Le polyéthylène glycol améliore les photocathodes NiO pour cellules solaires tandem à points quantiques

Résumé

Dans cette étude, un film NiO nanoporeux uniforme jusqu'à 2,6 µm d'épaisseur a été fabriqué en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) dans la solution précurseur. Le PEG a nettement supprimé la formation de fissures et empêché le décollement des substrats en oxyde d'étain dopé au fluor (FTO). La cathode NiO, sensibilisée avec des points quantiques (PQ) de CdSeS, a atteint un rendement de photoconversion record de 0,80 %. Assemblée avec une anode TiO₂, la cellule tandem p-n à PQ a affiché une tension à circuit ouvert (OCV) supérieure aux électrodes individuelles, délivrant 0,43 % de rendement (OCV = 0,594 V, J_SC = 2,0 mA cm⁻², FF = 0,36).

Contexte

L'énergie solaire est appelée à devenir une source d'énergie primaire grâce à sa nature propre, abondante et rapidement déployable. Au cours des trois dernières décennies, les cellules solaires à colorant (DSSC) ont évolué vers des dispositifs efficaces, mais la plupart des progrès se sont concentrés sur les architectures de type n utilisant des photoanodes TiO₂, ZnO ou SnO₂, atteignant des densités de courant de court-circuit (J_SC) supérieures à 15 mA cm⁻² et des rendements proches de 13 %. Les DSSC tandem p-n, combinant une photocathode de type p avec une anode de type n, promettent des OCV plus élevés et des rendements globaux supérieurs. Parmi les avancées notables, on cite une OCV de 0,918 V pour un tandem NiO/TiO₂ sensibilisé par NK-2684 et une OCV de 1079 mV avec optimisation de colorants donneur-accepteur, la plus élevée rapportée pour les tandems p-n à ce jour.

Malgré ces gains, les photocathodes de type p délivrent généralement des photocourants d'un ordre de grandeur inférieurs à leurs homologues de type n, en partie à cause de l'instabilité mécanique des films épais. Des travaux récents ont exploré des nanostructures NiO à grande surface, une cristallinité améliorée et des architectures multicouches pour booster les performances. Cependant, les rendements de photoconversion des électrodes NiO restent dans la gamme 0,02-0,30 % lorsqu'elles sont associées à divers colorants.

Ce travail s'appuie sur la stratégie de polymérisation par copolymère tribloc PEO-PPO-PEO pour synthétiser des films NiO épais, en ajoutant du PEG comme modificateur structural pour améliorer l'intégrité et la porosité du film, permettant finalement des dispositifs tandem à haut rendement sensibilisés par PQ.

Expérimental

Les solutions précurseurs de NiO ont été préparées en dissolvant du NiCl₂ anhydre (1 g) et du F108 (1 g) dans 3 g d'eau déionisée et 6 g d'éthanol. Après une période de repos de 3 jours, du PEG (PM ≈ 20 000) a été ajouté à 0,03, 0,075, 0,15 ou 0,30 g. Le mélange a été agité 4 h et centrifugé à 8000 tr/min. Le gel résultant a été déposé par lame sur verre FTO et séché à température ambiante, puis fritté à 400 °C pendant 30 min sous air. Les PQ CdSeS ont été synthétisés par injection à chaud, et les films NiO ont été sensibilisés par dépôt électrophorétique dans une solution acétonitrile/toluène 1:2,5 (v/v) sous 50 V CC. Les anodes TiO₂ ont été co-sensibilisées avec CdS/CdSe par SILAR, remplaçant le CuS comme contre-électrode pour l'assemblage de la cellule tandem.

La morphologie du film a été examinée par MEB-FE JSM-7001F. Les caractéristiques photocourant-tension (J-V) ont été enregistrées sous illumination AM 1.5G (1 Soleil) avec un sourcemètre Keithley 2440.

Résultats et discussion

L'imagerie MEB a révélé que les films NiO fabriqués sans PEG présentaient des micro-ravinements et des nanosheets recourbées qui se décollaient après plusieurs passages de lame. En revanche, les films contenant du PEG, après sept cycles de lamage, affichaient une surface continue, sans fissures, d'une épaisseur d'environ 2,6 µm. Le PEG agit probablement comme liant, renforçant la cohésion inter-particulaire, et comme agent directeur de structure augmentant la surface spécifique et le volume des pores.

Les mesures J-V ont montré qu'ajouter du PEG jusqu'à 0,15 g améliorait le rendement de photoconversion de 0,08 % (PEG = 0) à 0,32 %. La cathode NiO optimale a atteint OCV = 0,158 V, J_SC = 4,40 mA cm⁻² et FF = 0,46. Un excès de PEG (0,30 g) a causé une dégradation des performances, indiquant une plage de concentration optimale.

En variant l'épaisseur du film (PEG fixé à 0,15 g), on a observé qu'augmenter l'épaisseur de 0,6 à 2,1 µm augmentait l'OCV et le J_SC, mais au-delà d'environ 1,5 µm les bénéfices plafonnaient en raison du transport de trous limité et des durées de vie raccourcies.

Associée à une anode TiO₂, la configuration tandem TiO₂(bas)/NiO(haut) a atteint une OCV de 0,594 V et un rendement global de 0,43 %, surpassant les électrodes individuelles. Bien que le J_SC et le rendement soient inférieurs à ceux de la cathode NiO ou de l'anode TiO₂ seules, cela représente la première démonstration d'un dispositif tandem p-n à PQ, soulignant le potentiel d'optimisation future.

Conclusion

L'incorporation de PEG produit un film NiO nanoporeux sans fissures de 2,6 µm d'épaisseur, avec une stabilité mécanique et une surface spécifique supérieures. La cathode NiO optimisée sensibilisée par PQ délivre 0,80 % de rendement de photoconversion. Intégrée dans une architecture tandem TiO₂/NiO, le dispositif atteint une OCV de 0,594 V et un rendement de 0,43 %, surpassant les électrodes isolées. Les travaux futurs se concentreront sur l'amélioration de l'extraction de charge et la réduction de la recombinaison pour libérer tout le potentiel des cellules solaires tandem p-n à PQ.