Polietilenglicol mejora fotocátodos de NiO para celdas solares tandem de puntos cuánticos

Resumen

En este estudio, una película nanoporosa uniforme de NiO de hasta 2,6 µm de espesor se fabricó incorporando polietilenglicol (PEG) en la solución precursora. PEG suprimió notablemente la formación de grietas y previno la deslaminación de sustratos de óxido de estaño dopado con flúor (FTO). El cátodo de NiO, sensibilizado con puntos cuánticos (QDs) de CdSeS, alcanzó una eficiencia de fotoconversión récord del 0,80 %. Al ensamblarse con un ánodo de TiO₂, la celda tandem p–n‑tipo sensibilizada por QDs mostró un voltaje de circuito abierto (OCV) superior al de los electrodos individuales, entregando 0,43 % de eficiencia (OCV = 0,594 V, J_SC = 2,0 mA cm^-2, FF = 0,36).

Antecedentes

La energía solar está llamada a convertirse en fuente primaria de energía por su naturaleza limpia, abundante y rápidamente desplegable. En las últimas tres décadas, las celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC) han evolucionado a dispositivos eficientes, aunque la mayoría del progreso se ha centrado en arquitecturas n‑tipo usando fotoánodos de TiO₂, ZnO o SnO₂, alcanzando densidades de corriente de cortocircuito (J_SC) superiores a 15 mA cm^-2 y eficiencias cercanas al 13 %. Las DSSC tandem p–n‑tipo, combinando un fotocátodo p‑tipo con un ánodo n‑tipo, prometen OCVs más altos y eficiencias globales. Avances notables incluyen 0,918 V OCV de un par NiO/TiO₂ sensibilizado con NK‑2684 y 1079 mV OCV con optimización de colorante donador‑aceptor, el más alto reportado para tandems p–n hasta la fecha.

A pesar de estos avances, los fotocátodos p‑tipo típicamente entregan fotocorrientes un orden de magnitud menores que sus contrapartes n‑tipo, partly due to inestabilidad mecánica en películas gruesas. Trabajos recientes han explorado nanoestructuras de NiO de alta superficie, cristalinidad mejorada y arquitecturas en capas para impulsar el rendimiento. Sin embargo, las eficiencias de fotoconversión de electrodos de NiO permanecen en el rango 0,02‑0,30 % al combinarse con diversos colorantes.

Este trabajo se basa en la estrategia de templado con copolímero triblock PEO–PPO–PEO para sintetizar películas gruesas de NiO, añadiendo PEG como modificador estructural para mejorar integridad de la película y porosidad, permitiendo finalmente dispositivos tandem de alta eficiencia sensibilizados por QDs.

Experimental

Las soluciones precursoras de NiO se prepararon disolviendo NiCl₂ anhidro (1 g) y F108 (1 g) en 3 g agua desionizada y 6 g etanol. Tras un período de reposo de 3 días, se añadió PEG (PM ≈ 20.000) a 0,03, 0,075, 0,15 o 0,30 g. La mezcla se agitó 4 h y centrifugó a 8000 rpm. El gel resultante se depositó por doctor‑blading sobre vidrio FTO y se secó a temperatura ambiente, luego sinterizó a 400 °C durante 30 min en aire. Los QDs de CdSeS se sintetizaron por inyección en caliente, y las películas de NiO se sensibilizaron por deposición electroforética en solución 1:2,5 (v/v) acetonitrilo/tolueno bajo 50 V CC. Ánodos de TiO₂ se co‑sensibilizaron con CdS/CdSe usando SILAR, reemplazando CuS como contraelectrodo para ensamblaje de celda tandem.

La morfología de la película se examinó con FE‑SEM JSM‑7001F. Características fotocorriente‑voltaje (J–V) se registraron bajo iluminación AM 1.5G (1 Sun) con medidor de fuente Keithley 2440.

Resultados y Discusión

Imágenes SEM revelaron que películas de NiO fabricadas sin PEG mostraban micro‑barrancos pronunciados y nanosheets enrolladas que se deslaminaban tras múltiples pasadas de doctor‑blading. En contraste, películas con PEG, tras siete ciclos de blading, mostraban una superficie continua, libre de grietas, con espesor ~2,6 µm. PEG actúa probablemente como aglutinante, mejorando cohesión inter‑partícula, y como agente director de estructura que aumenta área superficial específica y volumen de poros.

Medidas J–V mostraron que añadir PEG hasta 0,15 g mejoró la eficiencia de fotoconversión de 0,08 % (PEG = 0) a 0,32 %. El cátodo de NiO óptimo alcanzó OCV = 0,158 V, J_SC = 4,40 mA cm^-2, y FF = 0,46. PEG excesivo (0,30 g) causó decaimiento de rendimiento, indicando un rango de concentración óptimo.

Variando el espesor de película (PEG fijo = 0,15 g) se reveló que aumentar espesor de 0,6 a 2,1 µm elevaba OCV y J_SC, pero más allá de ~1,5 µm los beneficios se estancaban debido a transporte de huecos limitado y vidas acortadas.

Al emparejarse con un ánodo de TiO₂, la configuración tandem TiO₂(down)/NiO(up) alcanzó un OCV de 0,594 V y 0,43 % de eficiencia global, superando a los electrodos individuales. Aunque J_SC y eficiencia fueron menores que el cátodo NiO standalone o el ánodo TiO₂, esto representa la primera demostración de un dispositivo tandem p–n‑tipo sensibilizado por QDs, subrayando el potencial para mayor optimización.

Conclusión

La incorporación de PEG produce una película de NiO nanoporosa, libre de grietas, de 2,6 µm con superior estabilidad mecánica y área superficial. El cátodo de NiO sensibilizado por QDs optimizado entrega 0,80 % de eficiencia de fotoconversión. Como parte de una arquitectura tandem TiO₂/NiO, el dispositivo alcanza un OCV de 0,594 V y 0,43 % de eficiencia, superando a los electrodos aislados. Trabajos futuros se centrarán en mejorar extracción de carga y reducir recombinación para desbloquear el pleno potencial de celdas solares tandem p–n‑tipo sensibilizadas por QDs.