, Se) se adquirieron en Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China). Ácido clorhídrico (36%, HCl), etoce de etilcelulosa (AR, [C ₆ H ₇ O ₂ (OC ₂ H ₅ ) ₃ ] _n ), alfa-terpineol (AR, C ₁₀ H ₈ O), acetato de cadmio (AR, Cd (CH ₃ COOH) ₂ ), acetato de zinc (AR, Zn (CH ₃ COOH) ₂ ), sulfuro de sodio (AR, Na ₂ S ∙ 9H ₂ O), azufre (AR, S) y tiourea (AR, CH ₄ N ₂ S) fueron suministrados por Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Ácido nitrilotriacético trisódico (98%, C ₆ H ₉ NNa ₃ O ₆ ) se compró a TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China). La malla de latón fue suministrada por Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).

Preparación del Cu ₂ S Contraelectrodo

La malla de latón se empapó en HCl (36%) durante 2 ha 70 ° C para eliminar el zinc en la superficie de la malla de Cu. La malla de cobre se enjuagó con agua desionizada y se secó a temperatura ambiente después de retirar la malla de cobre de la solución. Luego, la malla de Cu se sumergió en una solución acuosa que contenía Na ₂ 1 M S y 1 M S durante 5 s para obtener escamas Cu ₂ S, seguido de lavado con agua desionizada y secado a temperatura ambiente. Para preparar Cu ₂ granular S, la malla de Cu tratada con HCl (36%) se sumergió en una solución mixta de CH ₄ N ₂ S (0.01 M) y C ₂ H ₈ N ₄ (0,4 ml) durante 24 h, seguido de lavado con agua desionizada y secado a temperatura ambiente.

Preparación de CdS / CdSe QD Co-sensibilizado TiO ₂ Fotoanodo

TiO ₂ La película mesoporosa se preparó revistiendo por rotación una pasta que contenía TiO ₂ (0.01 M), EC (0.4 g), C ₁₀ H ₈ O (3,245 g) y CH ₃ CH ₂ OH (8,5 ml) sobre sustratos FTO limpios, que se secó en un horno a 60 ° C y seguido de un recocido a 450 ° C durante 30 min para eliminar los disolventes orgánicos. La velocidad de rotación de la recubridora por centrifugación es de 7500 rpm durante 30 s. Se empleó el proceso sucesivo de adsorción y reacción de capa iónica (SILAR) para depositar los CdS QD. Normalmente, el TiO ₂ la película se sumergió alternativamente en una solución de metanol de Cd (CH ₃ COOH) ₂ (0,12 M) y Na ₂ Solución S (0,02 M con metanol y agua desionizada 1:1 v / v) durante 30 S en cada ciclo para un total de 5 ciclos. Los QD de CdSe se recubrieron mediante el método de deposición en baño químico (CBD). En detalle, una solución que contiene Cd ²⁺ y Se ²⁻ La fuente se preparó mediante el siguiente método. 1,55 g de Na ₂ SO ₃ se disolvió en 25 ml de agua desionizada. 0,155 g de polvo de Se como Se ²⁻ se añadió la fuente a la solución anterior. La solución obtenida se calentó con un baño de aceite a 125 ° C durante 3 h en condiciones de agitación. El Cd ²⁺ La solución se preparó mezclando 25 ml de solución de agua desionizada de ácido nitrilotriacético (120 mM) y 25 ml de Cd (CH ₃ COO) ₂ solución de agua desionizada (80 mM). Luego, el Se ²⁻ preparado solución y Cd ²⁺ la solución se mezclaron. Los fotoanodos revestidos con CdS tal como se prepararon se pusieron en la solución mixta anterior a 24 ° C durante 2 h en la oscuridad. Para la pasivación de ZnS, las películas sensibilizadas se depositaron sumergiéndolas en Zn 0,1 M (CH ₃ COO) ₂ y 0,1 M Na ₂ S (con metanol y agua 1:1 v / v) soluciones durante 1 min alternativamente y 4 ciclos. El área activa de la celda solar es de 0,25 cm ² . El electrolito de polisulfuro (2 M Na ₂ Se transfundió solución S y 2 M S con metanol y agua desionizada 7:3 v / v) a la célula mediante un inyector.

Medición electroquímica

El análisis electroquímico se realizó mediante la estación de trabajo electroquímica DyneChem, y se utilizan platino y Ag / AgCl como contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente. El voltamograma cíclico y las curvas de polarización tafel se probaron en electrolito de polisulfuro 2 M. Los gráficos de Nyquist de QDSSC están bajo la iluminación de una intensidad de sol completa. El voltaje utilizado durante las mediciones del EIS es de 0,5 V.

Caracterización

La morfología de la superficie se analizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) (JEOL7610), la caracterización de las muestras se midió mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), y el J - V Las curvas de QDSSC se midieron con un medidor de fuente Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). Las imágenes de temperatura IR se obtienen con FLIR T460.

Resultados y discusión

Existen numerosos materiales nanoestructurados que se pueden utilizar como contraelectrodos para QDSSC, incluido Cu ₂ S, CoS, GeC [35] y NCW [36]. Sin embargo, el Cu ₂ El contraelectrodo S basado en una malla de latón exhibe una actividad catalítica ideal hacia Sn ²⁻ / S ²⁻ pareja redox. Para preparar el Cu ₂ S contraelectrodo, se utilizan dos métodos diferentes. Una es eliminar el Zn de la superficie de la malla de latón con ácido clorhídrico y luego sumergir la malla en una solución mixta que contenga CH ₄ N ₂ S y C ₂ H ₈ N ₄ durante 24 h [37]. Las imágenes SEM del resultado Cu ₂ Las mallas cubiertas en S se muestran en la Fig. 2a – c. La imagen SEM ampliada indica el Cu ₂ de estructura granular Se forman S. La vista en sección transversal en la Fig. 2d indica la existencia de Cu ₂ S en el alambre de latón, la grieta entre ellos se origina por el corte durante la preparación de la muestra de sección transversal, y el espesor es de aproximadamente 1.3 μ3oss-sectional samp en la Fig.2e revela que los únicos elementos que existen allí son Cu y S , y la relación de átomos de Cu a S es aproximadamente 2. Los espectros XPS de Cu y S se muestran en la Fig. 2f yh, respectivamente. Los picos de Cu 2p a 952 eV y 932.5ev corresponden a la energía de enlace de electrones de Cu 2p1 / 2 y Cu 2p3 / 2, respectivamente, lo cual es consistente con Cu ¹⁺ [38]. Los picos observados en S 2p a 163,5 eV y 161 eV corresponden a S 2p1 / 2 y S 2p3 / 2, respectivamente, lo que es consistente con S ²⁻ [39]. Estos resultados confirman la preparación exitosa de Cu ₂ S en la malla de latón, y se supone que la morfología de la superficie asegura su gran área de superficie y suficiente actividad catalítica.

Imágenes SEM del Cu ₂ estructurado en malla Contraelectrodo S: a vista superior; b , c vista ampliada de la morfología de la superficie; d vista en sección transversal y vista ampliada del Cu ₂ Capa S. e EDS de Cu ₂ S. f , g Espectros de estudio XPS de Cu ₂ S muestras

El otro método se ha utilizado ampliamente en informes anteriores, en los que la malla de latón se coloca primero en ácido clorhídrico y luego se sumerge en el electrolito de polisulfuro (1 M Na ₂ S y 1 M S) durante un tiempo adecuado [40]. Los resultados correspondientes se muestran en la Fig. S2. La imagen SEM ampliada indica el Cu ₂ estructurado en escamas Se forman S. La vista transversal indica la existencia de Cu ₂ S en el alambre de latón, y el grosor también es de aproximadamente 1,3 μ.3s. Los espectros de Cu XPS muestran picos a 933,1 eV y 952,5 eV, correspondientes a Cu 2p3 / 2 y 2p1 / 2, respectivamente [41]. El espectro S 2p muestra un pico a 162,4 eV, lo que confirma la presencia de S ²⁻ [42]. El efecto de Cu ₂ Se investiga más a fondo la morfología del rendimiento celular.

Para caracterizar el desempeño de celdas con diferentes arquitecturas y CE, la fotocorriente densidad-voltaje ( J - V ) se adquieren las curvas y se muestran en la Fig. 3a-d. El dispositivo de fotoanodo simple y el dispositivo de fotoanodo doble se fabrican para su comparación con Cu ₂ granular y en escamas. S como CE, respectivamente. Hay tres formas de iluminar las celdas:dirección superior, inferior y doble como se muestra en la Fig.4e, y se investigan en detalle los comportamientos de la celda que trabaja bajo diferentes condiciones de iluminación, y los parámetros de celda correspondientes se resumen en la Tabla 1, incluida la apertura -voltaje del circuito ( V _oc ), corriente de cortocircuito ( J _sc ), factor de llenado (FF) y PCE, en los que los valores que no están entre paréntesis son el promedio experimental de veinte celdas de grupo y los que están entre paréntesis son valores campeones. La configuración de prueba para el dispositivo fotoanodo único con Cu ₂ granular y en escamas S como CE se muestra en la Fig. S3, y el J - V las curvas se muestran en la Fig. 3a y b. El PCE que irradia desde arriba, abajo y doble dirección es 2,32%, 2,00% y 3,59%, respectivamente, mientras que V _oc se mantienen alrededor de 0,6 V, y el principal aumento en PCE se debe a la elevación de J _sc . Dado que se trata de un dispositivo fotoanodo único, el aumento de J _sc debería deberse al aumento de la intensidad de la luz de la irradiación del fondo, que da como resultado un aumento de electrones fotogenerados en los fotoanodos. Debe notarse que el PCE de la irradiación hacia abajo es menor que el de la irradiación superior incluso si la luz concentrada es de mayor intensidad que la luz paralela desde la parte superior, lo que podría obtener una explicación de la Fig. S3. Al concentrar la luz en QDSSC de un solo fotoanodo, la luz debe pasar a través del vidrio FTO y luego a través del Cu ₂ S mesh CE y electrolito para alcanzar el fotoanodo superior, induciendo pérdida de fotoenergía hasta cierto punto. Según nuestro resultado, la intensidad de la fotoenergía que llega al fotoanodo superior sería más débil que la irradiación de luz paralela desde la parte superior. Por lo tanto, el PCE de la estructura de la célula de un solo fotoanodo bajo irradiación de luz concentrada es menor que bajo irradiación de luz paralela en el lado superior. Podría apoyarse aún más adoptando la configuración de prueba que se muestra en la Fig. S4. Al enfocar la luz directamente en el fotoanodo inferior como electrodo de trabajo, se logra un PCE de 4,32% y una corriente de cortocircuito de 21,6 mA cm ⁻² , casi el doble de la corriente de cortocircuito generada por la luz paralela que irradia el fotoanodo, lo que significa que el flujo de fotones después de la condensación es el doble que el de la luz paralela de la parte superior. A partir del cambio de flujo de fotones, podemos calcular que el coeficiente de condensación es 2, que es consistente con nuestros resultados medidos. Como se puede ver en la Tabla 1, el PCE promedio de la estructura de la célula de fotoanodo doble con Cu ₂ granular S CE es 5.51% bajo la condición de concentración de luz del lado inferior, y el aumento en PCE se debe a la contribución del fotoelectrodo superior, lo que indica que el fotoanodo superior captura más fotones bajo la condición de concentración.

Campeón J - V curvas de QDSSC con diferentes estructuras. un Fotoanodo simple y Cu ₂ granular S CE. b Fotoanodo simple y escamas Cu ₂ S CE. c Fotoanodo doble y Cu ₂ granular S CE. d Fotoanodo doble y escamas Cu ₂ S CE. e CV y g curvas de polarización tafel de dos Cu ₂ S CE, respectivamente. f Estabilidad electroquímica de varios CE estudiados por CV. h Gráficos de Nyquist de QDSSC con diferentes CE y diferentes estructuras bajo la iluminación de una intensidad de sol completa. yo Parte ampliada del marco punteado negro en h

Fotografías infrarrojas de diferentes condiciones de iluminación: a sin luz, b luz paralela en la parte superior, c luz concentrada del reflector parabólico, d la luz de ambos lados brilla simultáneamente, y e diagrama de simulación de diferentes condiciones de iluminación

Para el dispositivo de fotoanodo doble con Cu ₂ granular S como CE, el PCE que irradia desde las direcciones superior, inferior y doble es del 2,64% ( J _sc =11,552 mA cm ⁻² ), 5,53% ( J _sc =26,287 mA cm ⁻² ) y 8,28% ( J _sc =32,247 mA cm ⁻² ), respectivamente. En comparación con la estructura tradicional de un solo fotoanodo irradiada desde la parte superior (2,32%), el PCE aumenta en un 260%. El aumento de PCE se debe obviamente al aumento de J _sc , lo que indica que los fotoanodos dobles funcionan en una configuración paralela. La intensidad de luz medida de la luz concentrada de la parte inferior es aproximadamente el doble que la de la luz paralela superior. Bajo la condición de irradiación de la luz concentrada, el PCE de QDSSC debería ser más alto que el de la luz paralela superior. Es consistente con el resultado actual que el PCE de la irradiación inferior es más de 2 veces comparado con el de la irradiación superior.

Cabe señalar que los comportamientos de las células basadas en escamas Cu ₂ Los S CE son similares pero muestran valores de decaimiento general en los parámetros fotovoltaicos. Para explorar el origen detallado, las curvas de voltamograma cíclico (CV) y las curvas de polarización de tafel de los dos hijos de Cu ₂ Los S CE se miden utilizando un sistema de tres electrodos. La figura 3e son las curvas CV y Cu ₂ granular S muestra mayor densidad de corriente. El pico de reducción de Cu ₂ granular S es mayor que la escama Cu ₂ S, que indica la velocidad de reacción redox más rápida de S ²⁻ / S _n ²⁻ en el electrolito. La Figura 3f muestra las curvas CV del Cu ₂ Electrodo S con diferentes morfologías de 1 a 25 ciclos. No existe una variación obvia que se pueda encontrar para la forma de la curva CV y la posición del pico. Las curvas CV se superponen bien bajo exploración continua, lo que indica que las dos morfologías del electrodo poseen una buena estabilidad química. Puede verse en la Fig. 3g que la densidad de la corriente de intercambio ( J ₀ ) de Cu ₂ granular S es más grande que el de la escama Cu ₂ S. Según los resultados de las pruebas de las curvas de polarización CV y tafel, sugiere que la actividad catalítica del Cu ₂ granular S es mejor que el de Cu ₂ Película S. Esto es consistente con el rendimiento fotovoltaico de J - V curvas en la Fig. 3a – d. Para confirmar aún más la actividad catalítica de los contraelectrodos, se estudian los espectros EIS y se muestran en la Fig. 3h. Las líneas sólidas violetas representan curvas de ajuste y los datos de ajuste se resumen en la Tabla 2. R _ct1 , R _ct2 y R _s representan la resistencia de transferencia de carga en el contraelectrodo, la resistencia de transferencia de carga en la interfaz fotoanodo / electrolito y la resistencia en serie, respectivamente. Se puede ver que la estructura de una sola celda fotoanodo y las resistencias de transferencia de carga de R _ct1 para Cu ₂ granular S y escamas Cu ₂ S es 3,522 y 6,753 Ω cm ² , respectivamente, y los de la celda de fotoanodo doble son 5.990 y 8.088 Ω cm ² , respectivamente. La R más pequeña _ct1 de Cu ₂ granular S indica mejor conductividad debido a su menor resistencia a la transferencia de carga.

El flujo de fotones dentro de un absorbente se ajusta a la ley de Lambert-Beer:

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

donde b ( E , x ) es el flujo de fotones recibido por QD en la posición x , bs ( E ) es el flujo de fotones recibido en la dirección vertical a la irradiación solar, R ( E ) es la reflectividad de la interfaz y α ( E , x ) es el coeficiente de absorción en la posición x . El CPV recoge la luz incidente sobre un área grande y la enfoca en un área pequeña de la celda solar para la conversión fotovoltaica. Factor de concentración X es un parámetro importante para describir el rendimiento de la concentración de células solares, que es el aumento de los tiempos de densidad de flujo de fotones b ( E ) y también se aproxima a la relación entre el área de luz incidente recogida y el área de las células solares. Se podría considerar que la luz enfocada es uniforme dentro de la mitad del ángulo de concentración ( θ _X ), y el aumento de los tiempos de flujo de fotones solares b _s ( E , x ) es igual al factor de concentración X . Por lo tanto, para CPV, Eq. (1) podría expresarse como:

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

La fotocorriente ( J _ph ) generado por una celda solar en condiciones de luz, determinadas por el flujo de fotones y el rendimiento de la celda solar, J _ph es igual a J _sc y se puede expresar como:

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

donde Q es la carga elemental. La eficiencia cuántica (QE) es una función de la energía de los fotones. Suponemos que el flujo de fotones del colector bs ₂ es Y multiplicado por el del flujo de fotones superior bs ₁ y el J _sc de la celda de fotoanodo doble bajo irradiación desde el lado inferior podría expresarse como:

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

Por lo tanto, la suma de J _sc1 valor bajo la condición de irradiación de luz paralela desde el lado superior y J _sc2 El valor bajo la condición de irradiación de luz concentrada desde el lado inferior debe ser igual a J _{sc1, 2} generado por irradiación de luz en ambos lados del PV. La ecuación (4) es básicamente consistente con J - V resultados en la Tabla 1, sin embargo con algunas desviaciones. Como puede verse en el J _sc datos, la suma de J _sc1 iluminando desde arriba y J _sc2 la iluminación desde abajo es un poco más pequeña que la de J _{sc1, 2} iluminación desde ambos lados para dispositivos de doble fotoanodo. La desviación debe resultar del efecto fototérmico debido a la variación de temperatura de las QDSSC en diferentes condiciones de iluminación.

Es bien sabido que la luz enfocada en dispositivos optoeléctricos induciría acumulación térmica y aumento de temperatura. En el presente trabajo, el flujo de fotones de la luz concentrada del reflector parabólico medido por el medidor de intensidad de luz es aproximadamente el doble del simulador de luz solar normal; significa que el coeficiente de concentración es 2, que es mucho más pequeño que los dispositivos CPV prácticos. Sin embargo, todavía es necesario investigar el efecto de la acumulación térmica en la celda. Usamos una cámara de infrarrojos (IR) para monitorear la variación de temperatura bajo diferentes condiciones de prueba. La distancia focal del reflector parabólico utilizado es de 6,5 cm. Colocamos el dispositivo fotovoltaico 0,5 cm por debajo del punto de enfoque del reflector parabólico para asegurar la iluminación completa del área activa, que es de aproximadamente 1,5 cm ² . Las imágenes de temperatura IR para dispositivos de fotoanodo doble se muestran en la Fig. 4b – d, y las condiciones de irradiación correspondientes se muestran en la Fig. 4e. En comparación con los dispositivos no irradiados, los aumentos de temperatura son de 9,3 ° C, 20,6 ° C y 32,6 ° C, respectivamente. La irradiación de doble cara muestra un aumento de temperatura más alto que la suma de la irradiación separada desde arriba y hacia abajo, lo que indica el mecanismo adicional del material o interfaz involucrado aquí. La reacción de S ²⁻ / S _n ²⁻ en el electrolito y la interfaz no es similar a diferentes temperaturas. Según la fórmula de Arrhenius, la velocidad de reacción química en PV aumenta con el aumento de temperatura. Con el aumento de temperatura, se mejoró la reacción redox cerca de los electrodos QDSSC, lo que aceleró el agotamiento de los agujeros fotogénicos en el fotoanodo, reduciendo así en gran medida la reacción redox excitada por energía.

Conclusiones

En resumen, diseñamos una nueva arquitectura de células solares integrando el concepto CPV en QDSSC con diseño de doble fotoanodo. Para asegurar una mejor recolección de luz, el Cu ₂ La malla S se utiliza como contraelectrodo y se intercala entre dos fotoanodos, y el efecto de Cu ₂ Se investiga y optimiza la morfología del rendimiento celular. Se ha demostrado que el diseño especial logró una mejora del 260% en PCE en comparación con el fotoanodo único irradiado desde la parte superior. Si bien el circuito de voltaje abierto no cambia, el diseño de doble fotoanodo aumenta en gran medida la densidad de corriente y, por lo tanto, aumenta el PCE. Además, el efecto fototérmico inducido por CPV podría ser útil para mejorar el PCE y un PCE campeón del 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) se consigue. Cabe mencionar que el presente proporciona una nueva forma de impulsar la PCE de las QDSSC, pero el diseño del dispositivo especialmente para la parte de CPV podría optimizarse aún más y el rendimiento de la celda se mejoraría aún más. Creemos que con mejores sensibilizadores QD y técnicas de diseño de dispositivos, la idea sugerida en el presente trabajo induciría un gran progreso en QDSSC y podría expandirse a otras células solares.