Aumentando a Eficiência de Conversão de Energia de Células Solares Sensibilizadas a Pontos Quânticos pela Integração do Conceito Fotovoltaico de Concentração com Fotoanodos Duplos

Resumo

Apesar dos grandes esforços dedicados para melhorar a eficiência de conversão de energia (PCE) de células solares sensibilizadas por pontos quânticos (QDSSCs) nas últimas duas décadas, a eficiência dos QDSSCs ainda está muito aquém de seu valor teórico. As abordagens atuais para melhorar o PCE estão focadas principalmente em adaptar o bandgap de QDs para ampliar a coleta de luz e otimizar as interfaces de peças componentes. Aqui, uma nova arquitetura de célula solar é proposta integrando o conceito de célula solar de concentração (CPV) em QDSSCs com design de fotoanodo duplo. O Cu ₂ A malha S é usada como contra-eletrodo e imprensada entre dois fotoanodos. Esta estrutura de bateria projetada pode aumentar o PCE em 260% em comparação com um único fotoanodo. Com os sensibilizadores CdS / CdSe QD mais amplamente usados, um campeão PCE de 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ^- 2) foi alcançado. Isso se deve principalmente ao aumento em J _sc devido ao desenho de fotoanodo duplo e adoção do conceito CPV. Além disso, outra razão é que a iluminação solar concentrada induziu um efeito fototérmico, acelerando as reações químicas anteriores associadas à conversão de espécies de polissulfeto. A fabricação e o design da célula relatados aqui fornecem uma nova visão para o desenvolvimento de QDSSCs.

Introdução

Como um tipo de dispositivo de conversão fotoelétrico promissor e comparativamente econômico, as células solares sensibilizadas por pontos quânticos (QDSSCs) têm atraído grande atenção devido à sua alta eficiência teórica de conversão de energia (PCE) [1, 2]. Os QDSSCs herdam a estrutura das células solares sensibilizadas por corante, incluindo fotoanodo (normalmente, uma camada de semicondutor de óxido poroso com um largo bandgap coberto por QDs semicondutores como sensibilizadores), eletrólito líquido e contra eletrodo. A fim de melhorar o PCE celular para aplicação comercial potencial, várias estratégias foram investigadas principalmente do ponto de vista do material, envolvendo a síntese de novos sensibilizadores QD para ampliar a faixa de coleta de luz; preparação de fotoanodos com diferentes nanoestruturas, como filme poroso [3], nanotubo [4, 5] e nanobastão para melhor extração de elétrons [6, 7]; fabricação de fotoanodo dopado com metal nobre usando ressonância de plasmon de superfície localizada [8, 9]; desenvolver sulfeto e outros contadores para substituir o contador de Pt; sintetizar diferentes eletrólitos; e assim por diante.

Um dos fatores mais importantes que limitam a eficiência da conversão fotoelétrica dos QDSSCs é a estreita faixa de absorção da radiação solar [10]. A região de absorção é fortemente dependente da película fina de fotoanodo e QDs. Estreitar o bandgap de QDs é uma maneira eficaz de ampliar a faixa de coleta de luz. Zhong et al. sintetizou QDs com liga de Zn-Cu-In-Sn e melhorou muito o PCE de QDSSCs, estabelecendo vários registros de PCE de QDSSCs [11,12,13]. Atualmente, o maior PCE de QDSSCs relatado é de 14,02%, alcançado por Zhao et al. [14]. Em seu trabalho, os QDs com liga de Zn-Cu-In-Sn foram usados como um sensibilizador, e o contraeletrodo (CE) é CuS dopado com nanotubos de carbono e grafeno, que iniciou um novo nível de PCE de QDSSCs. No entanto, diminuir excessivamente o bandgap para aumentar a captação de luz solar irá induzir a perda de tensão de circuito aberto e diminuir o desempenho do dispositivo devido ao downshift da borda da banda de condução.

Para melhorar ainda mais o desempenho da célula, a configuração do dispositivo foi levada em consideração. Em células solares sensibilizadas por corante e células solares de pontos quânticos coloidais [15], estruturas em tandem já foram usadas como uma abordagem significativa para romper as limitações do PCE [16, 17]. Para a maioria das estruturas em tandem de células solares sensibilizadas por corante, um Pt semitransparente em vidro condutor ou malha de Pt é aplicado no meio da célula como o contra-eletrodo [18]. TiO ₂ os filmes são separados em duas ou mais camadas sensibilizadas pelo mesmo ou por corantes diferentes, o que pode ampliar a resposta espectral e, assim, melhorar significativamente o desempenho da célula [19,20,21]. Para QDSSCs, Meng et al. projetar uma estrutura de fotoanodo duplo com uma malha semi-transparente estruturada Cu ₂ Eletrodo de contador S imprensado entre dois TiO ₂ fotoeletrodos. Sob a iluminação solar do eletrodo superior, a célula otimizada mostra um aumento de 12% no PCE [22]. Em seu trabalho, a estrutura tandem foi usada em QDSSCs pela primeira vez. No entanto, a eficiência de utilização de luz da estrutura em tandem da bateria é limitada. Xu et al. demonstraram a redução de polissulfeto intensificada por luz NIR na interface eletrodo-eletrólito iluminando o contra-eletrodo CuS com luz NIR, mostrando um aumento de 15% no PCE, que é atribuído ao efeito fototérmico e absorção de ressonância plasmônica [23].

Graças aos grandes esforços nas últimas décadas, o PCE de QDSSCs pode ser comparado ao do dispositivo paralelo, célula solar sensibilizada por corante. No entanto, a eficiência dos QDSSCs ainda está muito aquém de seu valor teórico e ainda precisa ser resolvido para aplicação comercial. Portanto, explorar uma nova estratégia para impulsionar o PCE de QDSSCs ainda é uma tarefa urgente. Aqui, integramos o conceito de concentração fotovoltaica em QDSSCs com TiO poroso duplo ₂ photoanodes e Cu ₂ Projeto de contraeletrodo de malha S [24], alcançando um aumento de 260% no PCE em comparação com o dispositivo tradicional de fotoanodo único. Com os sensibilizadores CdS / CdSe QD mais amplamente usados, um campeão PCE de 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) é alcançado.

O gerenciamento da luz como uma importante tecnologia para melhorar a eficiência de conversão em células solares visa aumentar o fluxo de fótons recebido pelas células solares [25]. A estrutura de captura de luz é um método comumente usado para gerenciamento de luz, incluindo espelhos [26, 27], superfícies lambertianas [28] e superfícies texturizadas [29, 30]. Pelo efeito de captura de luz, o comprimento do caminho óptico é aumentado, melhorando assim o PCE das células solares. Uma das estruturas básicas de captura de luz é preparar um espelho na superfície posterior da célula solar, e a refletividade do espelho pode chegar a 95% [31]. Inspirada na discussão acima, a Fig. 1 ilustra a arquitetura do dispositivo usada no presente trabalho. TiO duplo ₂ projeto de fotoanodo é adotado, que é separado por Cu ₂ Malha S como contra-eletrodo. A espessura do TiO ₂ o fotoanodo tem cerca de 4,5 μm, o que pode ser visto na Fig. S1. A célula superior e a célula inferior usam o mesmo material e estrutura, portanto, não é necessário considerar a constante de rede e o coeficiente de expansão de diferentes materiais semicondutores nos dois fotoanodos. O Cu ₂ S crescido na malha de Cu como o contra-eletrodo permite que a luz transmitida da célula superior chegue ao fotoanodo inferior. Os materiais do bandgap largo na parte superior filtram os fótons de alta energia, e os fótons de baixa energia passam por eles e são então absorvidos pelos materiais do bandgap estreito na célula inferior. Aparentemente, o PCE da estrutura de fotoanodo duplo é maior do que a estrutura de fotoanodo único porque a estrutura de fotoanodo duplo pode capturar mais luz e, assim, aumentar a densidade de corrente. No entanto, iluminar apenas na direção superior induz apenas um aumento de 18% no PCE em comparação com um único dispositivo de fotoanodo, como mostrado mais tarde, que é devido à forte absorção e reflexão da luz solar pela célula superior, deixando densidade de luz inadequada para a célula inferior [22].

Diagrama esquemático do design da célula no presente trabalho

Considerando que a luz capturada da célula inferior é limitada, introduzimos o conceito de célula fotovoltaica concentradora (CPV) no dispositivo atual [32, 33] e configuramos um refletor parabólico sob o fotoanodo inferior. Os sistemas CPV usam elementos ópticos para focar a luz em uma pequena área de células solares, o que melhora a eficiência da tecnologia fotovoltaica enquanto minimiza os custos. A redução da área celular pode fazer o custo do CPV competir com o fotovoltaico de tela plana. Conforme mostrado na Fig. 1, o refletor parabólico torna a luz focalizada no fotoanodo inferior. Ao controlar a distância entre o refletor e o fotoanodo inferior, a área ativa pode ser ajustada para coincidir com a área da célula. Além disso, a luz aumentada pode transmitir e chegar ao fotoanodo superior, fornecendo energia de excitação adicional para a coleta de luz. Obviamente, o efeito fototérmico causado pelo CPV deve ter um impacto no desempenho do PV [34], que será discutido em detalhes posteriormente.

Métodos

Materiais

Dióxido de titânio (99,8%, 10-25 nm, TiO ₂ ) e sulfito de sódio (AR, Na ₂ SO ₃ ) foram fornecidos pela Aladdin. O vidro condutor de óxido de estanho dopado com flúor (FTO, espessura de 1,6 mm, transmitância 83%, resistência da folha 15 / quadrado) foi adquirido de Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China). Metanol (AR, CH ₃ OH), etanol (AR, CH ₃ CH ₂ OH) e acetona (AR, CH ₃ OCH ₃ ) foram fornecidos pela Beijing Chemical Works (China). Etilenodiamina (AR, C ₂ H ₈ N ₄ ) e selênio (AR, Se) foram adquiridos do Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China). Ácido clorídrico (36%, HCl), etilcelulose etoce (AR, [C ₆ H ₇ O ₂ (OC ₂ H ₅ ) ₃ ] _n ), alfa-terpineol (AR, C ₁₀ H ₈ O), acetato de cádmio (AR, Cd (CH ₃ COOH) ₂ ), acetato de zinco (AR, Zn (CH ₃ COOH) ₂ ), sulfeto de sódio (AR, Na ₂ S ∙ 9H ₂ O), enxofre (AR, S) e tioureia (AR, CH ₄ N ₂ S) foram fornecidos por Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Ácido nitrilotriacético trissódico (98%, C ₆ H ₉ NNa ₃ O ₆ ) foi adquirido da TCI (Xangai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China). A malha de latão foi fornecida pela Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).

Preparação do Cu ₂ Contra-eletrodo S

A tela de latão foi embebida em HCl (36%) por 2 h a 70 ° C para remover o zinco da superfície da tela de Cu. A rede de cobre foi enxaguada com água desionizada e seca à temperatura ambiente após a remoção da rede de cobre da solução. Em seguida, a malha de Cu foi imersa em uma solução aquosa contendo Na ₂ 1 M S e 1 M S por 5 s para obter o floco Cu ₂ S, seguido de lavagem com água desionizada e secagem à temperatura ambiente. Para preparar Cu granular ₂ S, a malha de Cu tratada com HCl (36%) foi imersa em uma solução mista de CH ₄ N ₂ S (0,01 M) e C ₂ H ₈ N ₄ (0,4 ml) por 24 h, seguido de lavagem com água desionizada e secagem à temperatura ambiente.

Preparação de CdS / CdSe QDs co-sensibilizado TiO ₂ Photoanode

TiO ₂ filme mesoporoso foi preparado por spin-coating de uma pasta contendo TiO ₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C ₁₀ H ₈ O (3,245 g), e CH ₃ CH ₂ OH (8,5 ml) em substratos de FTO limpos, que foi seco em um forno a 60 ° C e seguido de recozimento a 450 ° C por 30 min para remover os solventes orgânicos. A velocidade de rotação do aplicador de centrifugação é 7500 rpm por 30 s. O processo sucessivo de adsorção e reação em camada iônica (SILAR) foi empregado para depositar os CdS QDs. Normalmente, o TiO ₂ o filme foi mergulhado alternadamente em solução de metanol de Cd (CH ₃ COOH) ₂ (0,12 M) e Na ₂ Solução de S (0,02 M com metanol e água desionizada 1:1 v / v) por 30 S em cada ciclo para um total de 5 ciclos. Os CdSe QDs foram revestidos pelo método de deposição em banho químico (CBD). Em detalhes, uma solução contendo Cd ²⁺ e Se ²⁻ fonte foi preparada pelo seguinte método. 1,55 g de Na ₂ SO ₃ foi dissolvido em 25 ml de água desionizada. 0,155 g Se em pó como Se ²⁻ fonte foi adicionada à solução acima. A solução obtida foi aquecida com um banho de óleo a 125 ° C durante 3 h sob agitação. O Cd ²⁺ solução foi preparada pela mistura de 25 ml de solução de água desionizada de ácido nitrilotriacético (120 mM) e 25 ml de Cd (CH ₃ COO) ₂ solução de água desionizada (80 mM). Então, o Se ²⁻ preparado solução e Cd ²⁺ solução foram misturados. Os fotoanodos revestidos com CdS conforme preparados foram colocados na solução misturada acima a 24 ° C durante 2 h no escuro. Para a passivação de ZnS, os filmes sensibilizados foram depositados por imersão em Zn 0,1 M (CH ₃ COO) ₂ e 0,1 M Na ₂ Soluções S (com metanol e água 1:1 v / v) por 1 min alternadamente e 4 ciclos. A área ativa da célula solar é de 0,25 cm ² . O eletrólito de polissulfeto (2 M Na ₂ A solução S e 2 M de S com metanol e água desionizada 7:3 v / v) foi transfundida na célula através do injetor.

Medição eletroquímica

A análise eletroquímica foi realizada pela estação de trabalho eletroquímica DyneChem, e platina e Ag / AgCl são usados como contra-eletrodo e eletrodo de referência, respectivamente. O voltamograma cíclico e as curvas de polarização tafel foram testados em eletrólito polissulfeto 2 M. Os gráficos de Nyquist de QDSSCs estão sob a iluminação de uma intensidade solar total. A tensão usada durante as medições EIS é 0,5 V.

Caracterização

A morfologia da superfície foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (SEM) (JEOL7610), a caracterização das amostras foi medida por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), e o J - V curvas de QDSSCs foram medidas por medidor de fonte Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). As imagens de temperatura IV são obtidas por FLIR T460.

Resultados e discussão

Existem numerosos materiais nanoestruturados que podem ser usados como contraeletrodos para QDSSCs, incluindo Cu ₂ S, CoS, GeC [35] e NCW [36]. No entanto, o Cu ₂ O contra-eletrodo S baseado em malha de latão exibe atividade catalítica ideal para Sn ²⁻ / S ²⁻ casal redox. Para preparar o Cu ₂ Contra-eletrodo S, dois métodos diferentes são usados. Uma delas é remover o Zn da superfície da malha de latão com ácido clorídrico seguido de imersão da malha em uma solução mista contendo CH ₄ N ₂ S e C ₂ H ₈ N ₄ por 24 h [37]. As imagens SEM de Cu ₂ resultantes Malhas cobertas por S são mostradas na Fig. 2a – c. A imagem SEM ampliada indica o Cu ₂ de estrutura granular S são formados. A vista em corte transversal na Fig. 2d indica a existência de Cu ₂ Filme S no fio de latão, a rachadura entre eles se origina do corte durante a preparação da amostra transversal e a espessura é de cerca de 1,3 μ3samp de seção transversal na Fig. 2e revela que os únicos elementos que existem são Cu e S , e a razão de átomos de Cu para S é de aproximadamente 2. Os espectros de XPS de Cu e S são mostrados na Fig. 2f e h, respectivamente. Os picos de Cu 2p em 952 eV e 932,5ev correspondem à energia de ligação de elétrons de Cu 2p1 / 2 e Cu 2p3 / 2, respectivamente, que é consistente com o Cu ¹⁺ [38]. Os picos observados em S 2p em 163,5 eV e 161 eV correspondem a S 2p1 / 2 e S 2p3 / 2, respectivamente, o que é consistente com S ²⁻ [39]. Esses resultados confirmam a preparação bem-sucedida de Cu ₂ O filme S na malha de latão e a morfologia da superfície devem garantir sua grande área de superfície e atividade catalítica suficiente.

Imagens SEM do Cu ₂ estruturado em malha Contra-eletrodo S: a vista do topo; b , c visão ampliada da morfologia da superfície; d visão transversal e visão ampliada do Cu ₂ Camada S. e EDS de Cu ₂ S. f , g Espectros de pesquisa XPS de Cu ₂ S amostras

O outro método foi amplamente utilizado em relatórios anteriores, nos quais a malha de latão é primeiramente colocada em ácido clorídrico e, posteriormente, mergulhada no eletrólito de polissulfeto (1 M Na ₂ S e 1 M S) por um tempo adequado [40]. Os resultados correspondentes são mostrados na Fig. S2. A imagem SEM ampliada indica o Cu ₂ com estrutura em flocos S são formados. A vista em corte transversal indica a existência de Cu ₂ Filme S no fio de latão, e a espessura também é de cerca de 1,3 μ.3s. Os espectros de Cu XPS mostram picos em 933,1 eV e 952,5 eV, correspondendo a Cu 2p3 / 2 e 2p1 / 2, respectivamente [41]. O espectro S 2p mostra um pico em 162,4 eV, o que confirma a presença de S ²⁻ [42]. O efeito de Cu ₂ A morfologia de S no desempenho celular é investigada posteriormente.

Para caracterizar o desempenho de células com diferentes arquiteturas e CEs, a densidade-tensão da fotocorrente ( J - V ) curvas são adquiridas e mostradas na Fig. 3a – d. O dispositivo de fotoanodo único e o dispositivo de fotoanodo duplo são fabricados para comparação com Cu granular e em flocos ₂ S como CEs, respectivamente. Existem três maneiras de iluminar as células:superior, inferior e direções duplas, conforme mostrado na Fig. 4e, e os comportamentos da célula trabalhando sob diferentes condições de iluminação são investigados em detalhes, e os parâmetros de célula correspondentes são resumidos na Tabela 1, incluindo aberto -tensão do circuito ( V _oc ), corrente de curto-circuito ( J _sc ), fator de preenchimento (FF) e PCE, em que os valores não entre parênteses são a média experimental de vinte células do grupo e os entre parênteses são os valores campeões. A configuração de teste para o dispositivo de fotoanodo único com Cu granular e em flocos ₂ S como CEs é mostrado na Fig. S3, e o J - V curvas são mostradas na Fig. 3a e b. O PCE irradiando de cima para baixo e nas direções duplas são 2,32%, 2,00% e 3,59%, respectivamente, enquanto o V _oc são mantidos em torno de 0,6 V, e o principal aumento no PCE é devido ao aumento J _sc . Como este é um único dispositivo de fotoanodo, o aumento de J _sc deve ser devido à intensidade de luz aumentada da irradiação de fundo, o que resulta em elétrons fotogerados aumentados em fotoanodos. Deve-se notar que o PCE da irradiação descendente é menor do que a irradiação superior, mesmo que a luz concentrada seja mais alta em intensidade do que a luz paralela superior, o que poderia ser explicado pela Fig. S3. Ao concentrar a luz em QDSSCs de fotoanodo único, a luz precisa passar pelo vidro FTO e, em seguida, pelo Cu ₂ S mesh CE e eletrólito para alcançar o fotoanodo superior, induzindo perda de fotoenergia até certo ponto. Pelo nosso resultado, a intensidade da fotoenergia que chega ao fotoanodo do topo seria mais fraca do que a irradiação de luz paralela do topo. Portanto, o PCE da estrutura de célula de fotoanodo único sob irradiação de luz concentrada é menor do que sob irradiação de luz paralela no lado superior. Ele poderia ser ainda mais apoiado pela adoção da configuração de teste mostrada na Fig. S4. Focar a luz diretamente no fotoanodo inferior como eletrodo de trabalho atinge um PCE de 4,32% e uma corrente de curto-circuito de 21,6 mA cm ⁻² , quase duas vezes a corrente de curto-circuito gerada pela luz paralela irradiando o fotoanodo, o que significa que o fluxo de fótons após a condensação é o dobro da luz paralela do topo. A partir da mudança do fluxo de fótons, podemos calcular que o coeficiente de condensação é 2, o que é consistente com nossos resultados medidos. Como pode ser visto na Tabela 1, o PCE médio da estrutura celular de fotoanodo duplo com Cu granular ₂ S CE é de 5,51% sob a condição de concentrar luz do lado inferior, e o aumento no PCE é devido à contribuição do fotoeletrodo superior, indicando que o fotoanodo superior captura mais fótons sob a condição de concentração.

Campeão J - V curvas de QDSSCs com estruturas diferentes. a Fotoanodo único e Cu granular ₂ S CE. b Fotoanodo único e floco Cu ₂ S CE. c Fotoanodo duplo e Cu granular ₂ S CE. d Fotoanodo duplo e floco Cu ₂ S CE. e CV e g curvas de polarização tafel de dois Cu ₂ S CEs, respectivamente. f Estabilidade eletroquímica de vários CEs estudados por CV. h Nyquist plotagens de QDSSCs com diferentes CEs e diferentes estruturas sob a iluminação de uma intensidade solar total. eu Parte ampliada do quadro pontilhado preto em h

Fotografias infravermelhas de diferentes condições de iluminação: a sem luz, b luz paralela na parte superior, c luz concentrada do refletor parabólico, d luz de ambos os lados brilha simultaneamente, e e diagrama de simulação de diferentes condições de iluminação

Para o dispositivo de fotoanodo duplo com Cu granular ₂ S como CEs, a irradiação de PCE de cima para baixo e nas direções duplas são 2,64% ( J _sc =11,552 mA cm ⁻² ), 5,53% ( J _sc =26,287 mA cm ⁻² ), e 8,28% ( J _sc =32,247 mA cm ⁻² ), respectivamente. Em comparação com a estrutura tradicional de fotoanodo único irradiado de cima (2,32%), o PCE aumenta 260%. O aumento no PCE é obviamente devido ao aumento J _sc , indicando que os fotoanodos duplos funcionam em uma configuração paralela. A intensidade da luz medida da luz concentrada da parte inferior é aproximadamente o dobro da luz paralela superior. Sob a condição de irradiação da luz concentrada, o PCE dos QDSSCs deve ser maior do que o da luz paralela superior. É consistente com o presente resultado que o PCE da irradiação de fundo é mais de 2 vezes em comparação com o da irradiação de cima.

Deve-se notar que o comportamento das células com base no floco Cu ₂ S CE são semelhantes, mas mostram valores gerais de degradação nos parâmetros fotovoltaicos. Para explorar a origem detalhada, as curvas de voltamograma cíclico (CV) e as curvas de polarização tafel dos dois filhos de Cu ₂ S CEs são medidos usando um sistema de três eletrodos. A Figura 3e são as curvas CV e Cu granular ₂ S mostra densidade de corrente mais alta. O pico de redução de Cu granular ₂ S é mais alto que o floco Cu ₂ S, indicando a taxa de reação redox mais rápida de S ²⁻ / S _n ²⁻ no eletrólito. A Figura 3f mostra as curvas CV do Cu ₂ Eletrodo S com diferentes morfologias de 1 a 25 ciclos. Não há variação óbvia que possa ser encontrada para a forma da curva CV e a posição do pico. As curvas CV se sobrepõem bem sob varredura contínua, indicando que as duas morfologias do eletrodo possuem boa estabilidade química. Pode ser visto na Fig. 3g que a densidade da corrente de troca ( J ₀ ) de Cu granular ₂ S é maior do que o floco Cu ₂ S. De acordo com os resultados do teste das curvas de polarização de CV e tafel, isso sugere que a atividade catalítica do Cu granular ₂ S é melhor do que Cu ₂ S film. Isso é consistente com o desempenho fotovoltaico de J - V curvas na Fig. 3a – d. Para confirmar ainda mais a atividade catalítica dos contra-eletrodos, os espectros EIS são estudados e mostrados na Fig. 3h. As linhas sólidas roxas representam curvas de ajuste e os dados de ajuste estão resumidos na Tabela 2. R _ct1 , R _ct2 , e R _s representam a resistência de transferência de carga no contra-eletrodo, a resistência de transferência de carga na interface fotoanodo / eletrólito e a resistência em série, respectivamente. Pode-se ver que a estrutura de uma única célula de fotoanodo e as resistências de transferência de carga de R _ct1 para Cu granular ₂ S e flake Cu ₂ S é 3,522 e 6,753 Ω cm ² , respectivamente, e os da célula de fotoanodo dupla são 5,990 e 8,088 Ω cm ² , respectivamente. O menor R _ct1 de Cu granular ₂ S indica melhor condutividade devido à sua menor resistência à transferência de carga.

O fluxo de fótons dentro de um absorvedor está em conformidade com a lei 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)
onde b ( E , x ) é o fluxo de fótons recebido por QDs na posição x , bs ( E ) é o fluxo de fótons recebido na direção vertical da irradiação solar, R ( E ) é a refletividade da interface e α ( E , x ) é o coeficiente de absorção na posição x . O CPV coleta a luz incidente sobre uma grande área e a concentra em uma pequena área da célula solar para conversão fotovoltaica. Fator de concentração X é um parâmetro importante para descrever o desempenho da concentração de células solares, que é o aumento dos tempos de densidade de fluxo de fótons b ( E ) e também é aproximada a relação entre a área da luz incidente coletada e a área das células solares. Pode-se considerar que a luz focada é uniforme dentro do meio ângulo de concentração ( θ _X ), e os tempos aumentados de fluxo de fótons solares b _s ( E , x ) é igual ao fator de concentração X . Portanto, para CPV, a Eq. (1) pode ser expresso como:
$$ b \ left (E, x \ right) =\ left [1-R (E) \ right] \ cdot X \ cdot bs (E) \ exp \ left [- {\ int} _0 ^ x \ alpha \ esquerda (E, x \ hbox {'} \ direita) dx \ hbox {'} \ direita] $$ (2)
A fotocorrente ( J _ph ) gerado por uma célula solar em condições de luz, determinado pelo fluxo de fótons e o desempenho da célula solar, J _ph é igual a J _sc , e pode ser expresso como:
$$ J \ mathrm {ph} =J \ mathrm {sc} =q {\ int} _0 ^ {\ infty} \ mathrm {QE} (E) bs \ left (E, Ts \ right) dE $$ (3 )
onde Q é a carga elementar. a eficiência quântica (QE) é uma função da energia do fóton. Assumimos que o fluxo de fótons do coletor bs ₂ é Y vezes o fluxo do fóton superior bs ₁ , e o J _sc da célula de fotoanodo duplo sob irradiação do lado inferior pode ser expressa como:
$$ J \ mathrm {sc} (Ybs) =q {\ int} _0 ^ {\ infty} \ mathrm {Q} E (E) \ cdot Y \ cdot bs \ left (E, Ts \ right) dE \ aprox {YJ} _ {\ mathrm {sc}} $$ (4)
Portanto, a soma de J _sc1 valor sob a condição de irradiação de luz paralela do lado superior e J _sc2 valor sob a condição de irradiação de luz concentrada do lado inferior deve ser igual a J _{sc1, 2} gerado por irradiação de luz em ambos os lados do PV. A equação (4) é basicamente consistente com J - V resultados na Tabela 1, porém com alguns desvios. Como pode ser visto no J _sc dados, a soma de J _sc1 iluminando de cima e J _sc2 iluminar de baixo é um pouco menor do que J _{sc1, 2} iluminando de ambos os lados para dispositivos de fotoanodo duplo. O desvio deve resultar do efeito fototérmico devido à variação de temperatura dos QDSSCs sob diferentes condições de iluminação.

É bem sabido que a luz focalizada em dispositivos optoelétricos induziria acúmulo térmico e aumento da temperatura. No presente trabalho, o fluxo de fótons da luz concentrada do refletor parabólico medido pelo medidor de intensidade de luz é aproximadamente o dobro do simulador de luz solar normal; isso significa que o coeficiente de concentração é 2, que é muito menor do que os dispositivos CPV práticos. Porém, ainda é necessário investigar o efeito do acúmulo térmico na célula. Usamos uma câmera infravermelha (IR) para monitorar a variação de temperatura sob diferentes condições de teste. A distância focal do refletor parabólico usado é de 6,5 cm. Colocamos o dispositivo fotovoltaico 0,5 cm abaixo do ponto de foco do refletor parabólico para garantir a iluminação total da área ativa, que é cerca de 1,5 cm ² . As imagens de temperatura IV para dispositivos de fotoanodo duplo são mostradas na Fig. 4b – d, e as condições de irradiação correspondentes são mostradas na Fig. 4e. Em comparação com dispositivos não irradiados, os aumentos de temperatura são 9,3 ° C, 20,6 ° C e 32,6 ° C, respectivamente. A irradiação do lado duplo mostra um aumento de temperatura maior do que a soma das irradiações separadas de cima e de baixo, o que indica o mecanismo adicional do material ou interface aqui envolvido. A reação de S ²⁻ / S _n ²⁻ no eletrólito e na interface não é semelhante em diferentes temperaturas. De acordo com a fórmula de Arrhenius, a taxa de reação química no PV aumenta com o aumento da temperatura. Com o aumento da temperatura, a reação redox perto dos eletrodos QDSSC foi intensificada, o que acelerou a depleção de buracos fotogênicos no fotoanodo, reduzindo significativamente a reação redox com excitação de energia.

Conclusões

Em resumo, projetamos uma nova arquitetura de célula solar integrando o conceito de CPV em QDSSCs com design de fotoanodo duplo. Para garantir a melhor coleta de luz, o Cu ₂ A malha S é usada como um contra-eletrodo e imprensada entre dois fotoanodos, e o efeito de Cu ₂ A morfologia S no desempenho celular é investigada e otimizada. Foi demonstrado que o design especial alcançou um aprimoramento de 260% no PCE em comparação com o único fotoanodo irradiado do lado superior. Embora o circuito de tensão aberto não mude, o projeto de fotoanodo duplo aumenta muito a densidade da corrente e, portanto, aumenta o PCE. Além disso, o efeito fototérmico induzido pelo CPV pode ser útil para melhorar o PCE e um PCE campeão de 8,28% ( V _oc =0,629 V, J _sc =32,247 mA cm ⁻² ) é alcançado. Deve ser mencionado que o presente fornece uma nova maneira de impulsionar o PCE de QDSSCs, mas o design do dispositivo especialmente para a parte do CPV poderia ser otimizado ainda mais e o desempenho da célula seria ainda mais aprimorado. Acreditamos que com melhores sensibilizadores QD e técnicas de design de dispositivos, a ideia sugerida no presente trabalho induziria grande progresso em QDSSCs e poderia ser expandida para outras células solares.