집광 태양광과 이중 광양극으로 양자점 태양전지 효율 향상

초록

지난 20년간 양자점 감응 태양전지(QDSSC)의 전력 변환 효율(PCE) 향상을 위한 큰 노력에도 불구하고, QDSSC의 효율은 여전히 이론적 값에 크게 못 미칩니다. 현재 PCE 향상 접근법은 주로 양자점(QD)의 밴드갭 조절로 흡수 범위를 넓히고 구성 요소 간 계면을 최적화하는 데 집중되어 있습니다. 본 연구에서는 집광 태양전지(CPV) 개념을 이중 광양극 설계의 QDSSC에 통합한 새로운 태양전지 구조를 제안합니다. Cu₂S 메시를 대향 전극으로 사용하여 두 광양극 사이에 샌드위치 구조로 배치했습니다. 이 설계된 배터리 구조는 단일 광양극 대비 PCE를 260% 증가시킬 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 CdS/CdSe QD 감응제를 사용하여 8.28%(V_oc = 0.629 V, J_sc = 32.247 mA cm⁻²)의 최고 PCE를 달성했습니다. 이는 주로 이중 광양극 설계와 CPV 개념 채택으로 인한 J_sc 증가 때문입니다. 또한 집광 태양광 조명으로 인한 광열 효과가 폴리설파이드 종의 전환과 관련된 선행 화학 반응을 가속화하는 또 다른 이유입니다. 본 연구에서 보고된 셀 제조 및 설계는 QDSSC의 추가 발전을 위한 새로운 통찰을 제공합니다.

서론

유망하고 비교적 경제적인 광전 변환 소자인 양자점 감응 태양전지(QDSSC)는 높은 이론적 전력 변환 효율(PCE)[1, 2]로 인해 큰 주목을 받아 왔습니다. QDSSC는 염료 감응 태양전지의 구조를 계승하여, 광양극(일반적으로 넓은 밴드갭의 다공성 산화물 반도체 층에 반도체 QD 감응제가 코팅된 것), 액체 전해질, 대향 전극을 포함합니다. 잠재적 상업적 응용을 위해 셀 PCE를 향상시키기 위해, 주로 재료 관점에서 수많은 전략이 연구되어 왔습니다. 새로운 QD 감응제 합성으로 흡수 범위 확대, 다공성 박막[3], 나노튜브[4, 5], 나노로드[6, 7] 등 다양한 나노구조의 광양극 제조로 전자 추출 개선, 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한 귀금속 도핑 광양극 제조[8, 9], Pt 대향 전극을 대체하기 위한 설파이드 및 기타 대향 전극 개발, 다양한 전해질 합성 등이 포함됩니다.

QDSSC의 광전 변환 효율을 제한하는 가장 중요한 요인 중 하나는 태양 복사의 좁은 흡수 범위[10]입니다. 흡수 영역은 광양극 박막과 QD에 강하게 의존합니다. QD의 밴드갭을 좁히는 것은 흡수 범위를 넓히는 효과적인 방법입니다. Zhong 등은 Zn-Cu-In-Sn 합금 QD를 합성하여 QDSSC의 PCE를 크게 개선하고 여러 QDSSC PCE 기록을 수립했습니다[11,12,13]. 현재 Zhao 등이 달성한 QDSSC의 최고 보고 PCE는 14.02%입니다[14]. 그들의 연구에서 Zn-Cu-In-Sn 합금 QD를 감응제로 사용했고, 대향 전극(CE)은 탄소 나노튜브와 그래핀으로 도핑된 CuS를 사용하여 QDSSC PCE의 새로운 수준을 열었습니다. 그러나 태양광 흡수를 향상시키기 위해 밴드갭을 과도하게 감소시키면 전도대 가장자리의 하향 이동으로 인해 개방 회로 전압 손실이 발생하고 소자 성능이 저하됩니다.

셀 성능을 더욱 개선하기 위해 소자 구조가 고려되었습니다. 염료 감응 태양전지와 콜로이드 양자점 태양전지[15]에서 탠덤 구조는 이미 PCE 한계를 돌파하는 중요한 접근법으로 사용되어 왔습니다[16, 17]. 대부분의 염료 감응 태양전지 탠덤 구조에서, 반투명 Pt(전도성 유리 위) 또는 Pt 메시가 셀 중간에 대향 전극으로 적용됩니다[18]. TiO₂ 박막은 동일하거나 다른 염료로 감응된 두 개 이상의 층으로 분리되어 스펙트럼 응답을 넓히고 셀 성능을 크게 향상시킵니다[19,20,21]. QDSSC의 경우, Meng 등은 반투명 메시 구조 Cu₂S 대향 전극을 두 TiO₂ 광전극 사이에 샌드위치한 이중 광양극 구조를 설계했습니다. 상단 전극에서 1일조 조명 하에 최적화된 셀은 PCE가 12% 증가했습니다[22]. 그들의 연구에서 탠덤 구조가 QDSSC에 처음으로 사용되었습니다. 그러나 배터리 탠덤 구조의 광 이용 효율은 제한적입니다. Xu 등은 근적외선(NIR) 빛으로 CuS 대향 전극을 조명하여 전극-전해질 계면에서 폴리설파이드 환원을 향상시킴을 보였으며, 15% PCE 증가를 보였는데, 이는 광열 효과와 플라즈몬 공명 흡수에 기인합니다[23].

지난 수십 년간의 큰 노력 덕분에 QDSSC의 PCE는 병렬 소자인 염료 감응 태양전지와 비교 가능해졌습니다. 그러나 QDSSC의 효율은 여전히 이론적 값에 크게 못 미치며, 상업적 응용을 위해 해결되어야 할 과제로 남아 있습니다. 따라서 QDSSC의 PCE를 높이기 위한 새로운 전략 탐색은 여전히 시급한 과제입니다. 본 연구에서는 이중 다공성 TiO₂ 광양극과 Cu₂S 메시 대향 전극 설계[24]로 CPV 개념을 QDSSC에 통합하여, 기존 단일 광양극 소자 대비 260% PCE 증가를 달성했습니다. 가장 널리 사용되는 CdS/CdSe QD 감응제로 8.28%(V_oc = 0.629 V, J_sc = 32.247 mA cm⁻²)의 최고 PCE를 달성했습니다.

광 관리는 태양전지의 변환 효율을 개선하는 중요한 기술로, 태양전지가 받는 광자 플럭스를 증가시키는 것을 목표로 합니다[25]. 광 포획 구조는 광 관리에 일반적으로 사용되는 방법으로, 거울[26, 27], 램버트 표면[28], 텍스처 표면[29, 30] 등이 있습니다. 광 포획 효과로 광학 경로 길이가 증가하여 태양전지의 PCE가 향상됩니다. 기본적인 광 포획 구조 중 하나는 태양전지 후면에 거울을 준비하는 것이며, 거울의 반사율은 95%까지 높일 수 있습니다[31]. 위 논의에 영감을 받아, 그림 1은 본 연구에서 사용된 소자 구조를 보여줍니다. 이중 TiO₂ 광양극 설계가 채택되었으며, Cu₂S 메시가 대향 전극으로 그 사이에 배치됩니다. TiO₂ 광양극의 두께는 약 4.5 μm로 그림 S1에서 확인할 수 있습니다. 상단 셀과 하단 셀은 동일한 재료와 구조를 사용하므로, 두 광양극의 다른 반도체 재료의 격자 상수와 팽창 계수를 고려할 필요가 없습니다. Cu 메시 위에 성장된 Cu₂S 대향 전극은 상단 셀에서 투과된 빛이 하단 광양극에 도달하도록 합니다. 상단의 넓은 밴드갭 물질이 고에너지 광자를 걸러내고, 저에너지 광자는 이를 통과하여 하단 셀의 좁은 밴드갭 물질에 흡수됩니다. 분명히 이중 광양극 구조는 더 많은 빛을 포착하여 전류 밀도를 증가시키므로 단일 광양극 구조보다 PCE가 높습니다. 그러나 상단 방향에서만 조명하면 단일 광양극 소자 대비 18% PCE 증가에 그치는데[22], 이는 상단 셀의 강한 흡수와 반사로 인해 하단 셀에 불충분한 빛 밀도가 남기 때문입니다.

하단 셀이 포착하는 빛이 제한적임을 고려하여, 현재 소자에 집광 태양전지(CPV) 개념[32, 33]을 도입하고 하단 광양극 아래에 포물선 반사경을 설치했습니다. CPV 시스템은 광학 요소를 사용하여 빛을 태양전지의 작은 영역에 집중시켜, 비용을 최소화하면서 광전 기술의 효율을 향상시킵니다. 셀 면적 축소로 CPV 비용이 평판 광전지와 경쟁할 수 있게 됩니다. 그림 1과 같이 포물선 반사경이 하단 광양극에 빛을 집중시킵니다. 반사경과 하단 광양극 사이의 거리를 조절하여 활성 영역을 셀 면적에 맞출 수 있습니다. 또한 증강된 빛이 투과되어 상단 광양극에 도달하여 흡수를 위한 추가 흥분 에너지를 제공합니다. 물론 CPV로 인한 광열 효과가 PV 성능에 영향을 미칠 것입니다[34], 이는 나중에 자세히 논의하겠습니다.

방법

재료

이산화 티타늄(99.8%, 10-25 nm, TiO₂)과 아황산나트륨(AR, Na₂SO₃)은 Aladdin에서 공급받았습니다. 불소 도핑 산화주석 전도성 유리(FTO, 두께 1.6 mm, 투과율 83%, 시트 저항 15/□)는 Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd.(중국)에서 구매했습니다. 메탄올(AR, CH₃OH), 에탄올(AR, CH₃CH₂OH), 아세톤(AR, CH₃OCH₃)은 Beijing Chemical Works(중국)에서 공급받았습니다. 에틸렌디아민(AR, C₂H₈N₄)과 셀레늄(AR, Se)은 Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute(중국)에서 구매했습니다. 염산(36%, HCl), 에틸 셀룰로오스 에톡세(AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]_n), 알파-테르피네올(AR, C₁₀H₈O), 아세트산 카드뮴(AR, Cd(CH₃COOH)₂), 아세트산 아연(AR, Zn(CH₃COOH)₂), 황화나트륨(AR, Na₂S·9H₂O), 황(AR, S), 티오우레아(AR, CH₄N₂S)는 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(중국)에서 공급받았습니다. 아세트산 니트릴로트라이아세트산 삼나트륨(98%, C₆H₉NNa₃O₆)은 TCI(Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd.(중국)에서 구매했습니다. 황동 메시는 Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd.(중국)에서 공급받았습니다.

Cu₂S 대향 전극 제조

황동 메시를 70°C에서 36% HCl에 2시간 담가 Cu 메시 표면의 아연을 제거했습니다. 구리 메시를 용액에서 꺼내 탈수수로 헹구고 실온에서 건조했습니다. 그런 다음 Cu 메시를 1 M Na₂S와 1 M S를 함유한 수용액에 5초간 담가 플레이크 형태의 Cu₂S를 얻고, 탈수수로 씻고 실온에서 건조했습니다. 입상 Cu₂S를 제조하기 위해, HCl(36%)로 처리된 Cu 메시를 CH₄N₂S(0.01 M)와 C₂H₈N₄(0.4 ml) 혼합 용액에 24시간 담근 후, 탈수수로 씻고 실온에서 건조했습니다.

CdS/CdSe QD 공동 감응 TiO₂ 광양극 제조

TiO₂ 메조포러스 박막은 TiO₂(0.01 M), EC(0.4 g), C₁₀H₈O(3.245 g), CH₃CH₂OH(8.5 ml)를 함유한 페이스트를 세척된 FTO 기판에 스핀 코팅하여 제조했으며, 60°C 오븐에서 건조한 후 450°C에서 30분간 어닐링하여 유기 용매를 제거했습니다. 스핀 코터 회전 속도는 7500 rpm으로 30초간 유지했습니다. 연속 이온층 흡착 및 반응(SILAR) 공정을 사용하여 CdS QD를 증착했습니다. 일반적으로 TiO₂ 박막을 메탄올 용액의 Cd(CH₃COOH)₂(0.12 M)과 Na₂S 용액(메탄올과 탈수수 1:1 v/v, 0.02 M)에 번갈아 30초씩 각 사이클당 총 5사이클 담갔습니다. CdSe QD는 화학적 욕실 증착(CBD) 방법으로 코팅했습니다. 상세히, Cd²⁺와 Se²⁻ 공급원을 함유한 용액을 다음 방법으로 제조했습니다. 1.55 g Na₂SO₃를 25 ml 탈수수에 녹였습니다. 0.155 g Se 분말을 Se²⁻ 공급원으로 위 용액에 첨가했습니다. 획득한 용액을 교반 조건 하에 오일 배스로 125°C에서 3시간 가열했습니다. Cd²⁺ 용액은 25 ml 니트릴로트라이아세트산 탈수수 용액(120 mM)과 25 ml Cd(CH₃COO)₂ 탈수수 용액(80 mM)을 혼합하여 제조했습니다. 그런 다음 제조된 Se²⁻ 용액과 Cd²⁺ 용액을 혼합했습니다. 제조된 CdS 코팅 광양극을 위 혼합 용액에 24°C에서 2시간 동안 암실 조건으로 담갔습니다. ZnS 패시베이션을 위해, 감응된 박막을 0.1 M Zn(CH₃COO)₂와 0.1 M Na₂S(메탄올과 물 1:1 v/v) 용액에 번갈아 1분씩 4사이클 담갔습니다. 태양전지의 활성 면적은 0.25 cm²입니다. 폴리설파이드 전해질(메탄올과 탈수수 7:3 v/v로 2 M Na₂S와 2 M S 용액)을 주입기로 셀에 주입했습니다.

전기화학적 측정

전기화학 분석은 DyneChem 전기화학 워크스테이션으로 수행했으며, 백금과 Ag/AgCl을 각각 대향 전극과 기준 전극으로 사용했습니다. 순환 볼타모그램과 타펠 분극 곡선은 2 M 폴리설파이드 전해질에서 테스트했습니다. QDSSC의 나이퀴스트 플롯은 1일조 강도 조명 하에서 측정되었습니다. EIS 측정 중 사용된 전압은 0.5 V입니다.

특성 분석

표면 형상은 주사 전자 현미경(SEM, JEOL7610)으로 분석했고, 시료 특성은 X선 광전자 분광법(XPS, Kratos Axis UltraDLD)으로 측정했습니다. QDSSC의 J-V 곡선은 Keithley 2400 소스 미터(Zolix Instruments Co., Ltd.)로 측정했습니다. IR 온도 이미지는 FLIR T460으로 획득했습니다.

결과 및 논의

QDSSC의 대향 전극으로 사용할 수 있는 수많은 나노구조 재료가 있습니다. Cu₂S, CoS, GeC[35], NCW[36] 등이 있습니다. 그러나 황동 메시 기반 Cu₂S 대향 전극은 Sn²⁻/S²⁻ 산화환원 쌍에 대한 이상적인 촉매 활성을 보입니다. Cu₂S 대향 전극을 제조하기 위해 두 가지 다른 방법이 사용되었습니다. 하나는 염산으로 황동 메시 표면의 아연을 제거한 후, CH₄N₂S와 C₂H₈N₄를 함유한 혼합 용액에 24시간 담그는 방법입니다[37]. 결과적인 Cu₂S 코팅 메시의 SEM 이미지는 그림 2a-c에 표시되어 있습니다. 확대 SEM 이미지는 입상 구조의 Cu₂S가 형성됨을 보여줍니다. 그림 2d의 단면도는 황동 와이어上的 Cu₂S 박막의 존재를 나타내며, 그들 사이의 균열은 단면 시료 제조 중 절단에서 기인하며, 두께는 약 1.3 μm입니다. 그림 2e의 EDS는 그곳에 존재하는 원소가 Cu와 S뿐이며, Cu와 S의 원자 비율이 약 2임을 보여줍니다. Cu와 S의 XPS 스펙트럼은 각각 그림 2f와 h에 표시되어 있습니다. 952 eV와 932.5 eV의 Cu 2p 피크는 각각 Cu 2p_1/2와 Cu 2p_3/2의 전자 결합 에너지에 해당하며, Cu¹⁺와 일치합니다[38]. 163.5 eV와 161 eV에서 관찰된 S 2p 피크는 각각 S 2p_1/2와 S 2p_3/2에 해당하며, S²⁻와 일치합니다[39]. 이 결과들은 황동 메시上에 Cu₂S 박막이 성공적으로 제조되었음을 확인하며, 표면 형태는 큰 표면적과 충분한 촉매 활성을 보장할 것으로 예상됩니다.

다른 방법은 이전 보고서에서 광범위하게 사용된 방법으로, 황동 메시를 먼저 염산에 넣은 후, 폴리설파이드 전해질(1 M Na₂S와 1 M S)에 적절한 시간 동안 담그는 방법입니다[40]. 해당 결과는 그림 S2에 표시되어 있습니다. 확대 SEM 이미지는 플레이크 구조의 Cu₂S가 형성됨을 보여줍니다. 단면도는 황동 와이어上的 Cu₂S 박막의 존재를 나타내며, 두께도 약 1.3 μm입니다. Cu XPS 스펙트럼은 933.1 eV와 952.5 eV에서 피크를 보이며, 각각 Cu 2p_3/2와 2p_1/2에 해당합니다[41]. S 2p 스펙트럼은 162.4 eV에서 피크를 보이며, S²⁻의 존재를 확인합니다[42]. Cu₂S 형태가 셀 성능에 미치는 영향을 추가로 조사했습니다.

서로 다른 구조와 CE를 가진 셀의 성능을 특성화하기 위해 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 획득하여 그림 3a-d에 표시했습니다. 단일 광양극 소자와 이중 광양극 소자를 각각 입상 및 플레이크 Cu₂S를 CE로 사용하여 비교 제작했습니다. 셀을 조명하는 세 가지 방법이 있습니다: 상단, 하단, 양방향(그림 4e 참조). 서로 다른 조명 조건에서 셀 작동 거동을 자세히 조사했으며, 해당 셀 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 개방 회로 전압(V_oc), 단락 전류(J_sc), 충전율(FF), PCE가 포함되며, 괄호 밖의 값은 20개 그룹 셀의 실험적 평균이고 괄호 안의 값은 최고 값입니다. 입상 및 플레이크 Cu₂S를 CE로 사용한 단일 광양극 소자의 테스트 구성은 그림 S3에 표시되어 있으며, J-V 곡선은 그림 3a와 b에 표시되어 있습니다. 상단, 하단, 양방향 조명 하의 PCE는 각각 2.32%, 2.00%, 3.59%이며, V_oc는 약 0.6 V로 유지되고, PCE의 주요 증가는 J_sc 증가 때문입니다. 이는 단일 광양극 소자이므로, 증가된 J_sc는 하단 조사로 인한 광 강도 증대로 광양극에서 광생성 전자가 증가한 결과여야 합니다. 하단 조명의 PCE가 상단 조명보다 낮다는 점에 주목해야 합니다. 집광된 빛의 강도가 상단의 평행 빛보다 높음에도 불구하고, 이는 그림 S3에서 설명될 수 있습니다. 단일 광양극 QDSSC에 빛을 집광할 때, 빛은 FTO 유리를 통과한 후 Cu₂S 메시 CE와 전해질을 통과하여 상단 광양극에 도달해야 하므로 어느 정도 광 에너지 손실이 발생합니다. 우리 결과에 따르면, 상단 광양극에 도달하는 광 에너지 강도는 상단에서 조사되는 평행 빛보다 약합니다. 따라서 단일 광양극 셀 구조에서 집광 조명 하의 PCE는 상단 평행 조명 하의 PCE보다 낮습니다. 이는 그림 S4에 표시된 테스트 구성을 채택하여 추가로 뒷받침될 수 있습니다. 하단 광양극에 직접 빛을 집중시켜 작업 전극으로 사용하면 4.32%의 PCE와 21.6 mA cm⁻²의 단락 전류를 달성하는데, 이는 평행 빛이 광양극을 조사하여 생성된 단락 전류의 거의 2배입니다. 이는 집광 후 광자 플럭스가 상단 평행 빛의 2배임을 의미합니다. 광자 플럭스 변화로부터 집광 계수가 2임을 계산할 수 있으며, 이는 측정된 결과와 일치합니다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 입상 Cu₂S CE를 가진 이중 광양극 셀 구조의 평균 PCE는 하단 집광 조명 조건에서 5.51%이며, PCE 증가는 상단 광전극의 기여 때문으로, 집광 조건에서 상단 광양극이 더 많은 광자를 포착함을 나타냅니다.

입상 Cu₂S를 CE로 사용한 이중 광양극 소자의 경우, 상단, 하단, 양방향 조명 하의 PCE는 각각 2.64%(J_sc = 11.552 mA cm⁻²), 5.53%(J_sc = 26.287 mA cm⁻²), 8.28%(J_sc = 32.247 mA cm⁻²)입니다. 기존 단일 광양극 구조의 상단 조사(2.32%) 대비 PCE가 260% 증가했습니다. PCE 증가는 명백히 증가된 J_sc 때문으로, 이중 광양극이 병렬 구성으로 작동함을 나타냅니다. 하단에서 오는 집광 빛의 측정된 빛 강도는 상단 평행 빛의 약 2배입니다. 집광 조명 조건 하에서 QDSSC의 PCE는 상단 평행 빛보다 높아야 합니다. 하단 조명에서의 PCE가 상단 조명보다 2배 이상인 현재 결과와 일관됩니다.

플레이크 Cu₂S CE 기반 셀의 거동은 유사하지만 광전 매개변수에서 전반적으로 저하된 값을 보입니다. 자세한 기원을 탐구하기 위해, 두 종류의 Cu₂S CE에 대한 순환 볼타모그램(CV) 곡선과 타펠 분극 곡선을 3전극 시스템으로 측정했습니다. 그림 3e는 CV 곡선이며, 입상 Cu₂S가 더 높은 전류 밀도를 보입니다. 입상 Cu₂S의 환원 피크가 플레이크 Cu₂S보다 높아, 전해질에서 S²⁻/S_n²⁻의 더 빠른 산화환원 반응 속도를 나타냅니다. 그림 3f는 1~25 사이클에 대한 서로 다른 형태의 Cu₂S 전극 CV 곡선을 보여줍니다. CV 곡선의 모양과 피크 위치에서 뚜렷한 변화를 찾을 수 없습니다. CV 곡선이 연속 스캔 하에서 잘 중첩되어, 두 형태의 전극 모두 우수한 화학적 안정성을 가짐을 나타냅니다. 그림 3g에서 볼 수 있듯이, 입상 Cu₂S의 교환 전류 밀도(J₀)가 플레이크 Cu₂S보다 큽니다. CV와 타펠 분극 곡선 테스트 결과에 따르면, 입상 Cu₂S의 촉매 활성이 플레이크 Cu₂S 필름보다 우수함을 시사합니다. 이는 그림 3a-d의 J-V 곡선 광전 성능과 일치합니다. 대향 전극의 촉매 활성을 추가로 확인하기 위해 EIS 스펙트럼을 연구하여 그림 3h에 표시했습니다. 보라색 실선은 피팅 곡선을 나타내며, 피팅 데이터는 표 2에 요약되어 있습니다. R_ct1, R_ct2, R_s는 각각 대향 전극에서의 전하 이동 저항, 광양극/전해질 계면에서의 전하 이동 저항, 직렬 저항을 나타냅니다. 단일 광양극 셀 구조에서 입상 Cu₂S와 플레이크 Cu₂S의 R_ct1 전하 이동 저항은 각각 3.522와 6.753 Ω cm²이며, 이중 광양극 셀에서는 각각 5.990과 8.088 Ω cm²입니다. 입상 Cu₂S의 더 작은 R_ct1은 더 작은 전하 이동 저항으로 인한 더 나은 전도성을 나타냅니다.

흡수체 내의 광자 플럭스는 램버트-비어 법칙을 따릅니다:

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

여기서 b(E, x)는 위치 x에서 QD가 받는 광자 플럭스, bs(E)는 태양 조사에 수직 방향으로 받는 광자 플럭스, R(E)는 계면 반사율, α(E, x)는 위치 x에서의 흡수 계수입니다. CPV는 넓은 영역의 입사광을 모아 태양전지의 작은 영역에 집중시켜 광전 변환을 수행합니다. 집광 계수 X는 집광 태양전지의 성능을 설명하는 중요한 매개변수로, 광자 플럭스 밀도 b(E)의 증가 배수이며, 입사광 수집 면적과 태양전지 면적의 비율로 근사할 수 있습니다. 집광 반각(θ_X) 내에서 집중된 빛이 균일하다고 간주할 수 있으며, 태양 광자 플럭스 b_s(E,x)의 증가 배수는 집광 계수 X와 같습니다. 따라서 CPV에 대해 식 (1)은 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

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

광 조건 하에서 태양전지에 의해 생성되는 광전류(J_ph)는 광자 플럭스와 태양전지 성능에 의해 결정되며, J_ph는 J_sc와 같고 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

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

여기서 Q는 기본 전하입니다. 양자 효율(QE)은 광자 에너지의 함수입니다. 수집기의 광자 플럭스 bs₂가 상단 광자 플럭스 bs₁의 Y배라고 가정하면, 하단 조사 조건 하에서 이중 광양극 셀의 J_sc는 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 상단 평행 조명 조건 하의 J_sc1 값과 하단 집광 조명 조건 하의 J_sc2 값의 합은 PV 양쪽에 빛이 조사될 때 생성되는 J_{sc1, 2}와 같아야 합니다. 식 (4)는 표 1의 J-V 결과와 기본적으로 일치하나 약간의 편차가 있습니다. J_sc 데이터에서 볼 수 있듯이, 상단에서 조사되는 J_sc1과 하단에서 조사되는 J_sc2의 합은 이중 광양극 소자에서 양쪽에서 조사되는 J_{sc1, 2}보다 약간 작습니다. 이 편차는 서로 다른 조명 조건 하에서 QDSSC의 온도 변화로 인한 광열 효과에서 기인해야 합니다.

광전 소자에 집광된 빛이 조사되면 열 축적과 온도 증가를 유도하는 것은 잘 알려져 있습니다. 본 연구에서 포물선 반사경에서 오는 집광 빛의 광자 플럭스는 광 강도계로 측정했을 때 일반 태양광 시뮬레이터의 약 2배입니다. 즉 집광 계수가 2로, 실제 CPV 소자보다 훨씬 작습니다. 그러나 여전히 셀에 대한 열 축적 효과를 조사할 필요가 있습니다. 우리는 적외선(IR) 카메라를 사용하여 서로 다른 테스트 조건 하에서 온도 변화를 모니터링했습니다. 사용된 포물선 반사경의 초점 거리는 6.5 cm입니다. 활성 영역(약 1.5 cm²)의 완전한 조명을 보장하기 위해 포물선 반사경의 초점 0.5 cm 아래에 광전 소자를 배치했습니다. 이중 광양극 소자의 IR 온도 이미지는 그림 4b-d에 표시되어 있으며, 해당 조사 조건은 그림 4e에 표시되어 있습니다. 비조사 소자에 비해 온도 상승은 각각 9.3°C, 20.6°C, 32.6°C입니다. 양면 조명은 상단과 하단 별도 조명의 합보다 더 높은 온도 상승을 보여, 여기서 물질 또는 계면으로부터의 추가 메커니즘이 관여함을 나타냅니다. 전해질과 계면에서의 S²⁻/S_n²⁻ 반응은 서로 다른 온도에서 유사하지 않습니다. 아레니우스 공식에 따르면, PV 내 화학 반응 속도는 온도 증가와 함께 증가합니다. 온도 증가로 QDSSC 전극 근처의 산화환원 반응이 향상되어, 광양극의 광생성 정공 고갈을 가속화하여 에너지 흥분 산화환원 반응을 크게 감소시킵니다.

결론

요약하자면, 우리는 CPV 개념을 이중 광양극 설계의 QDSSC에 통합한 새로운 태양전지 구조를 설계했습니다. 더 나은 흡수를 위해 Cu₂S 메시를 대향 전극으로 사용하여 두 광양극 사이에 샌드위치 구조로 배치했으며, Cu₂S 형태가 셀 성능에 미치는 영향을 조사하고 최적화했습니다. 이 특수 설계가 상단에서 조사된 단일 광양극 대비 260% PCE 향상을 달성함을 보였습니다. 개방 회로 전압은 변하지 않지만, 이중 광양극 설계가 전류 밀도를 크게 증가시켜 PCE를 높입니다. 또한 CPV에 의한 광열 효과가 PCE 향상에 도움이 될 수 있으며, 8.28%(V_oc = 0.629 V, J_sc = 32.247 mA cm⁻²)의 최고 PCE를 달성했습니다. 본 연구가 QDSSC의 PCE 향상을 위한 새로운 길을 제공하지만, CPV 부분에 특화된 소자 설계는 추가로 최적화될 수 있으며, 셀 성능은 더욱 향상될 것입니다. 더 나은 QD 감응제와 소자 설계 기술로 본 연구에서 제안된 아이디어가 QDSSC의 큰 진전을 유도하고 다른 태양전지로 확장될 수 있을 것으로 믿습니다.