Efecto del polietilenglicol en el fotocátodo de NiO

Antecedentes

La energía solar demuestra potencial como la principal fuente de energía en el futuro debido a su limpieza, alta potencia, procesamiento rápido y amplia disponibilidad [1, 2]. Desde el desarrollo de las células solares en los últimos 30 años, las células solares sensibilizadas se han convertido en dispositivos eficientes para la utilización de la energía solar. Sin embargo, estos estudios se centran en células solares de tipo n, que se basan en un fotoanodo de tipo n sensibilizado, p. Ej., TiO ₂ , ZnO y SnO ₂ [2,3,4,5,6]. La densidad de corriente de cortocircuito era superior a 15 mA cm ⁻² , y la eficiencia de conversión fotoeléctrica fue aproximadamente del 13% [5]. He et al. han informado del uso de células solares sensibilizadas con colorante en tándem (DSSC) de tipo p-n [7], que posiblemente proporcionen un voltaje de circuito abierto (OCV) más alto y una eficiencia de conversión fotoeléctrica. Nakasa y col. han informado un OCV de 0,918 V mediante la combinación de NiO sensibilizado con merocianina NK-2684 y TiO ₂ fotoanodo [8]. Nattestad y col. han informado de una disminución en la recombinación de carga del fotocátodo de NiO mediante la optimización de colorantes donantes-aceptores y lograron una eficiencia de conversión de fotón a electrón absorbido superior al 90% en un rango espectral de 400 a 500 nm [9], con un Voltaje de circuito abierto de 1079 mV. Este valor es el valor más alto informado hasta ahora para DSSC en tándem tipo p-n.

Para obtener fotocorrentes más altas comparables a los fotoanodos de tipo n, una forma es preparar un nuevo cátodo de tipo p [10, 11]. Otra forma es preparar fotocátodos mesoporosos gruesos que son preferibles para adsorber una gran cantidad de moléculas de colorante. Se han realizado algunos intentos para mejorar el espesor de las películas de NiO; sin embargo, la densidad de fotocorriente generada es todavía un orden de magnitud menor que la observada para las DSSC de tipo n, y las películas gruesas a menudo adolecen de una escasa estabilidad mecánica. Wu y col. han preparado películas de NiO mediante el método hidrotermal y han mejorado sus propiedades mediante la optimización del espesor de la película y la superficie específica [12]. Qu et al. han fabricado películas de NiO en capas a partir de nanohojas de NiO porosas arrugadas y han informado de una fotocorriente y un fotovoltaje significativamente mejorados [13]. Zhang y col. han mejorado el fotovoltaje mediante la aplicación de NiO altamente cristalino [14]. Powar y col. han obtenido una alta fotocorriente de 7,0 mA cm ⁻² utilizando microesferas nanoestructuradas de NiO como materiales activos para el fotocátodo [15]. Sumikura y col. han preparado películas nanoporosas de NiO mediante la hidrólisis de NiCl ₂ en una solución mixta de agua / etanol utilizando una serie de copolímeros tribloque de polietilenoóxido-polipropilenoóxido-polietilenoóxido (PEO-PPO-PEO) como plantilla [16]. Investigaron los efectos de la plantilla PEO-PPO-PEO en detalle. Li y col. han adoptado el método de preparación utilizado por Sumikura et al. y preparó películas gruesas de NiO mediante un método de raspado en dos pasos [17]. Obtuvieron una eficiencia récord de fotón incidente a corriente (IPCE) del 64% y una corriente de cortocircuito ( J _SC ) de 5,48 mA cm ⁻² . Sin embargo, la eficiencia de conversión fotoeléctrica del electrodo de NiO de tipo p se mantiene entre 0,02 y 0,3% utilizando diferentes tintes. En este experimento, se prepararon soluciones precursoras de NiO usando F108 (copolímeros tribloque de polietilenoóxido-polipropilenoóxido-polietilenoóxido (PEO-PPO-PEO), PM:ca. 14.600) como plantilla siguiendo el método de Sumikura et al. Se añadió polietilenglicol (PEG; PM:aprox. 20.000) a la solución precursora y se investigaron en detalle sus efectos sobre la película de NiO. Por último, también se ensamblaron células solares en tándem sensibles al punto cuántico (QD) de tipo p-n.

Experimental

Se preparó una solución precursora de NiO de acuerdo con un método informado anteriormente [17]. Primero, NiCl ₂ anhidro (1 g) y F108 (1 g) se disolvieron en una mezcla de agua desionizada (3 g) y etanol (6 g). En segundo lugar, se dejó reposar la solución durante 3 días. En tercer lugar, se añadió un contenido específico de polietilenglicol (PM de 20.000) a la solución precursora de NiO. A continuación, la mezcla se agitó durante 4 horas y se centrifugó a 8000 rad / min. El contenido de PEG se controló a 0,03, 0,075, 0,15 y 0,3 g. La solución anterior se depositó sobre un sustrato de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) mediante el método de raspado y se secó a temperatura ambiente. Las películas se sinterizaron a 400 ° C durante 30 min al aire. CdSeS QDs se prepararon mediante síntesis de inyección en caliente de acuerdo con experimentos previos informados por nuestro grupo [18]. Las películas de NiO preparadas se sensibilizaron mediante CdSeS QD mediante el método electroforético utilizando una mezcla de acetonitrilo / tolueno (1:2,5 v / v ) solución aplicando una CC de 50 V durante un tiempo determinado. TiO ₂ las películas se sensibilizaron conjuntamente con CdS / CdSe utilizando el método convencional de adsorción y reacción de capa iónica sucesiva (SILAR) [19]. TiO ₂ sensibilizado a QD Se utilizaron películas como ánodo en lugar de CuS para ensamblar células solares sensibilizadas con QD de tipo p-n.

La morfología de las películas de NiO se examinó utilizando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo JSM-7001F (FE-SEM). Densidad de fotocorriente-voltaje ( J - V ) las características se midieron utilizando un medidor de fuente Keithley 2440 con iluminación AM 1.5G de un simulador solar Newport Oriel con una intensidad de 1 sol.

Resultados y discusión

La película de NiO se preparó mediante el método de raspado. La película se despegaría en el caso de la solución de precursor de NiO sin PEG cuando el tiempo de limpieza fuera mayor de cuatro veces. La Figura 1a, c, e muestra la superficie y la morfología cruzada de las películas de NiO raspadas cuatro veces. Las películas de NiO, que exhibían varios micro-barrancos, se curvaron desde el sustrato FTO. La Figura 1b, d, f muestra la superficie y la sección transversal de las películas de NiO preparadas usando PEG. Las películas se rasparon siete veces. Casi no se observaron grietas en las películas de NiO. El tamaño de partícula fue menor que el de la película de NiO preparada sin PEG. Además, se observaron cambios claros en las secciones transversales de estas dos películas de NiO preparadas con o sin PEG. La película de NiO preparada utilizando la solución precursora de NiO sin PEG estaba aparentemente compuesta de nanohojas. De hecho, estas nanohojas deberían aparecer como películas de NiO rizadas, que podrían desprenderse del sustrato FTO. Sin embargo, las películas de NiO preparadas usando la solución precursora de NiO con PEG comprendían varias capas, estando cada capa de película de NiO unida a las otras capas. No hubo fisuras obvias entre las diferentes capas, con un espesor de aproximadamente 2,6 μm. El PEG puede tener dos efectos en el proceso de formación de la película de NiO. Una era que el PEG podría mejorar la unión entre estas partículas de NiO y disminuir la aparición de grietas en el proceso de secado después de que los geles de NiO se aplicaron con cuchilla sobre el sustrato de FTO. Mientras tanto, el PEG se puede utilizar como agente director de estructura. La adición de PEG puede mejorar el área de superficie específica y el volumen de poros de la película de NiO.

Micrografías SEM de las películas de NiO: a , c y e se fabricaron a partir de la solución precursora sin polietilenglicol. b , d y f fueron fabricados a partir de la solución precursora con polietilenglicol

Las películas de NiO preparadas con dos capas se sensibilizaron con CdSeS QD mediante deposición electroforética. La fotocorriente-voltaje ( J - V ) se registraron curvas bajo una intensidad de 1 Sol utilizando el simulador solar Newport Oriel como fuente de luz. La Figura 2 muestra el J – V curvas así obtenidas. Como puede observarse en la Fig. 2, con la adición de 0 a 0,15 g de PEG, la eficiencia de conversión mejoró significativamente de 0,08 a 0,32%. El OCV, J _SC , y el factor de relleno (FF) para el mejor fotocátodo de NiO fue de 0,158 V, 4,40 mA cm ⁻² y 0,46, respectivamente. La propiedad decaería bruscamente con el cambio en el contenido de PEG de 0,15 a 0,3 g. Por lo tanto, la concentración de PEG en la solución precursora de NiO afectó significativamente la propiedad del cátodo de NiO.

Curvas características de densidad de corriente-voltaje de los fotocátodos de NiO con diferente contenido de PEG en la solución precursora

También se investigaron los efectos del espesor de la película de NiO. En este experimento, el contenido de PEG se fijó en 0,15 g. La figura 3 muestra las curvas de propiedades fotoeléctricas. Con el aumento del espesor de la película de 0,6 a 2,1 μm, el OCV y J _SC aumentado. Ambos factores tendieron a decaer con el aumento adicional del espesor de la película. El FF casi no mostró cambios con el aumento del espesor de la película. Estos cambios débiles podrían estar relacionados con el aumento de la densidad de fotocorriente. Como resultado, la eficiencia de conversión fotoeléctrica aumentó con el engrosamiento inicial de la película de NiO. Se observaron cambios débiles para un espesor de película superior a 1,5 μm, relacionados con la baja velocidad de transporte del orificio y la corta vida útil del orificio [20].

Efecto del espesor de la película sobre las características fotovoltaicas de los fotocátodos de NiO

El cátodo de NiO preparado se ensambló junto con el TiO ₂ ánodo para preparar células solares en tándem de tipo p-n sensibilizadas con QD. La Figura 4 muestra el J – V curvas del cátodo de NiO y el TiO ₂ ánodo, así como el tándem TiO ₂ (abajo) / NiO (arriba) y TiO ₂ (arriba) / NiO (abajo) células solares. Las células solares en tándem tipo p-n con TiO ₂ La configuración (abajo) / NiO (arriba) mostró un OCV significativamente mejorado en comparación con el cátodo de NiO separado o TiO ₂ ánodo. La eficiencia de conversión fotoeléctrica fue del 0,43%, con un OCV de 0,594 V, J _SC de 2,0 mA cm ⁻² y un FF de 0,36. Este es el primer estudio sobre las células solares en tándem tipo p-n sensibilizadas con QD. Sin embargo, el J _SC de las células solares en tándem fue significativamente menor que las del cátodo de NiO y TiO ₂ ánodo. Además, la eficiencia de conversión fotoeléctrica fue menor que la del cátodo de NiO y el TiO ₂ ánodo. En el futuro, se deben realizar más estudios para mejorar el alto rendimiento de las células solares en tándem tipo p-n sensibilizadas con QD.

Curvas características de densidad de corriente-voltaje de células solares en tándem tipo p-n sensibilizadas por puntos cuánticos de tipo p-n

Conclusión

Se utilizó polietilenglicol (PEG) para preparar películas de NiO. La adición de PEG disminuyó significativamente las grietas en las películas de NiO. Se preparó una película de NiO nanoporosa uniforme de 2,6 µm de espesor. La eficiencia de conversión fotoeléctrica optimizada fue del 0,80%. La película de NiO optimizada y sensibilizada por puntos cuánticos se ensambló por primera vez con el TiO ₂ ánodo a células solares en tándem de tipo p-n sensibilizadas con QD preparadas. El voltaje de circuito abierto (OCV) fue mayor que el exhibido por el cátodo de NiO separado o TiO ₂ ánodo. El TiO ₂ Las células solares en tándem (abajo) / NiO (arriba) produjeron una conversión fotoeléctrica total de 0,43%, con un OCV, densidad de corriente de cortocircuito y factor de llenado de 0,594 V, 2,0 mA cm ⁻² y 0.36, respectivamente.

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