집중 광전지 개념과 이중 광양극을 통합하여 양자점 감응 태양 전지의 전력 변환 효율 향상

초록

지난 20년 동안 양자점 감응 태양 전지(QDSSC)의 전력 변환 효율(PCE)을 향상시키기 위한 많은 노력에도 불구하고 QDSSC의 효율은 여전히 이론적인 값에 한참 뒤떨어져 있습니다. PCE를 개선하기 위한 현재의 접근 방식은 주로 QD의 밴드갭을 조정하여 광 수확을 확장하고 구성 요소 부품의 인터페이스를 최적화하는 데 중점을 둡니다. 여기에서는 이중 광양극 설계의 QDSSC에 집광형 태양 전지(CPV) 개념을 통합하여 새로운 태양 전지 아키텍처를 제안합니다. Cu₂ S 메쉬는 상대 전극으로 사용되며 두 개의 광양극 사이에 끼워져 있습니다. 이렇게 설계된 배터리 구조는 단일 광양극에 비해 PCE를 260% 높일 수 있습니다. 가장 광범위하게 사용되는 CdS/CdSe QD 증감제로 8.28%의 챔피언 PCE(V _oc =0.629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻ 2) 달성했다. 이는 주로 J _sc 이중 광양극 설계 및 CPV 개념의 채택으로 인해. 또한 집중된 햇빛 조명이 광열 효과를 유도하여 다황화물 종의 전환과 관련된 선행 화학 반응을 가속화하는 또 다른 이유가 있습니다. 여기에 보고된 전지 제작 및 설계는 QDSSC의 추가 개발을 위한 새로운 통찰력을 제공합니다.

소개

유망하고 비교적 경제적인 광전 변환 장치의 일종으로 양자점 감응형 태양 전지(QDSSC)는 높은 이론적 전력 변환 효율(PCE)로 인해 큰 주목을 받았습니다[1, 2]. QDSSC는 광양극(일반적으로 반도체 QD가 증감제로 덮인 넓은 밴드갭을 갖는 다공성 산화물 반도체 층), 액체 전해질 및 상대 전극을 포함한 염료 감응 태양 전지의 구조를 상속합니다. 잠재적인 상업적 응용을 위해 세포 PCE를 향상시키기 위해, 광 수확 범위를 넓히기 위한 새로운 QD 증감제 합성을 포함하여 주로 물질적 관점에서 수많은 전략이 조사되었습니다. 더 나은 전자 추출을 위해 다공성 필름[3], 나노튜브[4, 5], 나노막대[6, 7]와 같은 나노구조가 다른 광양극을 준비하는 것; 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 사용하여 귀금속이 도핑된 광양극 제조[8, 9]; 백금 카운터를 대체하기 위해 황화물 및 기타 카운터 개발; 다른 전해질 합성; 등등.

QDSSC의 광전 변환 효율을 제한하는 가장 중요한 요소 중 하나는 태양 복사의 흡수 범위가 좁다는 것입니다[10]. 흡수 영역은 광양극 박막과 QD에 크게 의존합니다. QD의 밴드갭을 줄이는 것은 광 수확 범위를 넓히는 효과적인 방법입니다. Zhong et al. Zn–Cu–In–Sn 합금 QD를 합성하고 QDSSC의 PCE를 크게 개선하여 QDSSC의 여러 PCE 기록을 설정했습니다[11,12,13]. 현재 보고된 QDSSC의 가장 높은 PCE는 Zhao et al.에 의해 달성된 14.02%입니다. [14]. 그들의 작업에서 Zn-Cu-In-Sn 합금 QD는 증감제로 사용되었으며 상대 전극(CE)은 탄소 나노튜브와 그래핀으로 도핑된 CuS로 QDSSC의 PCE의 새로운 수준을 시작했습니다. 그러나 태양광 수확을 향상시키기 위해 밴드갭을 과도하게 줄이면 전도대 에지의 하향 이동으로 인해 개방 회로 전압 손실이 유발되고 장치 성능이 저하됩니다.

셀 성능을 더욱 향상시키기 위해 장치 구성이 고려되었습니다. 염료감응 태양전지와 콜로이드 양자점 태양전지[15]에서 탠덤 구조는 이미 PCE의 한계를 극복하기 위한 중요한 접근 방식으로 사용되었습니다[16, 17]. 염료감응형 태양전지의 대부분 탠덤 구조의 경우, 전도성 유리 또는 Pt 메쉬 위의 반투명 Pt가 전지 중앙에 상대 전극으로 적용됩니다[18]. TiO₂ 필름은 동일하거나 다른 염료에 의해 감작된 두 개 이상의 층으로 분리되어 스펙트럼 응답을 확장하여 전지 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다[19,20,21]. QDSSC의 경우 Meng et al. 반투명 메쉬 구조의 Cu₂로 이중 광양극 구조 설계 두 개의 TiO₂ 사이에 끼워진 S 상대 전극 광전극. 상단 전극의 태양 조명 아래에서 최적화된 셀은 PCE에서 12% 증가를 보여줍니다[22]. 그들의 작업에서 탠덤 구조는 QDSSC에서 처음으로 사용되었습니다. 그러나 배터리 탠덤 구조의 광 이용 효율에는 한계가 있다. Xu et al. CuS 상대 전극을 근적외선으로 조사하여 전극-전해질 계면에서 근적외선 광 강화 폴리설파이드 환원을 시연했으며, 이는 광열 효과와 플라즈몬 공명 흡수에 기인한 PCE의 15% 증가를 보여줍니다[23].

지난 수십 년간의 많은 노력 덕분에 QDSSC의 PCE는 병렬 소자인 염료감응 태양전지의 PCE와 비교할 수 있게 되었습니다. 그러나 QDSSC의 효율성은 여전히 이론적인 값에 한참 뒤떨어져 있으며 상용화를 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 따라서 QDSSC의 PCE를 높이기 위한 새로운 전략을 모색하는 것은 여전히 시급한 과제입니다. 여기에서 우리는 이중 다공성 TiO₂가 있는 QDSSC에 집광형 광전지 개념을 통합합니다. 광양극 및 Cu₂ S 메쉬 상대 전극 설계[24]는 기존의 단일 광양극 장치와 비교하여 PCE에서 260% 증가를 달성했습니다. 가장 광범위하게 사용되는 CdS/CdSe QD 증감제로 8.28%의 챔피언 PCE(V _oc =0.629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻² )를 달성했습니다.

태양 전지에서 변환 효율을 향상시키기 위한 중요한 기술인 광 관리는 태양 전지가 받는 광자 플럭스를 증가시키는 것을 목표로 합니다[25]. 빛 포획 구조는 거울[26, 27], Lambertian 표면[28], 질감 표면[29, 30]을 포함하여 빛 관리에 일반적으로 사용되는 방법입니다. 광포집 효과에 의해 광로 길이가 길어져 태양전지의 PCE가 향상된다. 기본적인 빛 포획 구조 중 하나는 태양 전지 후면에 거울을 준비하는 것이며 거울의 반사율은 95%까지 높을 수 있습니다[31]. 위의 논의에서 영감을 받아 그림 1은 현재 작업에 사용된 장치 아키텍처를 보여줍니다. 이중 TiO₂ Cu₂로 분리된 광양극 디자인이 채택되었습니다. 상대 전극으로 S 메쉬. TiO₂의 두께 광양극은 약 4.5 μm이며, 이는 그림 S1에서 볼 수 있습니다. 상단 셀과 하단 셀은 동일한 재료와 구조를 사용하므로 두 광양극에서 서로 다른 반도체 재료의 격자 상수와 팽창 계수를 고려할 필요가 없습니다. Cu₂ 상대 전극으로 Cu 메쉬에서 성장한 S는 상단 셀에서 투과된 빛이 하단 광양극에 도달하도록 합니다. 상단의 넓은 밴드갭 물질은 고에너지 광자를 걸러내고 저에너지 광자는 통과한 다음 하단 셀의 좁은 밴드갭 물질에 흡수됩니다. 이중 광음극 구조가 더 많은 빛을 포착하여 전류 밀도를 증가시킬 수 있기 때문에 이중 광극 구조의 PCE가 단일 광극 구조보다 PCE가 더 높다는 것은 명백합니다. 그러나 상단 방향에서만 조명을 하면 후술하는 단일 광양극 소자에 비해 PCE가 18% 증가하는데 그 이유는 상단 셀의 강한 햇빛 흡수 및 반사로 인해 하단 셀의 조도 밀도가 충분하지 않기 때문입니다. [22].

<그림>

현재 작업에서 셀 설계의 개략도

하단 셀의 캡처된 빛이 제한적임을 고려하여 현재 장치에 집광 광전지(CPV) 개념을 도입하고 [32, 33] 하단 광양극 아래에 포물선 반사체를 설정합니다. CPV 시스템은 광학 요소를 사용하여 태양 전지의 작은 영역에 빛을 집중시켜 비용을 최소화하면서 태양광 기술의 효율성을 향상시킵니다. 전지 면적의 감소는 CPV 비용을 평판 태양광 발전과 경쟁하게 만들 수 있습니다. 그림 1과 같이 포물면 반사경은 하부 광양극에 초점을 맞춘 빛을 만든다. 반사판과 하단 광양극 사이의 거리를 제어하여 활성 영역을 셀 영역과 일치하도록 조정할 수 있습니다. 또한, 증강된 빛은 상부 광양극을 투과하고 도달하여 광 수확을 위한 추가 여기 에너지를 제공할 수 있습니다. 물론 CPV에 의한 광열 효과는 PV 성능에 영향을 미치게 되며[34], 이에 대한 자세한 내용은 추후 논의될 것이다.

방법

자료

이산화티타늄(99.8%, 10–25 nm, TiO₂ ) 및 아황산나트륨(AR, Na₂ 그래서₃ )은 알라딘에서 제공되었습니다. 불소 도핑된 산화 주석 전도성 유리(FTO, 두께 1.6mm, 투과율 83%, 시트 저항 15/square)는 Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd.(중국)에서 구입했습니다. 메탄올(AR, CH₃ OH), 에탄올(AR, CH₃ 채널₂ OH) 및 아세톤(AR, CH₃ OCH₃ )은 Beijing Chemical Works(중국)에서 공급했습니다. 에틸렌디아민(AR, C₂ H₈ N₄ ) 및 셀레늄(AR, Se)은 Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute(중국)에서 구입했습니다. 염산(36%, HCl), 에틸 셀룰로오스 에토세(AR, [C₆ H₇ O₂ (OC₂ H₅ )₃ ]_n ), 알파-테르피네올(AR, C₁₀ H₈ O), 카드뮴 아세테이트(AR, Cd(CH₃) COOH)₂ ), 아세트산 아연(AR, Zn(CH₃) COOH)₂ ), 황화나트륨(AR, Na₂ S∙9H₂ O), 황(AR, S) 및 티오요소(AR, CH₄ N₂ S) Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(중국)에서 공급했습니다. 니트릴로트리아세트산 삼나트륨(98%, C₆ H₉ NNa₃ O₆ )은 TCI(Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd.(중국)에서 구입했습니다. 황동 메쉬는 Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd.(중국)에서 공급했습니다.

Cu의 준비₂ S 카운터 전극

황동 메쉬를 70 °C에서 2 시간 동안 HCl(36%)에 담가서 Cu 메쉬 표면의 아연을 제거했습니다. 구리 메쉬를 탈이온수로 헹구고 용액에서 구리 메쉬를 제거한 후 실온에서 건조시켰다. 그런 다음, Cu 메쉬를 1 M Na₂를 포함하는 수용액에 담그었습니다. 플레이크 Cu₂를 얻기 위해 5 s 동안 S 및 1 M S S, 탈이온수로 세척하고 상온에서 건조한다. 세분화된 Cu₂를 준비하려면 S, HCl(36%) 처리된 Cu 메쉬를 CH₄ 혼합 용액에 침지 N₂ S(0.01 M) 및 C₂ H₈ N₄ (0.4 ml) 24 시간 동안 탈이온수로 세척하고 실온에서 건조합니다.

CdS/CdSe QD 동시 민감 TiO의 준비₂ 광양극

TiO₂ TiO₂를 포함하는 페이스트를 스핀 코팅하여 메조포러스 필름을 제조했습니다. (0.01 M), EC(0.4 g), C₁₀ H₈ O(3.245 g) 및 CH₃ 채널₂ 세척된 FTO 기판에 OH(8.5 ml)를 넣고 60°C의 오븐에서 건조시킨 다음 450°C에서 30분 동안 어닐링하여 유기 용매를 제거합니다. 스핀 코터의 회전 속도는 30 s 동안 7500 rpm입니다. 연속 이온층 흡착 및 반응(SILAR) 공정을 사용하여 CdS 양자점을 증착했습니다. 일반적으로 TiO₂ 필름을 Cd(CH₃의 메탄올 용액에 교대로 담그었습니다. COOH)₂ (0.12 M) 및 Na₂ 총 5 주기 동안 각 주기에서 30S에 대한 S 용액(메탄올 및 탈이온수 1:1 v/v 포함 0.02 M). CdSe QD는 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 코팅되었습니다. 구체적으로, Cd²⁺ 를 포함하는 솔루션 그리고 Se²⁻ 소스는 다음과 같은 방법으로 준비했습니다. 1.55 g Na₂ 그래서₃ 25 ml 탈이온수에 용해시켰다. Se²⁻ 로서 0.155 g Se 분말 소스가 위의 솔루션에 추가되었습니다. 얻어진 용액을 오일 배스로 125℃에서 교반 조건하에 3시간 동안 가열하였다. CD²⁺ 용액은 25 ml 니트릴로트리아세트산 탈이온수 용액(120 mM)과 25 ml Cd(CH3 COO)₂ 탈이온수 용액(80 mM). 그런 다음 준비된 Se²⁻ 솔루션 및 Cd²⁺ 용액을 함께 혼합하였다. 준비된 그대로의 CdS가 코팅된 광양극을 상기 혼합 용액에 24°C에서 2 시간 동안 암실에서 넣었다. ZnS 패시베이션을 위해 0.1 M Zn(CH₃ COO)₂ 및 0.1 M Na₂ S(메탄올과 물 1:1 v/v 포함) 용액을 1 분 교대로 4 주기 동안. 태양 전지의 활성 영역은 0.25 cm² 입니다. . 다황화물 전해질(2 M Na₂ 메탄올과 탈이온수 7:3 v/v)가 포함된 S 및 2 M S 용액을 인젝터를 통해 세포에 수혈했습니다.

전기화학 측정

전기화학적 분석은 DyneChem 전기화학적 워크스테이션에 의해 수행되었으며 백금 및 Ag/AgCl이 각각 상대 전극 및 기준 전극으로 사용됩니다. 2 M 폴리설파이드 전해질에서 순환 전압전류도 및 tafel 분극 곡선을 테스트했습니다. QDSSC의 Nyquist 플롯은 하나의 완전한 태양 강도의 조명 아래 있습니다. EIS 측정 중에 사용된 전압은 0.5 V입니다.

특성화

표면 형태는 주사전자현미경(SEM)(JEOL7610)으로 분석하였고, 시료의 특성은 X선 광전자 분광기(XPS)(Kratos Axis UltraDLD)로 측정하였으며, J –V QDSSC의 곡선은 Keithley 2400 소스 미터(Zolix Instruments Co., Ltd.)로 측정되었습니다. 적외선 온도 이미지는 FLIR T460으로 얻은 것입니다.

결과 및 토론

Cu₂를 포함하여 QDSSC의 상대 전극으로 사용할 수 있는 다양한 나노구조 재료가 있습니다. S, CoS, GeC[35], NCW[36]. 그러나 Cu₂ 황동 메쉬 기반 S 상대 전극은 Sn^2- 에 대해 이상적인 촉매 활성을 나타냅니다. /S²⁻ 레독스 커플. Cu₂를 준비하려면 S 상대 전극에는 두 가지 다른 방법이 사용됩니다. 하나는 염산으로 황동 메쉬 표면의 Zn을 제거한 다음 CH₄가 포함된 혼합 용액에 메쉬를 담그는 것입니다. N₂ S 및 C₂ H₈ N₄ 24 시간 동안 [37]. 결과 Cu₂의 SEM 이미지 S 덮인 메쉬는 그림 2a-c에 나와 있습니다. 확대된 SEM 이미지는 세분화된 구조의 Cu₂를 나타냅니다. S가 형성됩니다. 그림 2d의 단면도는 Cu₂의 존재를 나타냅니다. 황동 와이어에 S 필름, 그들 사이의 균열은 단면 샘플 준비 중 절단에서 시작되며 두께는 그림 2e에서 약 1.3 μ3oss 단면 samp입니다. 거기에 존재하는 유일한 요소는 Cu와 S , 그리고 Cu 대 S의 원자비는 대략 2이다. Cu와 S의 XPS 스펙트럼은 각각 그림 2f와 h에 나와 있다. 952 eV 및 932.5ev에서 Cu 2p의 피크는 각각 Cu 2p1/2 및 Cu 2p3/2의 전자 결합 에너지에 해당하며, 이는 Cu¹⁺ [38]. 163.5 eV 및 161 eV에서 S 2p에서 관찰된 피크는 각각 S 2p1/2 및 S 2p3/2에 해당하며, 이는 S^2- 와 일치합니다. [39]. 이 결과는 Cu₂의 성공적인 준비를 확인합니다. 황동 메쉬의 S 필름과 표면 형태는 넓은 표면적과 충분한 촉매 활성을 보장해야 합니다.

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메쉬 구조 Cu₂의 SEM 이미지 S 상대 전극:a 평면도; ㄴ , ㄷ 표면 형태의 확대도; d Cu₂의 단면도 및 확대도 S층. 이 Cu₂의 EDS S. 에 , 지 Cu₂의 XPS 조사 스펙트럼 S 샘플

다른 방법은 황동 메쉬를 먼저 염산에 넣은 다음 다황화물 전해질(1 M Na₂)에 담그는 이전 보고서에서 광범위하게 사용되었습니다. S 및 1 M S) 적절한 시간 [40]. 해당 결과는 그림 S2에 나와 있습니다. 확대된 SEM 이미지는 플레이크 구조의 Cu₂를 나타냅니다. S가 형성됩니다. 단면도는 Cu₂의 존재를 나타냅니다 황동 와이어의 S 필름, 두께도 약 1.3 μ.3s입니다. Cu XPS 스펙트럼은 각각 Cu 2p3/2 및 2p1/2에 해당하는 933.1 eV 및 952.5 eV에서 피크를 보여줍니다[41]. S 2p 스펙트럼은 162.4 eV에서 피크를 보여 S^2- 의 존재를 확인합니다. [42]. Cu₂의 효과 세포 성능에 대한 S 형태를 추가로 조사합니다.

서로 다른 아키텍처와 CE를 사용하는 셀의 성능을 특성화하기 위해 광전류 밀도-전압(J –V ) 곡선이 획득되어 그림 3a-d에 표시됩니다. 단일 광양극 장치 및 이중 광양극 장치는 모두 입상 및 플레이크 Cu₂와 비교하기 위해 제작되었습니다. S는 각각 CE로 표시됩니다. 셀을 조명하는 방법에는 그림 4e와 같이 위쪽, 아래쪽 및 이중 방향의 세 가지가 있으며 다양한 조명 조건에서 작동하는 셀의 동작이 자세히 조사되고 해당 셀 매개 변수는 표 1에 요약되어 있습니다. -회로 전압(V _oc ), 단락 전류(J _sc ), 채움 계수(FF), PCE로 괄호 안의 값은 20개 그룹 셀의 실험 평균값이고 괄호 안의 값은 챔피언 값입니다. 입상 및 플레이크 Cu₂가 있는 단일 광양극 장치에 대한 테스트 구성 CE로서의 S는 그림 S3에 표시되고 J –V 곡선은 그림 3a 및 b에 나와 있습니다. 상하좌우로 조사되는 PCE는 각각 2.32%, 2.00%, 3.59%이며, V _oc 약 0.6 V로 유지되고 PCE의 주요 증가는 상승된 J 때문입니다. _sc . 이것은 단일 광양극 소자이기 때문에 증가된 J _sc 이는 광양극에서 증가된 광 생성 전자를 초래하는 바닥 조사로 인한 증가된 광 강도 때문이어야 합니다. 하향 조사의 PCE는 상부에서 오는 평행광보다 강도가 높더라도 하향 조사의 PCE가 상부 조사의 PCE보다 낮다는 점에 유의해야 합니다. 이는 그림 S3에서 설명할 수 있습니다. 단일 광양극 QDSSC에 빛을 집중할 때 빛은 FTO 유리를 통과한 다음 Cu₂를 통과해야 합니다. S 메쉬 CE 및 전해질이 상부 광양극에 도달하여 어느 정도 광에너지 손실을 유도합니다. 우리의 결과로부터, 상부 광양극에 도달하는 광에너지의 세기는 상부에서 평행광 조사보다 약할 것이다. 따라서 집중광 조사에서 단일 광양극 셀 구조의 PCE는 상부에 평행광 조사 하에서의 PCE보다 낮습니다. 그림 S4에 표시된 테스트 구성을 채택하여 추가로 지원할 수 있습니다. 작업 전극으로 바닥 광양극에 직접 빛을 집중하면 4.32%의 PCE와 21.6 mA cm⁻² 의 단락 전류를 달성합니다. , 광양극을 조사하는 평행광에 의해 생성된 단락 전류의 거의 2배, 이는 집광 후 광자 플럭스가 위에서 평행광의 2배임을 의미합니다. 광자 플럭스의 변화로부터 집광 계수가 2임을 계산할 수 있으며 이는 측정 결과와 일치합니다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, Cu₂ 입상 구조를 갖는 이중 광양극 전지 구조의 평균 PCE S CE는 바닥면에서 빛을 집중시키는 조건에서 5.51%이고 PCE의 증가는 상단 광전극의 기여로 인한 것으로 상단 광양극이 집광 조건에서 더 많은 광자를 포착함을 나타냅니다.

<그림>

챔피언 J –V 다른 구조를 가진 QDSSC의 곡선. 아 단일 광양극 및 세분화된 Cu₂ 에스 CE. ㄴ 단일 광양극 및 플레이크 Cu₂ 에스 CE. ㄷ 이중 광양극 및 세분화된 Cu₂ 에스 CE. d 이중 광양극 및 플레이크 Cu₂ 에스 CE. 이 이력서 및 g 두 Cu₂의 타펠 편광 곡선 S CE, 각각. 에 CV에서 연구한 다양한 CE의 전기화학적 안정성. 아 하나의 완전한 태양 강도의 조명 하에서 다른 CE 및 다른 구조를 가진 QDSSC의 Nyquist 플롯. 나 h에서 검은색 점선 프레임의 확대된 부분

<사진>

다양한 조명 조건의 적외선 사진:a 조명 없이 b 위쪽에 평행광, c 포물선 반사경에서 집중된 빛, d 양쪽의 빛이 동시에 빛나고 e 다양한 조명 조건의 시뮬레이션 다이어그램

입상 Cu₂가 있는 이중 광양극 장치의 경우 S는 CE로서 상하좌우로 조사되는 PCE는 2.64%(J _sc =11.552 mA cm⁻² ), 5.53%(J _sc =26.287 mA cm⁻² ) 및 8.28%(J _sc =32.247 mA cm⁻² ), 각각. 상단에서 조사되는 기존 단일 광양극 구조(2.32%)와 비교하여 PCE가 260% 증가합니다. PCE의 증가는 분명히 J 증가로 인한 것입니다. _sc , 이중 광양극이 병렬 구성으로 작동함을 나타냅니다. 바닥에서 집중된 빛의 측정된 광도는 위쪽 평행광의 약 2배입니다. 집중광의 조사 조건에서 QDSSC의 PCE는 상부 평행광의 PCE보다 높아야 합니다. 하부 조사의 PCE가 상부 조사의 PCE에 비해 2배 이상인 것은 현재의 결과와 일치한다.

플레이크 Cu₂ S CE는 유사하지만 광기전 매개변수에서 전반적인 감쇠 값을 보여줍니다. Cu₂의 두 아이의 상세한 기원, 순환 전압전류도(CV) 곡선 및 타펠 분극 곡선을 탐색하기 위해 S CE는 3전극 시스템을 사용하여 측정됩니다. 그림 3e는 CV 곡선이며 세분화된 Cu₂ S는 더 높은 전류 밀도를 나타냅니다. 입상 Cu₂의 감소 피크 S는 플레이크 Cu₂보다 높습니다. S, S²⁻ 의 더 빠른 산화환원 반응 속도를 나타냅니다. /S_n ²⁻ 전해질에서. 그림 3f는 Cu₂의 CV 곡선을 보여줍니다. 1~25 주기의 다양한 형태를 가진 S 전극. CV 곡선의 모양과 피크의 위치에 대해 뚜렷한 변화가 발견되지 않았습니다. CV 곡선은 연속 스캔에서 잘 중첩되어 전극의 두 가지 형태가 모두 우수한 화학적 안정성을 가지고 있음을 나타냅니다. 그림 3g에서 교환 전류 밀도(J ₀ ) 입상 Cu₂ S는 플레이크 Cu₂의 것보다 큽니다. S. CV 및 tafel 분극 곡선의 시험 결과에 따르면, 입상 Cu₂의 촉매 활성이 S는 Cu₂보다 우수합니다. 에스 필름. 이는 J의 태양광 성능과 일치합니다. –V 그림 3a-d의 곡선. 상대 전극의 촉매 활성을 추가로 확인하기 위해 EIS 스펙트럼을 연구하고 그림 3h에 표시합니다. 보라색 실선은 피팅 곡선을 나타내며 피팅 데이터는 표 2에 요약되어 있습니다. R _ct1 , R _ct2 , 및 R _s 는 각각 상대 전극의 전하 이동 저항, 광양극/전해질 계면의 전하 이동 저항, 직렬 저항을 나타냅니다. 단일 광양극 셀의 구조와 R의 전하 이동 저항이 _ct1 세분화된 Cu₂용 S 및 플레이크 Cu₂ S는 3.522 및 6.753Ω cm입니다.² , 각각 5.990 및 8.088 Ω·cm² 이중 광양극 전지 , 각각. 더 작은 R _ct1 세분화된 Cu₂ S는 더 작은 전하 이동 저항으로 인해 더 나은 전도성을 나타냅니다.

흡수체 내부의 광자 플럭스는 Lambert-Beer 법칙을 따릅니다.

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

여기서 b (이 , x )는 위치 x에서 QD가 수신한 광자 플럭스입니다. , bs (이 )는 태양 조사에 대한 수직 방향으로 받은 광자 플럭스, R (이 )는 인터페이스의 반사율이며 α (이 , x )는 위치 x에서의 흡수 계수입니다. . CPV는 광전지 변환을 위해 넓은 영역에서 입사광을 수집하고 태양 전지의 작은 영역에 집중시킵니다. 집중 계수 X 광자 플럭스 밀도 b의 증가된 시간인 집광 태양 전지의 성능을 설명하는 중요한 매개변수입니다. (이 ) 또한 태양전지 면적에 대한 수집된 입사광 면적의 비율로 근사화됩니다. 집광된 빛은 반집중각(θ _X ) 및 태양 광자 플럭스의 증가된 시간 b _s (이 ,x ) 집중 계수 X와 동일 . 따라서 CPV의 경우 Eq. (1)은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

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

광전류(J _ph ) 광자 플럭스와 태양 전지의 성능에 의해 결정되는 광 조건에서 태양 전지에 의해 생성된 J _ph J와 같습니다. _sc , 그리고 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

$$ J\mathrm{ph}=J\mathrm{sc}=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{QE}(E) bs\left(E, Ts\right) dE $$ (3 )

여기서 Q 기본요금입니다. 양자 효율(QE)은 광자 에너지의 함수입니다. 우리는 수집기의 광자 플럭스가 bs라고 가정합니다. ₂ Y입니다. 상단 광자 플럭스 bs의 배 ₁ 및 J _sc 아래쪽에서 조사된 이중 광양극 전지의 는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

$$ J\mathrm{sc}(Ybs)=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{Q}E(E)\cdot Y\cdot bs\left(E, Ts\right) dE\approx {YJ}_{\mathrm{sc}} $$ (4)

따라서 J의 합은 _sc1 상부에서 평행광 조사 조건에서의 값 및 J _sc2 아래쪽에서 집중광 조사 조건에서 값은 J와 같아야 합니다. _{sc1, 2} PV의 양면에 광 조사에 의해 생성됩니다. 식 (4)는 기본적으로 J와 일치합니다. –V 결과는 표 1에 나와 있지만 약간의 편차가 있습니다. J에서 알 수 있듯이 _sc 데이터, J의 합 _sc1 위에서 조명 및 J _sc2 아래에서 조명은 J보다 약간 작습니다. _{sc1, 2} 이중 광양극 장치의 경우 양쪽에서 조명. 편차는 다른 조명 조건에서 QDSSC의 온도 변화로 인한 광열 효과로 인한 것입니다.

광전기 장치에 초점을 맞춘 빛은 열 축적을 유도하고 온도를 증가시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 현재 작업에서 광도 측정기로 측정된 포물선 반사기에서 집중된 빛의 광자 플럭스는 일반 태양광 시뮬레이터의 약 2배입니다. 이는 농도 계수가 2라는 것을 의미하며 이는 실제 CPV 장치보다 훨씬 작습니다. 그러나 열 축적이 전지에 미치는 영향을 조사하는 것은 여전히 필요합니다. 적외선(IR) 카메라를 사용하여 다양한 테스트 조건에서 온도 변화를 모니터링합니다. 사용된 포물면 반사경의 초점거리는 6.5 cm입니다. 약 1.5cm² 활동 영역의 전체 조명을 보장하기 위해 포물선 반사판의 초점 아래 0.5 cm 떨어진 곳에 광전지 장치를 배치합니다.² . 이중 광양극 장치의 IR 온도 이미지는 그림 4b-d에 표시되고 해당 조사 조건은 그림 4e에 표시됩니다. 조사되지 않은 장치와 비교하여 온도 증가는 각각 9.3 °C, 20.6 °C 및 32.6 °C입니다. 양면 조사는 위에서 아래로 개별 조사의 합보다 더 높은 온도 상승을 보여 여기에 관련된 재료 또는 계면에서 추가 메커니즘을 나타냅니다. S²⁻ 의 반응 /S_n ²⁻ 전해질과 계면에서 다른 온도에서는 유사하지 않습니다. Arrhenius 공식에 따르면 PV의 화학 반응 속도는 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 온도가 증가함에 따라 QDSSC 전극 근처의 산화환원 반응이 강화되어 광양극에서 광발생 구멍의 고갈이 가속화되어 에너지 여기 산화 환원 반응이 크게 감소했습니다.

결론

요약하면, 우리는 CPV 개념을 이중 광양극 설계로 QDSSC에 통합하여 새로운 태양 전지 아키텍처를 설계합니다. 더 나은 빛 수확을 보장하기 위해 Cu₂ S 메쉬는 상대 전극으로 사용되며 두 개의 광양극 사이에 끼어 있으며 Cu₂의 효과 세포 성능에 대한 S 형태를 조사하고 최적화합니다. 특수 설계는 상단에서 조사된 단일 광양극과 비교하여 PCE에서 260% 향상을 달성한 것으로 나타났습니다. 개방 전압 회로는 변하지 않지만 이중 광양극 설계는 전류 밀도를 크게 증가시켜 PCE를 증가시킵니다. 또한 CPV에 의해 유도된 광열 효과는 PCE 개선에 도움이 될 수 있으며, 챔피언 PCE는 8.28%(V _oc =0.629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻² ) 성취됐다. 현재는 QDSSC의 PCE를 향상시키는 새로운 방법을 제공하지만 CPV 부분을 위한 장치 설계가 더욱 최적화될 수 있고 셀의 성능이 더욱 향상될 수 있다는 점을 언급해야 합니다. 우리는 더 나은 QD sensitizer와 장치 설계 기술을 사용하여 현재 작업에서 제안한 아이디어가 QDSSC에서 큰 발전을 유도하고 다른 태양 전지로 확장될 수 있다고 믿습니다.