Aprimoramento da Eficiência de Células Solares de Pontos Quânticos com Fotovoltaicos Concentradores e Fotoânodos Duplos

Resumo

Apesar dos grandes esforços dedicados a melhorar a eficiência de conversão de potência (PCE) de células solares sensibilizadas por pontos quânticos (QDSSCs) nas últimas duas décadas, a eficiência das QDSSCs ainda está muito atrás de seu valor teórico. As abordagens atuais para melhorar PCE são principalmente focadas em ajustar a banda proibida de QDs para ampliar a captação de luz e otimizar interfaces de partes componentes. Aqui, uma nova arquitetura de célula solar é proposta integrando o conceito de célula solar concentradora (CPV) em QDSSCs com design de fotoânodo duplo. A malha de Cu₂S é usada como contraeletrodo e colocada entre dois fotoânodos. Essa estrutura de bateria projetada pode aumentar o PCE em 260% comparado com um único fotoânodo. Com os sensibilizadores QD CdS/CdSe mais extensivamente usados, um PCE campeão de 8,28% (Voc = 0,629 V, Jsc = 32,247 mA cm⁻²) foi alcançado. Isso é principalmente devido ao aumento em Jsc devido ao design de fotoânodo duplo e adoção do conceito CPV. Além disso, outra razão é que a iluminação de luz solar concentrada induziu um efeito fototérmico, acelerando as reações químicas precedentes associadas à conversão de espécies de polissulfeto. A fabricação e design de célula relatados aqui fornecem uma nova visão para o desenvolvimento adicional de QDSSCs.

Introdução

Como um tipo de dispositivo de conversão fotoelétrica promissor e comparativamente econômico, células solares sensibilizadas por pontos quânticos (QDSSCs) atraíram grande atenção devido à sua alta eficiência teórica de conversão de potência (PCE). QDSSCs herdam a estrutura de células solares sensibilizadas por corante, incluindo fotoânodo (tipicamente, uma camada de filme poroso de semicondutor óxido com banda proibida larga coberta por QDs semicondutores como sensibilizadores), eletrólito líquido e contraeletrodo. A fim de melhorar o PCE da célula para aplicação comercial potencial, numerosas estratégias foram investigadas principalmente do ponto de vista de materiais, envolvendo síntese de novos sensibilizadores QD para ampliar a faixa de captação de luz; preparação de fotoânodos com diferentes nanoestruturas como filme poroso, nanotubo e nanofio para melhor extração de elétrons; fabricação de fotoânodo dopado com metal nobre usando ressonância de plasmon de superfície localizada; desenvolvimento de contraeletrodos de sulfeto e outros para substituir contraeletrodo de Pt; síntese de diferentes eletrólitos; e assim por diante.

Um dos fatores mais importantes limitando a eficiência de conversão fotoelétrica de QDSSCs é a faixa estreita de absorção de radiação solar. A região de absorção é fortemente dependente do filme fino de fotoânodo e QDs. Estreitar a banda proibida de QDs é uma maneira eficaz para ampliar a faixa de captação de luz. Zhong et al. sintetizaram QDs de liga Zn-Cu-In-Sn e melhoraram muito o PCE de QDSSCs, estabelecendo vários recordes de PCE de QDSSCs. Atualmente, o PCE mais alto relatado de QDSSCs é 14,02% alcançado por Zhao et al. Em seu trabalho, QDs de liga Zn-Cu-In-Sn foram usados como 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 a banda proibida para melhorar a captação de luz solar induzirá perda de tensão de circuito aberto e diminuirá o desempenho do dispositivo devido ao deslocamento para baixo da borda da banda de condução.

Para melhorar ainda mais o desempenho da célula, a configuração do dispositivo foi levada em conta. Em células solares sensibilizadas por corante e células solares de pontos quânticos coloidais, estruturas tandem já foram usadas como uma abordagem significativa para romper as limitações de PCE. Para a maioria das estruturas tandem de células solares sensibilizadas por corante, um Pt semi-transparente em vidro condutivo ou malha de Pt é aplicado no meio da célula como contraeletrodo. Filmes de TiO₂ são separados em duas ou mais camadas sensibilizadas pelo mesmo ou diferentes corantes, o que pode ampliar a resposta espectral e, assim, melhorar significativamente o desempenho da célula. Para QDSSCs, Meng et al. projetaram uma estrutura de fotoânodo duplo com contraeletrodo de malha de Cu₂S semi-transparente entre dois fotoeletrodos de TiO₂. Sob iluminação de um sol do eletrodo superior, a célula otimizada mostra um aumento de 12% no PCE. Em seu trabalho, a estrutura tandem foi usada em QDSSCs pela primeira vez. No entanto, a eficiência de utilização de luz da estrutura tandem da bateria é limitada. Xu et al. demonstraram a redução de polissulfeto aprimorada por luz NIR na interface eletrodo-eletrólito iluminando o contraeletrodo CuS com luz NIR, mostrando um aumento de 15% no PCE, o que é atribuído a efeito fototérmico e absorção de ressonância plasmonica.

Graças aos grandes esforços nas últimas décadas, o PCE de QDSSCs é permitido ser comparativo com o do dispositivo paralelo, célula solar sensibilizada por corante. No entanto, a eficiência de QDSSCs ainda está muito atrás de seu valor teórico, e ainda permanece a ser resolvido para aplicação comercial. Portanto, explorar nova estratégia para impulsionar PCE de QDSSCs ainda é uma tarefa urgente. Aqui, integramos o conceito de fotovoltaico concentrador em QDSSCs com fotoânodos duplos porosos de TiO₂ e design de contraeletrodo de malha Cu₂S, alcançando um aumento de 260% no PCE comparado com o dispositivo tradicional de único fotoânodo. Com os sensibilizadores QD CdS/CdSe mais extensivamente usados, um PCE campeão de 8,28% (Voc = 0,629 V, Jsc = 32,247 mA cm⁻²) é alcançado.

Gerenciamento de luz como uma tecnologia importante para melhorar a eficiência de conversão em células solares visa aumentar o fluxo de fótons recebido por células solares. A estrutura de captura de luz é um método comumente usado para gerenciamento de luz, incluindo espelhos, superfícies Lambertianas e superfícies texturizadas. Pelo efeito de captura de luz, o comprimento do caminho óptico é aumentado, melhorando assim o PCE de células solares. Uma das estruturas básicas de captura de luz é preparar um espelho na superfície traseira da célula solar, e a refletividade do espelho pode ser tão alta quanto 95%. Inspirados pela discussão acima, a Fig. 1 ilustra a arquitetura do dispositivo usada no presente trabalho. Design de fotoânodo duplo de TiO₂ é adotado, que é separado por Cu₂S malha como contraeletrodo. A espessura do fotoânodo TiO₂ é cerca de 4,5 μm, que pode ser vista na Fig. S1. A célula superior e a célula inferior usam o mesmo material e estrutura, então não é necessário considerar a constante de rede e coeficiente de expansão de diferentes materiais semicondutores nos dois fotoânodos. O Cu₂S crescido em malha de Cu como contraeletrodo permite que a luz transmitida da célula superior chegue ao fotoânodo inferior. Os materiais de banda proibida larga no topo filtram fótons de alta energia, e os fótons de baixa energia passam por eles e então são absorvidos pelos materiais de banda proibida estreita na célula inferior. Aparentemente, o PCE da estrutura de fotoânodo duplo é maior que o da estrutura de único fotoânodo porque a estrutura de fotoânodo duplo pode capturar mais luz e, assim, aumentar a densidade de corrente. No entanto, iluminar apenas da direção superior induz apenas um aumento de 18% no PCE comparado com um dispositivo de único fotoânodo como mostrado depois, o que é devido à forte absorção e reflexão da luz solar pela célula superior, deixando densidade de luz inadequada para a célula inferior.

Considerando que a luz capturada da célula inferior é limitada, introduzimos o conceito de célula fotovoltaica concentradora (CPV) no dispositivo atual e colocamos um refletor parabólico sob o fotoânodo inferior. Sistemas CPV usam elementos ópticos para focar luz em uma pequena área de células solares, o que melhora a eficiência da tecnologia fotovoltaica enquanto minimiza custos. A redução da área da célula pode fazer o custo de CPV competir com fotovoltaico de painel plano. Como mostrado na Fig. 1, o refletor parabólico faz luz focalizada no fotoânodo inferior. Controlando a distância entre o refletor e o fotoânodo inferior, a área ativa poderia ser ajustada para corresponder à área da célula. Além disso, a luz aumentada poderia transmitir e chegar ao fotoânodo superior, fornecendo energia de excitação adicional para captação de luz. Claro, o efeito fototérmico causado por CPV deve ter impacto no desempenho PV, que será discutido em detalhes depois.

Métodos

Materiais

Dióxido de titânio (99,8%, 10–25 nm, TiO₂) e sulfito de sódio (AR, Na₂SO₃) foram fornecidos pela Aladdin. Vidro condutor de óxido de estanho dopado com flúor (FTO, espessura 1,6 mm, transmitância 83%, resistência de folha 15/quadrado) foi comprado da Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China). Metanol (AR, CH₃OH), etanol (AR, CH₃CH₂OH) e acetona (AR, CH₃OCH₃) foram fornecidos pela Beijing Chemical Works (China). Etilenodiamina (AR, C₂H₈N₄) e selênio (AR, Se) foram comprados do Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China). Ácido clorídrico (36%, HCl), etil celulose ethoce (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]n), alfa-terpineol (AR, C₁₀H₈O), acetato de cádmio (AR, Cd(CH₃COOH)₂), acetato de zinco (AR, Zn(CH₃COOH)₂), sulfeto de sódio (AR, Na₂S·9H₂O), enxofre (AR, S) e tioureia (AR, CH₄N₂S) foram fornecidos pela Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Ácido nitrilotriacético trissódico (98%, C₆H₉NNa₃O₆) foi comprado da TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China). Malha de latão foi fornecida pela Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).

Preparação do Contraeletrodo Cu₂S

A malha de latão foi imersa em HCl (36%) por 2 h a 70 °C para remover o zinco na superfície da malha de Cu. A malha de cobre foi enxaguada com água deionizada e seca à temperatura ambiente após remover a malha de cobre da solução. Então, a malha de Cu foi imersa em uma solução aquosa contendo 1 M Na₂S e 1 M S por 5 s para obter Cu₂S em flocos, seguida por lavagem com água deionizada e secagem à temperatura ambiente. Para preparar Cu₂S granular, a malha de Cu tratada com HCl (36%) foi imersa em uma solução mista de CH₄N₂S (0,01 M) e C₂H₈N₄ (0,4 ml) por 24 h, seguida por lavagem com água deionizada e secagem à temperatura ambiente.

Preparação do Fotoânodo TiO₂ Co-sensibilizado com QDs CdS/CdSe

Filme mesoporoso de TiO₂ foi preparado por spin-coating de uma pasta contendo TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀H₈O (3,245 g) e CH₃CH₂OH (8,5 ml) em substratos FTO limpos, que foi seco em forno a 60 °C e seguido por recozimento a 450 °C por 30 min para remover solventes orgânicos. A velocidade de rotação do spin coater é 7500 rpm por 30 s. O processo de adsorção iônica sucessiva e reação (SILAR) foi empregado para depositar os QDs CdS. Tipicamente, o filme TiO₂ foi alternadamente imerso em solução de metanol de Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 M) e solução Na₂S (0,02 M com metanol e água deionizada 1:1 v/v) por 30 s em cada ciclo para total de 5 ciclos. QDs CdSe foram revestidos pelo método de deposição em banho químico (CBD). Em detalhes, uma solução contendo fonte Cd²⁺ e Se²⁻ foi preparada pelo seguinte método. 1,55 g Na₂SO₃ foi dissolvido em 25 ml água deionizada. 0,155 g pó de Se como fonte Se²⁻ foi adicionado na solução acima. A solução obtida foi aquecida com banho de óleo a 125 °C por 3 h sob condição de agitação. A solução Cd²⁺ foi preparada misturando 25 ml solução de água deionizada de ácido nitrilotriacético (120 mM) e 25 ml solução de água deionizada de Cd(CH₃COO)₂ (80 mM). Então, a solução Se²⁻ preparada e solução Cd²⁺ foram misturadas juntas. Os fotoânodos revestidos com CdS preparados foram colocados na solução mista acima a 24 °C por 2 h no escuro. Para a passivação ZnS, os filmes sensibilizados foram depositados por imersão em 0,1 M Zn(CH₃COO)₂ e 0,1 M Na₂S (com metanol e água 1:1 v/v) soluções por 1 min alternadamente e 4 ciclos. A área ativa da célula solar é 0,25 cm². O eletrólito de polissulfeto (2 M Na₂S e 2 M S solução com metanol e água deionizada 7:3 v/v) foi transfundido na célula via injetor.

Medição Eletroquímica

Análise eletroquímica foi realizada pela estação de trabalho eletroquímica DyneChem, e platina e Ag/AgCl são usados como contraeletrodo e eletrodo de referência, respectivamente. Curvas voltamperimétricas cíclicas e de polarização de Tafel foram testadas em eletrólito de polissulfeto 2 M. Gráficos de Nyquist de QDSSCs são sob iluminação de intensidade de um sol completo. A tensão usada durante as medições EIS é 0,5 V.

Caracterização

A morfologia de 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 as curvas J-V de QDSSCs foram medidas por fonte medidor Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). Imagens de temperatura IR são obtidas por FLIR T460.

Resultados e Discussão

Existem numerosos materiais nanoestruturados que podem ser usados como contraeletrodos para QDSSCs, incluindo Cu₂S, CoS, GeC e NCW. No entanto, o contraeletrodo Cu₂S baseado em malha de latão exibe atividade catalítica ideal para o par redox Sn²⁻/S²⁻. Para preparar o contraeletrodo Cu₂S, dois métodos diferentes são usados. Um é remover Zn da superfície da malha de latão com ácido clorídrico seguido por imersão da malha em uma solução mista contendo CH₄N₂S e C₂H₈N₄ por 24 h. As imagens SEM do resultado de malha coberta com Cu₂S são mostradas na Fig. 2a-c. A imagem SEM ampliada indica que Cu₂S de estrutura granular são formados. A vista transversal na Fig. 2d indica a existência de filme Cu₂S no fio de latão, a trinca entre eles origina do corte durante a preparação da amostra transversal, e a espessura é cerca de 1,3 μm. A amostra transversal na Fig. 2e revela que os únicos elementos que existem lá são Cu e S, e a razão atômica de Cu para S é aproximadamente 2. Os espectros XPS de Cu e S são mostrados na Fig. 2f e h, respectivamente. Os picos de Cu 2p a 952 eV e 932,5 eV correspondem à energia de ligação de elétrons de Cu 2p1/2 e Cu 2p3/2, respectivamente, que é consistente com Cu¹⁺. Os picos observados em S 2p a 163,5 eV e 161 eV correspondem a S 2p1/2 e S 2p3/2, respectivamente, que é consistente com S²⁻. Esses resultados confirmam a preparação bem-sucedida de filme Cu₂S na malha de latão, e a morfologia de superfície supõe-se que garanta sua grande área de superfície e atividade catalítica suficiente.

O outro método foi extensivamente usado em relatórios anteriores, no qual a malha de latão é primeiramente colocada em ácido clorídrico, então é subsequentemente imersa no eletrólito de polissulfeto (1 M Na₂S e 1 M S) por um tempo adequado. Os resultados correspondentes são mostrados na Fig. S2. A imagem SEM ampliada indica que Cu₂S de estrutura em flocos são formados. A vista transversal indica a existência de filme Cu₂S no fio de latão, e a espessura também é cerca de 1,3 μm. Os espectros XPS de Cu mostram picos a 933,1 eV e 952,5 eV, correspondendo a Cu 2p3/2 e 2p1/2, respectivamente. O espectro S 2p mostra um pico a 162,4 eV, que confirma a presença de S²⁻. O efeito da morfologia Cu₂S no desempenho da célula é investigado mais detalhadamente.

Para caracterizar o desempenho de células com diferentes arquiteturas e CEs, as curvas de densidade de fotocorrente-tensão (J-V) são adquiridas e mostradas na Fig. 3a-d. Dispositivo de único fotoânodo e dispositivo de fotoânodo duplo são ambos fabricados para comparação com Cu₂S granular e em flocos como CEs, respectivamente. Existem três maneiras para iluminar as células: topo, fundo e direções duplas como mostrado na Fig. 4e, e os comportamentos da célula funcionando sob diferentes condições de iluminação são investigados em detalhes, e os parâmetros correspondentes da célula são resumidos na Tabela 1 incluindo tensão de circuito aberto (Voc), corrente de curto-circuito (Jsc), fator de preenchimento (FF) e PCE, em que os valores não entre colchetes são a média experimental de vinte grupos de células e aqueles entre colchetes são valores campeões. A configuração de teste para o dispositivo de único fotoânodo com Cu₂S granular e em flocos como CEs é mostrada na Fig. S3, e as curvas J-V são mostradas na Fig. 3a e b. O PCE irradiando do topo, baixo e direções duplas são 2,32%, 2,00% e 3,59%, respectivamente, enquanto o Voc são mantidos em torno de 0,6 V, e o aumento principal no PCE é devido ao Jsc elevado. Como este é um dispositivo de único fotoânodo, o Jsc aumentado deve ser devido à intensidade de luz aumentada da irradiação inferior, o que resulta em elétrons fotogerados aumentados nos fotoânodos. Deve-se notar que o PCE de irradiação inferior é menor que o de irradiação superior mesmo se a luz concentrada é maior em intensidade que a luz paralela do topo, o que poderia obter uma explicação da Fig. S3. Quando concentrando luz em QDSSCs de único fotoânodo, a luz precisa passar através do vidro FTO, então através da malha Cu₂S CE e eletrólito para alcançar o fotoânodo superior, induzindo perda de fotoenergia em certa medida. Do nosso resultado, a intensidade de fotoenergia chegando ao fotoânodo superior seria mais fraca que a irradiação de luz paralela do topo. Portanto, o PCE da estrutura de célula de único fotoânodo sob irradiação de luz concentrada é menor que aquele sob irradiação de luz paralela no lado superior. Poderia ser ainda suportado adotando configuração de teste mostrada na Fig. S4. Focando luz diretamente no fotoânodo inferior como eletrodo de trabalho alcança um PCE de 4,32% e uma corrente de curto-circuito de 21,6 mA cm⁻², quase o dobro da corrente de curto-circuito gerada pela luz paralela irradiando o fotoânodo, o que significa que o fluxo de fótons após condensação é o dobro da luz paralela do topo. Da mudança do fluxo de fótons, podemos calcular o coeficiente de condensação é 2, que é consistente com nossos resultados medidos. Como pode ser visto na Tabela 1, o PCE médio da estrutura de célula de fotoânodo duplo com Cu₂S granular CE é 5,51% sob a condição de luz concentrada do lado inferior, e o aumento no PCE é devido à contribuição do fotoeletrodo superior, indicando que o fotoânodo superior captura mais fótons sob a condição de concentração.

Para o dispositivo de fotoânodo duplo com Cu₂S granular como CEs, o PCE irradiando do topo, baixo e direções duplas são 2,64% (Jsc = 11,552 mA cm⁻²), 5,53% (Jsc = 26,287 mA cm⁻²) e 8,28% (Jsc = 32,247 mA cm⁻²), respectivamente. Comparado com o de estrutura tradicional de único fotoânodo irradiado do topo (2,32%), o PCE aumenta em 260%. O aumento no PCE é obviamente devido ao Jsc aumentado, indicando que os fotoânodos duplos funcionam em uma configuração paralela. A intensidade de luz medida da luz concentrada do fundo é aproximadamente o dobro da luz paralela superior. Sob a condição de irradiação de luz concentrada, o PCE de QDSSCs deve ser maior que o da luz paralela superior. É consistente com o resultado presente que o PCE da irradiação inferior é mais de 2 vezes comparado com aquele da irradiação superior.

Deve-se notar que os comportamentos de células baseadas em CE Cu₂S em flocos são similares, mas mostrando valores gerais decaídos em parâmetros fotovoltaicos. Para explorar a origem detalhada, curvas voltamperimétricas cíclicas (CV) e de polarização de Tafel dos dois tipos de CEs Cu₂S são medidas usando um sistema de três eletrodos. A Figura 3e é as curvas CV, e Cu₂S granular mostra maior densidade de corrente. O pico de redução de Cu₂S granular é maior que Cu₂S em flocos, indicando a taxa de reação redox mais rápida de S²⁻/Sn²⁻ no eletrólito. A Figura 3f mostra as curvas CV do eletrodo Cu₂S 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 ambas possuem boa estabilidade química. Pode-se ver na Fig. 3g que a densidade de corrente de troca (J₀) de Cu₂S granular é maior que a de Cu₂S em flocos. De acordo com os resultados de teste de CV e curvas de polarização de Tafel, sugere-se que a atividade catalítica de Cu₂S granular é melhor que a de filme Cu₂S. Isso é consistente com o desempenho fotovoltaico das curvas J-V na Fig. 3a-d. Para confirmar ainda mais a atividade catalítica dos contraeletrodos, espectros EIS são estudados e mostrados na Fig. 3h. As linhas sólidas roxas representam curvas de ajuste, e os dados de ajuste são resumidos na Tabela 2. Rct₁, Rct₂ e Rs representam resistência de transferência de carga no contraeletrodo, resistência de transferência de carga na interface fotoânodo/eletrólito e resistência série, respectivamente. Pode-se ver que a estrutura de célula de único fotoânodo e as resistências de transferência de carga de Rct₁ para Cu₂S granular e em flocos é 3,522 e 6,753 Ω cm², respectivamente, e as de célula de fotoânodo duplo são 5,990 e 8,088 Ω cm², respectivamente. O menor Rct₁ de Cu₂S granular indica melhor condutividade devido à sua menor resistência de transferência de carga.

O fluxo de fótons dentro de um absorvedor conforma à lei de Lambert-Beer: b(E,x) = [1-R(E)] bs(E) exp[−∫₀ˣ α(E,x') dx'], 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 à irradiação solar, R(E) é a refletividade da interface, e α(E,x) é o coeficiente de absorção na posição x. CPV coleta luz incidente sobre uma grande área e foca em uma pequena área de célula solar para conversão fotovoltaica. Fator de concentração X é um parâmetro importante para descrever o desempenho de células solares concentradoras, que é as vezes aumentadas da densidade de fluxo de fótons b(E) e também aproximado como a razão da área de luz incidente coletada para a área de células solares. Poderia ser considerado que a luz focalizada é uniforme dentro do meio ângulo de concentração (θX), e as vezes aumentadas do fluxo de fótons solar bs(E,x) iguala ao fator de concentração X. Portanto, para CPV, a Eq. (1) poderia ser expressa como: b(E,x) = [1-R(E)]·X·bs(E) exp[−∫₀ˣ α(E,x') dx']. A fotocorrente (Jph) gerada por uma célula solar sob condições de luz, determinada pelo fluxo de fótons e desempenho da célula solar, Jph é igual a Jsc, e pode ser expressa como: Jph = Jsc = q∫₀^∞ QE(E) bs(E, Ts) dE, onde q é a carga elementar. Eficiência quântica (QE) é uma função de energia de fóton. Assumimos que o fluxo de fótons do coletor bs₂ é Y vezes o do fluxo de fótons superior bs₁, e o Jsc da célula de fotoânodo duplo sob irradiação do lado inferior poderia ser expresso como: Jsc(Ybs) = q∫₀^∞ QE(E)·Y·bs(E, Ts) dE ≈ YJsc. Portanto, a soma do valor Jsc₁ sob condição de irradiação de luz paralela do lado superior e valor Jsc₂ sob condição de irradiação de luz concentrada do lado inferior deve ser igual a Jsc₁,₂ gerado por irradiação de luz em ambos os lados do PV. A Equação (4) é basicamente consistente com resultados J-V na Tabela 1, no entanto com alguns desvios. Como pode ser visto nos dados Jsc, a soma de Jsc₁ iluminando do topo e Jsc₂ iluminando do fundo é um pouco menor que a de Jsc₁,₂ iluminando de ambos os lados para dispositivos de fotoânodo duplo. O desvio deve resultar do efeito fototérmico devido à variação de temperatura de QDSSCs sob diferentes condições de iluminação.

É bem conhecido que a luz focalizada em dispositivos optoelétricos induziria acúmulo térmico e aumento de 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 que dispositivos CPV práticos. No entanto, ainda é necessário investigar o efeito de 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 6,5 cm. Colocamos o dispositivo fotovoltaico 0,5 cm abaixo do ponto focal do refletor parabólico para garantir a iluminação completa da área ativa, que é cerca de 1,5 cm². As imagens de temperatura IR para dispositivos de fotoânodo duplo são mostradas na Fig. 4b-d, e as condições de irradiação correspondentes são mostradas na Fig. 4e. Comparado com dispositivos não irradiados, os aumentos de temperatura são 9,3 °C, 20,6 °C e 32,6 °C, respectivamente. A irradiação de lado duplo mostra um aumento de temperatura maior que a soma de irradiações separadas do topo e fundo, o que indica mecanismo adicional do material ou interface envolvido aqui. A reação de S²⁻/Sn²⁻ no eletrólito e interface não é similar sob diferentes temperaturas. De acordo com a fórmula de Arrhenius, a taxa de reação química em PV aumenta com o aumento da temperatura. Com o aumento da temperatura, a reação redox próxima aos eletrodos QDSSC foi intensificada, o que acelerou o esgotamento de buracos fotogerados no fotoânodo, reduzindo assim grandemente a reação redox excitada por energia.

Conclusões

Em resumo, projetamos uma nova arquitetura de célula solar integrando o conceito CPV em QDSSCs com design de fotoânodo duplo. Para garantir melhor captação de luz, a malha Cu₂S é usada como contraeletrodo e colocada entre dois fotoânodos, e o efeito da morfologia Cu₂S no desempenho da célula é investigado e otimizado. Foi mostrado que o design especial alcançou um aumento de 260% no PCE comparado com o único fotoânodo irradiado do lado superior. Embora a tensão de circuito aberto não mude, o design de fotoânodo duplo aumenta grandemente a densidade de corrente e, assim, aumenta o PCE. Além disso, o efeito fototérmico induzido por CPV poderia ser útil para melhorar PCE, e um PCE campeão de 8,28% (Voc = 0,629 V, Jsc = 32,247 mA cm⁻²) é alcançado. Deve ser mencionado que o presente fornece uma nova maneira para impulsionar PCE de QDSSCs, mas o design do dispositivo especialmente para a parte CPV poderia ser ainda otimizado, e o desempenho da célula seria ainda melhorado. Acreditamos que com melhores sensibilizadores QD e técnicas de design de dispositivo, a ideia sugerida no presente trabalho induziria grande progresso em QDSSCs e poderia ser expandida para outras células solares.