Mejora de eficiencia de celdas solares de puntos cuánticos con fotovoltaica concentradora y fotoánodos duales

Resumen

A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a mejorar la eficiencia de conversión de potencia (PCE) de celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos (QDSSC) en las últimas dos décadas, la eficiencia de QDSSC aún está muy por detrás de su valor teórico. Los enfoques actuales para mejorar PCE se centran principalmente en ajustar la banda prohibida de PQ para ampliar la captación de luz y optimizar interfaces de componentes. Aquí se propone una nueva arquitectura de celda solar integrando el concepto de celda solar concentradora (CPV) en QDSSC con diseño de doble fotoánodo. La malla de Cu₂S se usa como contraelectrodo y se coloca entre dos fotoánodos. Esta estructura de batería diseñada puede aumentar el PCE en 260% comparado con un solo fotoánodo. Con los sensibilizadores PQ CdS/CdSe más extensamente usados, se logró un PCE campeón de 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²). Esto se debe principalmente al aumento en J_sc debido al diseño de doble fotoánodo y adopción del concepto CPV. Además, otra razón es que la iluminación de luz solar concentrada indujo un efecto fototérmico, acelerando las reacciones químicas previas asociadas con la conversión de especies de polisulfuro. La fabricación y diseño de celda reportados aquí proporcionan nueva perspectiva para desarrollo futuro de QDSSC.

Introducción

Como dispositivo de conversión fotoeléctrica prometedor y comparativamente económico, las celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos (QDSSC) han atraído gran atención debido a su alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) teórica [1, 2]. Las QDSSC heredan la estructura de celdas solares sensibilizadas por colorante, incluyendo fotoánodo (típicamente, una capa de semiconductor óxido poroso con banda prohibida ancha cubierta por PQ semiconductor como sensibilizadores), electrolito líquido, y contraelectrodo. Para mejorar PCE de celda para aplicación comercial potencial, numerosas estrategias se han investigado principalmente desde puntos de vista de materiales, involucrando síntesis de nuevos sensibilizadores PQ para ampliar rango de captación de luz; preparación de fotoánodos con diferentes nanoestructuras como película porosa [3], nanotubo [4, 5], y nanovarilla para mejor extracción de electrones [6, 7]; fabricación de fotoánodo dopado con metal noble usando resonancia de plasmon de superficie localizada [8, 9]; desarrollo de contraelectrodos de sulfuro y otros para reemplazar contraelectrodo Pt; síntesis de diferentes electrolitos; etc.

Uno de los factores más importantes que limitan la eficiencia de conversión fotoeléctrica de QDSSC es el estrecho rango de absorción de radiación solar [10]. La región de absorción depende fuertemente de película delgada de fotoánodo y PQ. Estrechar banda prohibida de PQ es forma efectiva para ampliar rango de captación de luz. Zhong et al. sintetizaron PQ aleados Zn-Cu-In-Sn y mejoraron grandemente PCE de QDSSC, estableciendo varios récords de PCE de QDSSC [11-13]. Actualmente, el PCE más alto reportado de QDSSC es 14,02% logrado por Zhao et al. [14]. En su trabajo, PQ aleados Zn-Cu-In-Sn se usaron como sensibilizador, y el contraelectrodo (CE) es CuS dopado con nanotubos de carbono y grafeno, que inició nuevo nivel de PCE de QDSSC. Sin embargo, disminuir excesivamente la banda prohibida para mejorar captación de luz solar inducirá pérdida de voltaje de circuito abierto y disminuirá rendimiento del dispositivo debido al desplazamiento hacia abajo del borde de banda de conducción.

Para mejorar aún más rendimiento de celda, la configuración de dispositivo se ha tenido en cuenta. En celdas solares sensibilizadas por colorante y celdas solares de puntos cuánticos coloidales [15], estructuras tandem ya se han usado como enfoque significativo para superar limitaciones de PCE [16, 17]. Para la mayoría de estructuras tandem de celdas solares sensibilizadas por colorante, un Pt semi-transparente en vidrio conductor o malla de Pt se aplica en el medio de la celda como contraelectrodo [18]. Películas de TiO₂ se separan en dos o más capas sensibilizadas por el mismo o diferentes colorantes, lo que puede ampliar respuesta espectral y mejorar significativamente rendimiento de celda [19-21]. Para QDSSC, Meng et al. diseñaron estructura de doble fotoánodo con contraelectrodo de malla Cu₂S semi-transparente entre dos fotoelectrodos TiO₂. Bajo iluminación de un sol desde electrodo superior, la celda optimizada muestra aumento de 12% en PCE [22]. En su trabajo, la estructura tandem se usó en QDSSC por primera vez. Sin embargo, la eficiencia de utilización de luz de la estructura tandem de batería es limitada. Xu et al. demostraron reducción de polisulfuro mejorada por luz NIR en interfaz electrodo-electrolito al iluminar contraelectrodo CuS con luz NIR, mostrando aumento de 15% en PCE, atribuido a efecto fototérmico y absorción de resonancia plasmónica [23].

Gracias a grandes esfuerzos en últimas décadas, PCE de QDSSC puede ser comparativo con el de dispositivo paralelo, celda solar sensibilizada por colorante. Sin embargo, la eficiencia de QDSSC aún está muy por detrás de su valor teórico, y queda por resolver para aplicación comercial. Por tanto, explorar nueva estrategia para impulsar PCE de QDSSC sigue siendo tarea urgente. Aquí, integramos concepto de fotovoltaica concentradora (CPV) en QDSSC con doble fotoánodo poroso TiO₂ y diseño de contraelectrodo malla Cu₂S [24], logrando aumento de 260% en PCE comparado con dispositivo tradicional de un solo fotoánodo. Con los sensibilizadores PQ CdS/CdSe más extensamente usados, se logra PCE campeón de 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²).

La gestión de luz como tecnología importante para mejorar eficiencia de conversión en celdas solares apunta a aumentar flujo de fotones recibidos por celdas solares [25]. La estructura de captura de luz es método comúnmente usado para gestión de luz, incluyendo espejos [26, 27], superficies Lambertianas [28], y superficies texturizadas [29, 30]. Por efecto de captura de luz, la longitud de camino óptico aumenta, mejorando PCE de celdas solares. Una de las estructuras básicas de captura de luz es preparar un espejo en la superficie trasera de la celda solar, y la reflectividad del espejo puede ser tan alta como 95% [31]. Inspirados por la discusión anterior, Fig. 1 ilustra la arquitectura de dispositivo usada en el presente trabajo. Se adopta diseño de doble fotoánodo TiO₂, separado por Cu₂S malla como contraelectrodo. El espesor del fotoánodo TiO₂ es ~4,5 μm, visible en Fig. S1. La celda superior e inferior usan mismo material y estructura, por lo que no es necesario considerar constante de red y coeficiente de expansión de diferentes materiales semiconductores en los dos fotoánodos. El Cu₂S crecido en malla Cu como contraelectrodo permite que la luz transmitida desde la celda superior llegue al fotoánodo inferior. Los materiales de banda prohibida ancha en la parte superior filtran fotones de alta energía, y los fotones de baja energía pasan a través y son absorbidos por materiales de banda prohibida estrecha en la celda inferior. Aparentemente, el PCE de estructura de doble fotoánodo es mayor que el de estructura de un solo fotoánodo porque la estructura de doble fotoánodo puede capturar más luz y así aumentar densidad de corriente. Sin embargo, iluminar solo desde la dirección superior induce solo aumento de 18% en PCE comparado con dispositivo de un solo fotoánodo como se muestra luego, debido a la fuerte absorción y reflexión de luz solar por la celda superior, dejando densidad de luz inadecuada para la celda inferior [22].

Considerando que la luz capturada de la celda inferior es limitada, introducimos el concepto de celda fotovoltaica concentradora (CPV) en el dispositivo actual [32, 33] y colocamos un reflector parabólico bajo el fotoánodo inferior. Los sistemas CPV usan elementos ópticos para enfocar luz en pequeña área de celdas solares, mejorando eficiencia de tecnología fotovoltaica mientras minimiza costos. La reducción de área de celda puede hacer que el costo de CPV compita con fotovoltaica de panel plano. Como se muestra en Fig. 1, el reflector parabólico enfoca luz en el fotoánodo inferior. Controlando la distancia entre reflector y fotoánodo inferior, el área activa puede ajustarse para coincidir con área de la celda. Además, la luz aumentada puede transmitir y llegar al fotoánodo superior, proporcionando energía de excitación adicional para captación de luz. Por supuesto, el efecto fototérmico causado por CPV debería impactar rendimiento PV [34], lo que se discutirá en detalle luego.

Métodos

Materiales

Dióxido de titanio (99,8%, 10-25 nm, TiO₂) y sulfito de sodio (AR, Na₂SO₃) se suministraron de Aladdin. Vidrio conductor de óxido de estaño dopado con flúor (FTO, espesor 1,6 mm, transmitancia 83%, resistencia de hoja 15/□) se compró de Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China). Metanol (AR, CH₃OH), etanol (AR, CH₃CH₂OH), y acetona (AR, CH₃OCH₃) se suministraron por Beijing Chemical Works (China). Etilendiamina (AR, C₂H₈N₄) y selenio (AR, Se) se compraron de Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China). Ácido clorhídrico (36%, HCl), etilcelulosa ethoce (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]_n), alfa-terpineol (AR, C₁₀H₈O), acetato de cadmio (AR, Cd(CH₃COOH)₂), acetato de zinc (AR, Zn(CH₃COOH)₂), sulfuro de sodio (AR, Na₂S·9H₂O), azufre (AR, S), y tiourea (AR, CH₄N₂S) se suministraron por Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Ácido nitrilotriacético trisódico (98%, C₆H₉NNa₃O₆) se compró de TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China). Malla de latón se suministró por Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).

Preparación del contraelectrodo Cu₂S

La malla de latón se sumergió en HCl (36%) por 2 h a 70 °C para remover zinc en superficie de malla Cu. La malla de cobre se enjuagó con agua desionizada y secó a temperatura ambiente tras remover la malla de la solución. Luego, la malla Cu se sumergió en solución acuosa conteniendo 1 M Na₂S y 1 M S por 5 s para obtener Cu₂S en escamas, seguido de lavado con agua desionizada y secado a temperatura ambiente. Para preparar Cu₂S granular, la malla Cu tratada con HCl (36%) se sumergió en solución mixta de CH₄N₂S (0,01 M) y C₂H₈N₄ (0,4 ml) por 24 h, seguido de lavado con agua desionizada y secado a temperatura ambiente.

Preparación de fotoánodo TiO₂ cosensibilizado con PQ CdS/CdSe

Película mesoporosa de TiO₂ se preparó por spin-coating de pasta conteniendo TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀H₈O (3,245 g), y CH₃CH₂OH (8,5 ml) en sustratos FTO limpios, que se secó en horno a 60 °C y seguido de recocido a 450 °C por 30 min para remover solventes orgánicos. La velocidad de rotación del spin coater es 7500 rpm por 30 s. El proceso de adsorción iónica sucesiva y reacción (SILAR) se empleó para depositar PQ CdS. Típicamente, la película TiO₂ se sumergió alternadamente en solución de metanol de Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 M) y solución Na₂S (0,02 M con metanol y agua desionizada 1:1 v/v) por 30 s en cada ciclo por total 5 ciclos. PQ CdSe se recubrieron por método de deposición por baño químico (CBD). En detalle, solución conteniendo fuente Cd²⁺ y Se²⁻ se preparó por el siguiente método. 1,55 g Na₂SO₃ se disolvió en 25 ml agua desionizada. 0,155 g polvo Se como fuente Se²⁻ se añadió a la solución anterior. La solución obtenida se calentó con baño de aceite a 125 °C por 3 h bajo agitación. La solución Cd²⁺ se preparó mezclando 25 ml solución de ácido nitrilotriacético agua desionizada (120 mM) y 25 ml solución Cd(CH₃COO)₂ agua desionizada (80 mM). Luego, la solución Se²⁻ preparada y solución Cd²⁺ se mezclaron. Los fotoánodos recubiertos con CdS preparados se pusieron en la solución mixta anterior a 24 °C por 2 h en oscuridad. Para pasivación ZnS, las películas sensibilizadas se depositaron sumergiendo en 0,1 M Zn(CH₃COO)₂ y 0,1 M Na₂S (con metanol y agua 1:1 v/v) por 1 min alternadamente y 4 ciclos. El área activa de la celda solar es 0,25 cm². El electrolito de polisulfuro (2 M Na₂S y 2 M S solución con metanol y agua desionizada 7:3 v/v) se transfirió a la celda vía inyector.

Medición electroquímica

El análisis electroquímico se realizó por estación de trabajo electroquímica DyneChem, y platino y Ag/AgCl se usaron como contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente. Curvas voltamperométricas cíclicas y de polarización Tafel se probaron en electrolito de polisulfuro 2 M. Gráficos de Nyquist de QDSSC bajo iluminación de intensidad de un sol completo. El voltaje usado durante mediciones EIS es 0,5 V.

Caracterización

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

Resultados y Discusión

Hay numerosos materiales nanoestructurados que pueden usarse como contraelectrodos para QDSSC, incluyendo Cu₂S, CoS, GeC [35], y NCW [36]. Sin embargo, el contraelectrodo Cu₂S basado en malla de latón exhibe actividad catalítica ideal hacia par redox Sn²⁻/S²⁻. Para preparar el contraelectrodo Cu₂S, se usan dos métodos diferentes. Uno es remover Zn de superficie de malla de latón con ácido clorhídrico seguido de sumergir la malla en solución mixta conteniendo CH₄N₂S y C₂H₈N₄ por 24 h [37]. Las imágenes SEM de resultante malla cubierta de Cu₂S se muestran en Fig. 2a-c. La imagen SEM ampliada indica que se forman Cu₂S de estructura granular. La vista transversal en Fig. 2d indica existencia de película Cu₂S en alambre de latón, la grieta entre ellos proviene del corte durante preparación de muestra transversal, y el espesor es ~1,3 μm. La muestra transversal en Fig. 2e revela que los únicos elementos que existen allí son Cu y S, y la relación atómica de Cu a S es aproximadamente 2. Los espectros XPS de Cu y S se muestran en Fig. 2f y h, respectivamente. Los picos de Cu 2p a 952 eV y 932,5 eV corresponden a energía de enlace de electrón de Cu 2p1/2 y Cu 2p3/2, respectivamente, consistente con Cu¹⁺ [38]. Los picos observados en S 2p a 163,5 eV y 161 eV corresponden a S 2p1/2 y S 2p3/2, respectivamente, consistente con S²⁻ [39]. Estos resultados confirman la preparación exitosa de película Cu₂S en malla de latón, y la morfología de superficie se supone que asegura su gran área superficial y suficiente actividad catalítica.

El otro método se ha usado extensamente en reportes previos, en el que la malla de latón se coloca primero en ácido clorhídrico, luego se sumerge posteriormente en electrolito de polisulfuro (1 M Na₂S y 1 M S) por tiempo adecuado [40]. Los resultados correspondientes se muestran en Fig. S2. La imagen SEM ampliada indica que se forman Cu₂S de estructura en escamas. La vista transversal indica existencia de película Cu₂S en alambre de latón, y el espesor también es ~1,3 μm. Los espectros XPS de Cu 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 pico a 162,4 eV, confirmando presencia de S²⁻ [42]. El efecto de morfología de Cu₂S en rendimiento de celda se investiga más.

Para caracterizar rendimiento de celdas con diferentes arquitecturas y CE, las curvas de densidad de fotocorriente-voltaje (J-V) se adquieren y muestran en Fig. 3a-d. Dispositivo de un solo fotoánodo y dispositivo de doble fotoánodo se fabrican ambos para comparación con Cu₂S granular y en escamas como CE, respectivamente. Hay tres formas de iluminar las celdas: superior, inferior, y direcciones dobles como se muestra en Fig. 4e, y los comportamientos de celda trabajando bajo diferentes condiciones de iluminación se investigan en detalle, y los parámetros de celda correspondientes se resumen en Tabla 1 incluyendo voltaje de circuito abierto (V_oc), corriente de cortocircuito (J_sc), factor de llenado (FF), y PCE, en que los valores no entre paréntesis son promedio experimental de veinte grupos de celdas y los entre paréntesis son valores campeones. La configuración de prueba para dispositivo de un solo fotoánodo con Cu₂S granular y en escamas como CE se muestra en Fig. S3, y las curvas J-V se muestran en Fig. 3a y b. El PCE irradiando desde arriba, abajo, y direcciones dobles son 2,32%, 2,00%, y 3,59%, respectivamente, mientras que V_oc se mantienen alrededor de 0,6 V, y el aumento principal en PCE se debe a J_sc elevado. Dado que este es dispositivo de un solo fotoánodo, el aumento en J_sc debería deberse a intensidad de luz aumentada desde irradiación inferior, resultando en electrones fotogenerados aumentados en fotoánodos. Debe notarse que el PCE de irradiación inferior es menor que el de irradiación superior incluso si la luz concentrada es mayor en intensidad que luz paralela desde arriba, lo que podría explicarse desde Fig. S3. Al concentrar luz en QDSSC de un solo fotoánodo, la luz necesita pasar a través de vidrio FTO, luego a través de malla CE Cu₂S y electrolito para llegar al fotoánodo superior, induciendo pérdida de fotoenergía en cierta medida. De nuestro resultado, la intensidad de fotoenergía llegando al fotoánodo superior sería más débil que irradiación de luz paralela desde arriba. Por tanto, el PCE de estructura de celda de un solo fotoánodo bajo irradiación de luz concentrada es menor que bajo irradiación de luz paralela en lado superior. Podría apoyarse más adoptando configuración de prueba mostrada en Fig. S4. Enfocar luz directamente sobre fotoánodo inferior como electrodo de trabajo logra PCE de 4,32% y corriente de cortocircuito de 21,6 mA cm⁻², casi el doble de la corriente de cortocircuito generada por luz paralela irradiando el fotoánodo, lo que significa que el flujo de fotones tras condensar es el doble que el de luz paralela desde arriba. Del cambio de flujo de fotones, podemos calcular el coeficiente de condensación es 2, consistente con nuestros resultados medidos. Como se ve en Tabla 1, el PCE promedio de estructura de celda de doble fotoánodo con Cu₂S granular CE es 5,51% bajo condición de luz concentrada desde lado inferior, y el aumento en PCE se debe a contribución de fotoelectrodo superior, indicando que el fotoánodo superior captura más fotones bajo condición de concentración.

Para dispositivo de doble fotoánodo con Cu₂S granular como CE, el PCE irradiando desde arriba, abajo, y direcciones dobles son 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. Comparado con estructura tradicional de un solo fotoánodo irradiado desde arriba (2,32%), el PCE aumenta 260%. El aumento en PCE es obviamente debido al aumento en J_sc, indicando que los dobles fotoánodos trabajan en configuración paralela. La intensidad de luz medida de la luz concentrada desde abajo es aproximadamente el doble que la de luz paralela superior. Bajo condición de irradiación de luz concentrada, el PCE de QDSSC debería ser mayor que el de luz paralela superior. Es consistente con resultado presente que el PCE desde irradiación inferior es más de 2 veces comparado con el de irradiación superior.

Debe notarse que los comportamientos de celdas basadas en Cu₂S en escamas son similares pero mostrando valores generales decayados en parámetros fotovoltaicos. Para explorar el origen detallado, las curvas voltamperométricas cíclicas (CV) y de polarización Tafel de los dos tipos de CE Cu₂S se miden usando sistema de tres electrodos. La Figura 3e son curvas CV, y Cu₂S granular muestra mayor densidad de corriente. El pico de reducción de Cu₂S granular es mayor que Cu₂S en escamas, indicando velocidad de reacción redox más rápida de S²⁻/S_n²⁻ en electrolito. La Figura 3f muestra curvas CV de electrodo Cu₂S con diferentes morfologías de 1 a 25 ciclos. No hay variación obvia en forma de curva CV y posición del pico. Las curvas CV se solapan bien bajo barrido continuo, indicando que ambas morfologías del electrodo poseen buena estabilidad química. Se ve en Fig. 3g que la densidad de corriente de intercambio (J₀) de Cu₂S granular es mayor que la de Cu₂S en escamas. Según resultados de prueba de CV y curvas de polarización Tafel, sugiere que la actividad catalítica de Cu₂S granular es mejor que la de película Cu₂S. Esto es consistente con rendimiento fotovoltaico de curvas J-V en Fig. 3a-d. Para confirmar más la actividad catalítica de contraelectrodos, se estudian espectros EIS y se muestran en Fig. 3h. Las líneas sólidas moradas representan curvas de ajuste, y datos de ajuste se resumen en Tabla 2. R_ct1, R_ct2, y R_s representan resistencia de transferencia de carga en contraelectrodo, resistencia de transferencia de carga en interfaz fotoánodo/electrolito, y resistencia en serie, respectivamente. Se ve que la estructura de celda de un solo fotoánodo y las resistencias de transferencia de carga de R_ct1 para Cu₂S granular y en escamas son 3,522 y 6,753 Ω cm², respectivamente, y las de celda de doble fotoánodo son 5,990 y 8,088 Ω cm², respectivamente. El menor R_ct1 de Cu₂S granular indica mejor conductividad debido a su menor resistencia de transferencia de carga.

El flujo de fotones dentro de un absorbedor 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 PQ en posición x, bs(E) es el flujo de fotones recibido en dirección vertical a irradiación solar, R(E) es la reflectividad de la interfaz, y α(E, x) es el coeficiente de absorción en posición x. CPV recoge luz incidente sobre área grande y la enfoca en pequeña área de celda solar para conversión fotovoltaica. Factor de concentración X es parámetro importante para describir rendimiento de celdas solares concentradoras, que es las veces aumentadas de densidad de flujo de fotones b(E) y también aproximado como la relación del área de luz incidente recogida al área de celdas solares. Podría considerarse que la luz enfocada es uniforme dentro del medio ángulo de concentración (θ_X), y las veces aumentadas de flujo de fotones solar bs(E, x) igual a factor de concentración X. Por tanto, para CPV, Ec. (1) podría expresarse como:

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

La fotocorriente (J_ph) generada por una celda solar bajo condiciones de luz, determinada por flujo de fotones y rendimiento de la celda solar, J_ph es igual a J_sc, y puede expresarse 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. eficiencia cuántica (QE) es función de energía de fotón. Asumimos que el flujo de fotones del colector bs₂ es Y veces el del flujo de fotones superior bs₁, y el J_sc de la celda de doble fotoánodo bajo irradiación desde 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 tanto, la suma de valor J_sc1 bajo condición de irradiación de luz paralela desde lado superior y valor J_sc2 bajo condición de irradiación de luz concentrada desde lado inferior debería ser igual a J_sc1,2 generado por irradiación de luz en ambos lados de la PV. La Ec. (4) es básicamente consistente con resultados J-V en Tabla 1, sin embargo con algunas desviaciones. Como se ve en datos J_sc, la suma de J_sc1 iluminando desde arriba y J_sc2 iluminando desde abajo es un poco menor que J_sc1,2 iluminando desde ambos lados para dispositivos de doble fotoánodo. La desviación debería resultar del efecto fototérmico debido a variación de temperatura de QDSSC bajo 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 desde el reflector parabólico medido por medidor de intensidad de luz es aproximadamente el doble del simulador de luz solar normal; significa que el coeficiente de concentración es 2, mucho menor que dispositivos CPV prácticos. Sin embargo, aún es necesario investigar el efecto de acumulación térmica en la celda. Usamos cámara infrarroja (IR) para monitorear variación de temperatura bajo diferentes condiciones de prueba. La distancia focal del reflector parabólico usado es 6,5 cm. Colocamos el dispositivo fotovoltaico 0,5 cm debajo del punto focal del reflector parabólico para asegurar iluminación completa del área activa, que es ~1,5 cm². Las imágenes de temperatura IR para dispositivos de doble fotoánodo se muestran en Fig. 4b-d, y las condiciones de irradiación correspondientes se muestran en Fig. 4e. Comparado con dispositivos no irradiados, los aumentos de temperatura son 9,3 °C, 20,6 °C, y 32,6 °C, respectivamente. La irradiación de doble lado muestra mayor aumento de temperatura que la suma de irradiaciones separadas desde arriba y abajo, indicando mecanismo adicional del material o interfaz involucrado aquí. La reacción de S²⁻/S_n²⁻ en electrolito e interfaz no es similar bajo diferentes temperaturas. Según fórmula de Arrhenius, la velocidad de reacción química en PV aumenta con aumento de temperatura. Con aumento de temperatura, la reacción redox cerca de electrodos QDSSC se intensificó, acelerando la depleción de huecos fotogenerados en el fotoánodo, reduciendo así grandemente la reacción redox excitada por energía.

Conclusiones

En resumen, diseñamos nueva arquitectura de celda solar integrando concepto CPV en QDSSC con diseño de doble fotoánodo. Para asegurar mejor captación de luz, la malla Cu₂S se usa como contraelectrodo y se coloca entre dos fotoánodos, y el efecto de morfología Cu₂S en rendimiento de celda se investiga y optimiza. Se ha mostrado que el diseño especial logró aumento de 260% en PCE comparado con un solo fotoánodo irradiado desde lado superior. Mientras el voltaje de circuito abierto no cambia, el diseño de doble fotoánodo aumenta grandemente la densidad de corriente y así aumenta PCE. Además, el efecto fototérmico inducido por CPV podría ser útil para mejorar PCE, y se logra PCE campeón de 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²). Debe mencionarse que el presente trabajo proporciona nueva vía para impulsar PCE de QDSSC, pero el diseño de dispositivo específicamente para la parte CPV podría optimizarse más, y el rendimiento de la celda se mejorarían aún más. Creemos que con mejores sensibilizadores PQ y técnicas de diseño de dispositivo, la idea sugerida en el presente trabajo induciría gran progreso en QDSSC y podría expandirse a otras celdas solares.