Electrodos de contraposición MoIn₂S₄@CNT de alto rendimiento para celdas solares sensibilizadas por colorante

Resumen

Un electrodo de contraposición (CE) ternario y compuesto MoIn₂S₄@CNTs con estructura de bola de erizo se sintetizó mediante un método hidrotérmico facil de un paso. La película compuesta MoIn₂S₄@CNTs posee gran área superficial específica mediante prueba de isotermas de adsorción-desorción de N₂, lo que es ventajoso para adsorber más electrolito y proporcionar mayor área de contacto activo para el electrodo. Además, el CE compuesto MoIn₂S₄@CNTs exhibe baja resistencia de transferencia de carga y fina capacidad electrocatalítica demostrada por una serie de pruebas electroquímicas incluyendo voltametría cíclica, impedancia electroquímica y curvas de Tafel. Bajo condiciones óptimas, la DSSC basada en el CE compuesto MoIn₂S₄@CNTs-2 alcanza una impresionante eficiencia de conversión de energía de 8.38%, que supera notablemente a las DSSCs con CE de MoIn₂S₄ (7.44%) y electrodo de Pt (8.01%). El trabajo actual proporciona un proceso de preparación simplificado para DSSCs.

Antecedentes

En décadas recientes, es urgente explotar y utilizar energía renovable sustituyendo combustibles fósiles convencionales con la creciente escasez energética y degradación ambiental. La celda solar sensibilizada por colorante (DSSC) ha atraído amplia investigación por su respeto al medio ambiente, proceso de preparación fácil, rendimiento fotovoltaico brillante, etc. El electrodo de contraposición (CE), como uno de los componentes significativos de una DSSC, juega el papel de recoger electrones del circuito externo y catalizar la reacción de reducción de I₃⁻ a I⁻ en el electrolito líquido. Generalmente, materiales ideales de CE contienen méritos de alta conductividad eléctrica y notable actividad catalítica. Sin embargo, el platino (Pt) como material de CE prevalente y eficiente se limita a aplicación comercial a gran escala debido a debilidades mayores de escasez, costosidad y pobre estabilidad a largo plazo. Por tanto, se han hecho grandes esfuerzos para desarrollar materiales de fácil acceso, costo-efectivos y con actividad catalítica similar a Pt aplicados en DSSC por años.

Hasta ahora, varios tipos de materiales alternativos sobresalientes se han propuesto, como materiales carbonáceos, diclorogenuros de metales de transición, polímeros conductores, aleaciones metálicas y sus compuestos. Entre ellos, los diclorogenuros de metales de transición binarios atrajeron gran atención debido a su estructura única y propiedades químicas. Por ejemplo, el MoS₂ sintetizado en sustrato FTO exhibe estructura en capas de sándwich, mayor área superficial y más sitios de borde activos conduciendo a rendimiento fotoeléctrico extremadamente bueno como CE para DSSC. Mientras tanto, extenso trabajo de investigación enfocado en actividad catalítica para reducción de I₃⁻ también se ha hecho para WS₂, FeS₂, CoS y NiS₂, que fueron comparables o incluso mejores que el electrodo de Pt. No obstante, la característica inherente de estos materiales, como baja conductividad eléctrica y solo dos composiciones químicas fijas, obstaculizó mayor mejora en su actividad catalítica. Por tanto, numerosos métodos dirigidos a superar los mencionados defectos se adoptaron para sintetizar diclorogenuros de metales de transición multinarios ajustando elementos componentes, diseñando estructura y adaptando morfología. Afortunadamente, considerables diclorogenuros de metales de transición multinarios han logrado mejoras significativas en capacidad catalítica para DSSCs, como NiCo₂S₄, MIn₂S₄ (M = Fe, Co, Ni), CuInS₂, CoCuWSx y Ag₈GeS₆, cuya capacidad catalítica es obviamente mucho mejor que la de sus contrapartes binarias.

Además, es ampliamente reconocido que los nanotubos de carbono (CNTs) exhiben características novedosas considerables de gran área superficial específica, superb conductividad eléctrica, alta resistencia mecánica y estabilidad fotoquímica, ampliamente usados en síntesis y modificación de otros materiales. Lamentablemente, los CNTs muestran pobre actividad electrocatalítica para reducción de I₃⁻, lo que limita grandemente su aplicación independiente en dispositivo DSSC. Afortunadamente, gran número de estudios han mostrado que el CE compuesto modificado con CNTs todos obtuvieron rendimiento fotoeléctrico grandemente mejorado para DSSCs. Liu et al. reportaron una estructura jerárquica tipo flor de Cu₂MnSnS₄/CNT (CMTS/CNT) CE vía método solvotérmico en DSSC ganó eficiencia de conversión fotoeléctrica de 8.97%, mucho mayor que DSSCs con CMTS (6.21%) y Pt (8.37%) CEs.

Basado en las consideraciones anteriores, en este estudio, un CE compuesto MoIn₂S₄@CNT de DSSC con estructura de bola de erizo se sintetizó usando un método hidrotérmico facil de un paso y se esperaba mejorar mayor rendimiento de dispositivo. Resultados de microscopio electrónico de barrido muestran que diferentes contenidos de CNT resultan en cambios visibles en morfología. Según una serie de caracterizaciones electroquímicas incluyendo voltametría cíclica (CV), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y pruebas de curvas de Tafel, el CE MoIn₂S₄@CNTs indica notable actividad catalítica y fina resistencia de transferencia de carga. La DSSC ensamblada con CE MoIn₂S₄@CNTs con contenido adecuado alcanza una superior eficiencia de conversión de energía de 8.38%, mejor que la DSSC basada en CE de Pt (8.01%).

Métodos

Materiales

Molibdato de sodio dihidratado (Na₂MoO₄·2H₂O), cloruro de indio tetrahidratado (InCl₃·4H₂O) y tioacetamida (TAA) se compraron de Shanghai Chemical Agent Ltd., China, usados directamente sin purificación adicional. Nanotubos de carbono (CNTs) se obtuvieron de Aladdin Chemical Agent Ltd., China. El colorante comercial Z907 se obtuvo de Solaronix Ltd. (Suiza). El vidrio de SnO₂ dopado con flúor (FTO), comprado de NSG, Japón (15 Ω sq⁻¹), se limpió con detergente, acetona y alcohol etílico en secuencia tras cortar en cuadrados de 1.5 cm × 2.0 cm.

Preparación de fotoánodos porosos de TiO₂

El coloide de TiO₂ se preparó como nuestro trabajo previo. Los fotoánodos de TiO₂ sensibilizados por colorante se fabricaron como sigue: Primero, cinta 3-M (50 μm gruesa) con área expuesta de 0.283 cm² se adhirió en FTO. Posteriormente, el coloide de TiO₂ preparado se recubrió usando método de recubrimiento por cuchilla. Segundo, el electrodo de TiO₂ seco se sinterizó a 450 °C por 30 min en horno de mufla. Después, el electrodo de TiO₂ se sumergió en solución acuosa de tetracloruro de titanio (TiCl₄) 40 mM a 70 °C por 30 min, y luego se recoció en aire a 450 °C por 30 min. Tras enfriar a temperatura ambiente, el electrodo de TiO₂ se sumergió en solución de etanol absoluto de colorante Z907 (0.3 mM) por 24 h para adsorbir colorantes suficientes y obtener el fotoánodo de TiO₂ sensibilizado por colorante resultante.

Fabricación de CE ternario MoIn₂S₄@CNTs

Las películas delgadas de MoIn₂S₄ se crecieron directamente sobre sustratos FTO por un enfoque simple referido a nuestro reporte previo. En una preparación típica, 0.0696 g Na₂MoO₄·2H₂O, 0.169 g InCl₃·4H₂O y 0.1394 g TAA se dispersaron en 30 ml agua desionizada bajo ultrasonido por 2 h hasta que todos los reactivos se disolvieron. Los sustratos FTO prelimpiados se colocaron en un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón de 100 ml con el lado conductor hacia arriba antes de transferir la mezcla precursora anterior. Tras sellar, el autoclave se colocó en horno y calentó a 200 °C por tiempo de reacción de 15 h. Los sustratos de vidrio FTO cubiertos con materiales MoIn₂S₄ se sacaron del autoclave, lavados con etanol, agua desionizada, y luego secados en aire a 60 °C por 12 h.

Para estudiar el impacto de contenidos de CNT en el CE compuesto fabricado y rendimiento de DSSC, se condujeron diferentes contenidos de CNTs agregados al precursor, incluyendo tres muestras en las que la cantidad de CNTs fueron 10, 20 y 30 mg, respectivamente, manteniendo los otros reactivos y procesos de fabricación inalterados. Las muestras anteriores se marcaron MoIn₂S₄ (0 mg), MoIn₂S₄@CNTs-1 (10 mg), MoIn₂S₄@CNTs-2 (20 mg) y MoIn₂S₄@CNTs-3 (30 mg).

Para comparación, un CE de Pt pirólisis se empleó como CE de referencia. La solución de H₂PtCl₆ en isopropanol (0.50% en peso) se gotearon sobre la superficie del vidrio FTO, y luego se sinterizó a 450 °C en horno de mufla por 30 min para fabricar el CE de Pt.

Fabricación de DSSCs

Las DSSCs con estructura de sándwich se construyeron sujetando los CEs de muestra (incluyendo MoIn₂S₄, varios MoIn₂S₄@CNTs y CEs de Pt) junto con el fotoánodo de TiO₂ sensibilizado por colorante preparado. Surlyn se usó como espaciador entre electrodos y seguido por llenar el espacio intermedio con electrolito redox líquido que consistía en 0.60 M yoduro de tetrabutilamonio, 0.10 M yoduro de litio, 0.05 M yodo y 0.50 M 4-terc-butil-piridina en solución de acetonitrilo.

Caracterizaciones

La composición química de elementos de las muestras se caracterizó usando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) (Kratos Axis Ultra). Las características morfológicas de muestras se observaron por microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM, JSM-7001F). El método BET de área superficial específica se empleó usando analizador JW-K por absorción de nitrógeno para probar área superficial y distribución de tamaño de poro. Las otras propiedades electroquímicas relevantes se investigaron por estación de trabajo electroquímica CHI660E. La espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se realizó en rango de frecuencia de 0.1–10⁵ Hz con amplitud de perturbación de 5 mV. Los rendimientos fotovoltaicos de DSSCs se realizaron midiendo curvas de característica corriente densidad-voltaje (J-V) bajo irradiación de 100 mW cm⁻² del simulador solar (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd).

Resultados y Discusiones

Composición y Morfología

El XPS se emplea para examinar las composiciones superficiales y estados químicos de cada elemento en películas MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs. El espectro de datos de sondeo en muestras MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs-2 se demuestra en Fig. 1a para verificar la presencia de elementos Mo, In, S y C (como referencia). Además, todos los espectros de las cuatro muestras, calibrados por el pico C 1s a energía de enlace de 284.6 eV, se analizan mediante método de ajuste gaussiano mostrando en Fig. 1b y c. El pico C 1s aparecido en muestra MoIn₂S₄ es bien conocido por originarse del carbón adventicio causado por exposición al aire. En la región Mo 3d, dos picos mayores a 228.8 y 232.1 eV se asignan a Mo 3d5/2 y Mo 3d3/2 de MoS₂, respectivamente. Este resultado confirma que el elemento Mo está en su estado de oxidación IV, reducido a Mo⁴⁺ (MoIn₂S₄) desde Mo⁶⁺ (Na₂MoO₄). Los picos dobles a energías de enlace de 445.2 y 452.2 eV corresponden a In 3d5/2 y In 3d3/2. En cuanto a espectros XPS de S 2p, los picos ubicados a 161.8 y 163.1 eV pertenecen a S 2p3/2 y 2p1/2, respectivamente, atribuidos a S₂⁻. Los resultados anteriores concuerdan bien con nuestros estudios previos. Además, no se encuentra otro elemento o pico extra en el sondeo, reconfirmando que las muestras sintetizadas tienen composiciones químicas y estructura similares.

Figura 1. Espectros XPS de las muestras

Las morfologías superficiales de nanofilms MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs preparados se observan por imágenes SEM en Fig. 2. En Fig. 2a, muestra MoIn₂S₄ exhibe estructura de nano-hojas tipo pétalo con superficie uniforme, lisa y densa. A diferencia de nanofilms MoIn₂S₄, la estructura de bola de erizo se encuentra en muestras MoIn₂S₄@CNT en Fig. 2b–d, y el diámetro promedio de nanoesferas MoIn₂S₄@CNTs es alrededor de 890 nm. Es fácil observar que tantas nano-hojas de red están completamente crecidas en el sustrato FTO. Comparado con muestras MoIn₂S₄@CNT con bajo (MoIn₂S₄@CNTs-1) y alto (MoIn₂S₄@CNTs-3) contenidos de CNT, la muestra con contenido moderado (MoIn₂S₄@CNTs-2) exhibe más bolas de erizo y nano-hojas de red en la red de MoIn₂S₄. Un buen rendimiento de contacto entre la estructura de red de nano-hojas con gran número de bolas de erizo en sustrato FTO facilita la reducción de I₃⁻ atribuida a su buena conductividad y vastos sitios catalíticos activos, lo que puede predecir que el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 logrará mejor rendimiento que CEs MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1 y MoIn₂S₄@CNTs-3. Además, morfologías disímiles entre MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs indican que los CNTs juegan papel fundamental en controlar morfología de las muestras.

Figura 2. Imágenes SEM de a) MoIn₂S₄, b) MoIn₂S₄@CNTs-1, c) MoIn₂S₄@CNTs-2, d) MoIn₂S₄@CNTs-3

La Figura 3 muestra los patrones XRD de varias muestras. Entre ellos, los picos de difracción a 25.74 y 42.85° atribuyen a señales de CNTs. Los picos de difracción a 2θ = 27.5, 33.4, 43.7, 47.9, 56.2 y 59.6° pertenecen a planos cristalográficos (311), (400), (511), (440), (533) y (444) de In₂S₃ (tarjeta JCPDS no. 32-0456). Los picos a 14.4 y 66.5° se refieren a planos de cristal (002) y (114) de estructura cúbica (tarjeta JCPDS no. 37-1492) para MoS₂. De las muestras MoIn₂S₄@CNTs-2 y MoIn₂S₄, los picos discutidos aparecen bien en ambas muestras. Comparado con muestra MoIn₂S₄, el pico para CNTs a 25.74° se ve claramente en patrones XRD de MoIn₂S₄@CNTs-2. Así, se puede inferir que los materiales MoIn₂S₄@CNTs-2 se sintetizan exitosamente y no hay introducción de impurezas.

Figura 3. Patrones XRD de varias muestras

Las isotermas de adsorción-desorción de N₂ se midieron y muestran en Fig. 4 para explorar áreas superficiales específicas y características de poro. Generalmente, mayor área superficial específica facilita transmisión de carga más conveniente en la interfaz CE/electrolito. Se demuestra en Fig. 4 que las muestras poseen un evidente bucle de histéresis de comportamiento de adsorción-desorción tipo IV, y sus datos correspondientes calculados por métodos Brunauer-Emmett-Teller (BET) y Barrett-Joyner-Halenda (BJH) se tabulan en Tabla 1. Por comparación, es fácil encontrar que el área superficial específica y diámetro de poro promedio de muestras MoIn₂S₄@CNT son mucho mejores que MoIn₂S₄. Entre las tres muestras MoIn₂S₄@CNT, MoIn₂S₄@CNTs-2 muestra el mayor área superficial específica de 66.80 m² g⁻¹ y el menor diámetro de poro promedio de 17.8 nm, atribuible a la excelente estructura de bola de erizo tras dopaje de CNTs moderados. Es razonable creer que el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 obtendrá fina actividad catalítica y por tanto logrará rendimiento de dispositivo altamente eficiente.

Figura 4. Isotermas de absorción-desorción de N₂ de varias muestras

Propiedades electroquímicas

Medidas CV se realizan para estudiar el comportamiento electrocatalítico de las muestras obtenidas en rango de potencial de -0.6 a 1.0 V a velocidad de barrido de 60 mV s⁻¹ para CEs MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs, y los valores calculados se resumen en Tabla 1. Los picos izquierdos de los dos pares de picos de oxidación y reducción en cada curva CV en Fig. 5a se atribuyen a la ecuación (I₃⁻ + 2e⁻ ↔ 3I⁻), que determina el rendimiento de actividad electrocatalítica de materiales de CE, especialmente en DSSCs. Los valores de densidad de corriente de pico de reducción negativa (Jpc), parámetro clave en prueba CV, siguen el orden: Pt (3.80 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄ (4.31 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-1 (4.68 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-3 (5.09 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-2 (7.47 mA cm⁻²). Evidentemente, el CE MoIn₂S₄ tiene buena actividad catalítica, y el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 exhibe Jpc mucho mayor que el de Pt, CEs MoIn₂S₄ y los otros dos tipos de CEs MoIn₂S₄@CNTs, atribuible a su morfología superficial distintiva, efecto sinérgico de CNTs dopados y mayor área superficial. Los resultados indican que el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 tiene fina actividad electrocatalítica para la pareja redox I⁻/I₃⁻ en CEs de DSSC. La Figura 5b muestra las curvas CV del CE MoIn₂S₄@CNTs-2 a velocidad de barrido de 60 mV s⁻¹ y casi no cambian con 50 ciclos, indicando que el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 posee excelente estabilidad electroquímica.

Figura 5. a) CVs de varios CEs a velocidad de barrido de 60 mV s⁻¹. b) 50 ciclos CV del CE MoIn₂S₄@CNTs-2

La Figura 6a–c muestra los CVs de CEs MoIn₂S₄@CNTs a diferentes velocidades de barrido. Con velocidades de barrido aumentando de 20 a 120 mV s⁻¹, los picos de oxidación y reducción se desplazan hacia direcciones positiva y negativa debido a las rápidas difusiones de la pareja redox I⁻/I₃⁻ en superficies de CEs y gran polarización electroquímica. Además, Fig. 6d muestra la relación entre densidades de corriente de picos anódicos y catódicos de pares de picos izquierdos contra la raíz cuadrada de velocidades de barrido. Las relaciones lineales bien ajustadas indican que la reacción redox de I⁻/I₃⁻ está dominada por transporte iónico controlado por difusión.

Figura 6. CVs de CEs MoIn₂S₄@CNTs a diferentes velocidades de barrido a) MoIn₂S₄@CNTs-1, b) MoIn₂S₄@CNTs-2, c) MoIn₂S₄@CNTs-3, d) influencia de la velocidad de barrido en densidad de corriente de picos redox

La Figura 7a muestra los gráficos de Nyquist de diferentes muestras para mayor insight en la cinética del proceso de transferencia de carga interfacial. Los datos EIS obtenidos de curvas ajustadas con circuito equivalente modelo del inserto se listan en Tabla 2. Típicamente, los gráficos de Nyquist contienen dos semicírculos, el primer semicírculo a la izquierda representa la resistencia de transferencia de carga Rct en la interfaz CE y electrolito, y el segundo semicírculo corresponde a la impedancia de difusión de Nernst en el electrolito, mientras la intersección de la curva en la región de alta frecuencia en el eje real se conoce como resistencia en serie Rs. En general, Rs y Rct son dos parámetros vitales para evaluar la actividad catalítica de CE en DSSC. Un pequeño Rs indica buen contacto entre catalizador y sustrato, y por tanto la resistencia del dispositivo completo también es pequeña. Mientras tanto, poco Rct representa alta tasa de transferencia de carga. Como se presenta en Tabla 2, los valores de Rs de CEs MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, MoIn₂S₄@CNTs-2 y MoIn₂S₄@CNTs-3 son 24.77, 23.16, 18.96 y 19.58 Ω cm², respectivamente. Obviamente, todos los CEs compuestos MoIn₂S₄@CNTs tienen menor Rs que el CE MoIn₂S₄, indicando que la conductividad de CEs MoIn₂S₄@CNTs se mejora tras dopaje de CNTs. Además, entre los cuatro CEs, las tendencias de Rct es MoIn₂S₄ > MoIn₂S₄@CNTs-1 > MoIn₂S₄@CNTs-3 > MoIn₂S₄@CNTs-2, sugiriendo orden inverso de impedancia electroquímica y capacidad catalítica de CEs. El CE MoIn₂S₄@CNTs-2 posee el menor valor de Rct atribuible a la sinergia de CNTs con fina conductividad y MoIn₂S₄ con excelente capacidad catalítica, resultando en reducción más efectiva de triyoduro en la interfaz CE/electrolito. Aparentemente, la conductividad y capacidad catalítica de CEs compuestos MoIn₂S₄@CNTs ha mejorado grandemente que la de CE MoIn₂S₄, y el resultado es completamente consistente con pruebas BET y CV.

Figura 7. a) EIS y b) Curvas de Tafel de CEs simétricos MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, MoIn₂S₄@CNTs-2, MoIn₂S₄@CNTs-3

Las curvas de polarización de Tafel de varios CEs se miden como se muestra en Fig. 7b, y los valores de parámetros correspondientes se resumen en Tabla 2. Normalmente, una curva de Tafel estándar incluye dos parámetros significativos nombrados densidad de corriente de intercambio (J₀) y densidad de corriente de difusión límite (Jlim). J₀ está relacionada con la reacción de reducción catalítica. Cuanto mayor es J₀, mejor el efecto catalítico. Jlim también está positivamente relacionada con la eficiencia de difusión de electrolito. Mayor Jlim indica difusión más rápida de iones I₃⁻. Como se presenta en Fig. 7b y Tabla 2, Jlim y J₀ están todos en orden: Pt < MoIn₂S₄ < MoIn₂S₄@CNTs-1 < MoIn₂S₄@CNTs-3 < MoIn₂S₄@CNTs-2, sugiriendo que la actividad catalítica del CE MoIn₂S₄@CNTs-2 ha mejorado grandemente tras dopaje de CNTs. Entre los CEs anteriores, el CE MoIn₂S₄@CNTs-2 gana la mejor actividad catalítica comparada con los otros. El mayor Jlim y J₀ del CE MoIn₂S₄@CNTs-2 se atribuye a su gran área superficial específica hecha de estructura de bola de erizo y conductividad mejorada por dopaje de CNTs.

Rendimiento fotovoltaico de DSSCs

Para contraste, las DSSCs con CEs MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs y Pt se preparan con fotoánodos y electrolito uniformes. Las curvas características J-V se miden bajo 1 sol (AM 1.5 G, 100 mW cm⁻²) y los valores de parámetros fotovoltaicos correspondientes se listan en Tabla 3. Cuatro parámetros clave incluyendo densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), voltaje de circuito abierto (Voc), factor de llenado (FF) y eficiencia de conversión de energía (η) se adoptan usualmente para evaluar el rendimiento fotovoltaico de DSSCs. FF y η de DSSCs se calculan según Eqs. (1) y (2): η (%) = (Vmax × Jmax / Pin) × 100% = (Voc × Jsc × FF / Pin) × 100%; FF = (Vmax × Jmax) / (Voc × Jsc), donde Pin es la potencia de luz incidente y Jmax (mA cm⁻²) y Vmax (V) son la densidad de corriente y voltaje en el punto de máxima potencia de salida en curvas J-V, respectivamente.

Como se ve en Fig. 8, las DSSCs con CEs MoIn₂S₄ y CNTs tienen eficiencia de conversión de energía de 7.44% y 3.62%. Comparado con DSSCs con CEs MoIn₂S₄ y CNTs, las DSSCs ensambladas con tres CEs MoIn₂S₄@CNTs exhiben mejora en valores de Jsc y η. Además, los valores de Jsc y η de DSSCs basadas en CEs MoIn₂S₄@CNTs aumentan con contenidos de CNT aumentando de 10 a 20 mg. Mientras que el aumento adicional de contenido de CNT a 30 mg resulta en ligero descenso para Jsc y η. Comparado con DSSC basada en Pt, todas las tres DSSCs basadas en MoIn₂S₄@CNTs exhiben η mejorada de 8.16%, 8.31% y 8.38%, superiores a DSSC basada en Pt (η de 8.01%) bajo misma condición. Especialmente, la DSSC ensamblada con CE MoIn₂S₄@CNTs-2 muestra el mejor rendimiento fotovoltaico y alcanza η de 8.38%, con su correspondiente Jsc de 17.17 mA cm⁻², Voc de 0.745 V y FF de 0.655. La propiedad fotoeléctrica mejorada de la DSSC con CE MoIn₂S₄@CNTs-2 se debió al efecto sinérgico de CNTs y MoIn₂S₄.

Figura 8. Características J-V de DSSCs fabricadas con diferentes CEs

Conclusiones

Los electrodos de contraposición ternarios MoIn₂S₄ y MoIn₂S₄@CNTs se fabrican en sustrato FTO usando un método hidrotérmico facil de un paso y se sirven en DSSCs. Bajo condiciones óptimas, las DSSCs basadas en CEs MoIn₂S₄@CNTs todas logran buena eficiencia de conversión de energía. Especialmente, la DSSC con CE compuesto MoIn₂S₄@CNTs-2 exhibe buena eficiencia de conversión de energía de 8.38%, mucho mayor que DSSCs con CE MoIn₂S₄ (7.44%) y electrodo de Pt (8.01%). La propiedad fotoeléctrica mejorada de la DSSC con CE MoIn₂S₄@CNTs-2 se debió al efecto sinérgico de CNTs y MoIn₂S₄. Mientras tanto, el efecto sinérgico del CE MoIn₂S₄@CNTs en rendimiento electroquímico se confirmó desde una serie de pruebas electroquímicas incluyendo voltametría cíclica, impedancia electroquímica y curvas de Tafel. La película compuesta MoIn₂S₄@CNTs posee gran área superficial específica mediante prueba de isotermas de adsorción-desorción de N₂, ventajosa para adsorber más electrolito y proporcionar mayor área de contacto activo para el electrodo. Los hechos del CE MoIn₂S₄@CNTs sirviendo en DSSC amplían las aplicaciones potenciales de semiconductores complejos de metales de transición en el campo de la química optoelectrónica.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los conjuntos de datos en los que se basan las conclusiones del manuscrito se presentan en el artículo principal.

Abreviaturas

CE:

Electrodo de contraposición

CV:

Voltametría cíclica

DSSC:

Celda solar sensibilizada por colorante

I⁻/I₃⁻:

Yoduro/triyoduro

J₀:

Densidad de corriente de intercambio

Jlim:

Densidad de corriente límite

Jmax:

Densidad de corriente máxima

Jsc:

Densidad de corriente de cortocircuito

J-V:

Fotocorriente-fotovoltaje

Pin:

Potencia de luz incidente

Rct:

Resistencia de transferencia de carga

Rs:

Resistencia en serie

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

Vmax:

Voltaje máximo

Voc:

Voltaje de circuito abierto