Effet du polyéthylène glycol sur la photocathode NiO

Contexte

L'énergie solaire démontre un potentiel en tant que principale source d'énergie à l'avenir en raison de sa propreté, de sa puissance élevée, de son traitement rapide et de sa large disponibilité [1, 2]. Depuis le développement des cellules solaires au cours des 30 dernières années, les cellules solaires sensibilisées sont devenues des dispositifs efficaces pour l'utilisation de l'énergie solaire. Cependant, ces études se concentrent sur les cellules solaires de type n, qui sont basées sur une photoanode de type n sensibilisée, par exemple, TiO₂ , ZnO et SnO₂ [2,3,4,5,6]. La densité de courant de court-circuit était supérieure à 15 mA cm ⁻² , et le rendement de conversion photoélectrique était d'environ 13% [5]. Il et al. ont rapporté l'utilisation de cellules solaires à colorant en tandem (DSSC) de type p-n [7], qui offrent peut-être une tension en circuit ouvert (OCV) et une efficacité de conversion photoélectrique plus élevées. Nakasa et al. ont rapporté un OCV de 0,918 V par la combinaison de NiO et TiO₂ sensibilisés à la mérocyanine NK-2684 photoanode [8]. Nattestad et al. ont rapporté une diminution de la recombinaison de charge de la photocathode NiO par l'optimisation des colorants donneur-accepteur et obtenu une efficacité de conversion photon-électron absorbé supérieure à 90 % sur une gamme spectrale de 400 à 500 nm [9], avec un tension en circuit ouvert de 1079 mV. Cette valeur est la valeur la plus élevée signalée jusqu'à présent pour les DSSC en tandem de type p-n.

Pour obtenir des photocourants plus élevés comparables aux photoanodes de type n, une voie consiste à préparer une nouvelle cathode de type p [10, 11]. Une autre voie consiste à préparer des photocathodes mésoporeuses épaisses qui sont préférables pour adsorber une grande quantité de molécules de colorant. Certaines tentatives ont été faites pour améliorer l'épaisseur des films de NiO; cependant, la densité de photocourant générée est toujours inférieure d'un ordre de grandeur à celle observée pour les DSSC de type n, et les films épais souffrent souvent d'une mauvaise stabilité mécanique. Wu et al. ont préparé des films NiO par la méthode hydrothermale et amélioré leurs propriétés par l'optimisation de l'épaisseur du film et de la surface spécifique [12]. Qu et al. ont fabriqué des films de NiO en couches à partir de nanofeuillets de NiO poreux ridés et ont signalé une amélioration significative du photocourant et du photovoltage [13]. Zhang et al. ont amélioré le photovoltage par l'application de NiO hautement cristallin [14]. Powar et al. ont obtenu un photocourant élevé de 7,0 mA cm ⁻² en utilisant des microbilles de NiO nanostructurées comme matériaux actifs pour la photocathode [15]. Sumikura et al. ont préparé des films de NiO nanoporeux par hydrolyse de NiCl₂ dans une solution mixte eau/éthanol en utilisant une série de copolymères triblocs oxyde de polyéthylène-oxyde de polypropylène-oxyde de polyéthylène (PEO-PPO-PEO) comme modèle [16]. Ils ont étudié en détail les effets du modèle PEO-PPO-PEO. Li et al. ont adopté la méthode de préparation utilisée par Sumikura et al. et préparé des films NiO épais par une méthode de doctorblading en deux étapes [17]. Ils ont obtenu un rendement record photon-courant incident (IPCE) de 64 % et un courant de court-circuit (J _SC ) de 5,48 mA cm ⁻² . Cependant, l'efficacité de conversion photoélectrique de l'électrode NiO de type p est maintenue entre 0,02 et 0,3% en utilisant différents colorants. Dans cette expérience, des solutions précurseurs de NiO ont été préparées en utilisant des copolymères triblocs F108 (oxyde de polyéthylène-oxyde de polypropylène-oxyde de polyéthylène (PEO-PPO-PEO), PM :environ 14 600) comme modèle selon la méthode de Sumikura et al. Du polyéthylène glycol (PEG ; PM :environ 20 000) a été ajouté à la solution de précurseur et ses effets sur le film de NiO ont été étudiés en détail. Enfin, des cellules solaires en tandem sensibilisées aux points quantiques (QD) de type p-n ont également été assemblées.

Expérimental

Une solution précurseur de NiO a été préparée selon une méthode précédemment rapportée [17]. Tout d'abord, NiCl anhydre₂ (1 g) et F108 (1 g) ont été dissous dans un mélange d'eau déminéralisée (3 g) et d'éthanol (6 g). Deuxièmement, la solution a été laissée au repos pendant 3 jours. Troisièmement, une teneur spécifique en polyéthylène glycol (PM de 20 000) a été ajoutée à la solution de précurseur NiO. Ensuite, le mélange a été agité pendant 4 h et centrifugé à 8000 rad/min. La teneur en PEG a été contrôlée à 0,03, 0,075, 0,15 et 0,3 g. La solution ci-dessus a été déposée sur un substrat en verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) par le procédé de raclage et séchée à température ambiante. Les films ont été frittés à 400 °C pendant 30 min sous air. Les QD de CdSeS ont été préparés par synthèse par injection à chaud selon des expériences précédentes rapportées par notre groupe [18]. Les films NiO préparés ont été sensibilisés par des QD CdSeS par la méthode électrophorétique en utilisant un mélange acétonitrile/toluène (1:2,5 v /v ) solution en appliquant un courant continu de 50 V pendant une durée spécifique. TiO₂ les films ont été co-sensibilisés avec CdS/CdSe en utilisant la méthode conventionnelle d'adsorption et de réaction sur couches ioniques successives (SILAR) [19]. TiO₂ sensibilisé au QD des films ont été utilisés comme anode au lieu de CuS pour assembler des cellules solaires sensibilisées au QD de type p-n.

La morphologie des films NiO a été examinée à l'aide d'un microscope électronique à balayage à émission de champ JSM-7001F (FE-SEM). Photocourant densité–tension (J –V ) les caractéristiques ont été mesurées à l'aide d'un compteur source Keithley 2440 sous un éclairage AM 1.5G à partir d'un simulateur solaire Newport Oriel avec une intensité de 1 Soleil.

Résultats et discussion

Le film NiO a été préparé par la méthode du doctorblading. Le film se décollerait dans le cas de la solution de précurseur NiO sans PEG lorsque le temps d'aubage était supérieur à quatre fois. La figure 1a, c, e montre la surface et la morphologie croisée des films de NiO aubagés à quatre reprises. Les films NiO, qui présentaient plusieurs micro-ravins, se sont recroquevillés du substrat FTO. La figure 1b, d, f montre la surface et la section transversale des films NiO préparés à l'aide de PEG. Les films ont été tournés sept fois. Presque aucune fissure dans les films de NiO n'a été observée. La taille des particules était inférieure à celle du film NiO préparé sans PEG. De plus, des changements clairs ont été observés dans les sections efficaces de ces deux films NiO préparés avec ou sans PEG. Le film NiO préparé à l'aide de la solution de précurseur NiO sans PEG était apparemment composé de nanofeuillets. En fait, ces nanofeuillets devraient apparaître comme des films NiO enroulés, qui pourraient se décoller du substrat FTO. Cependant, les films NiO préparés à l'aide de la solution de précurseur NiO avec du PEG comportaient plusieurs couches, chaque couche de film NiO étant liée aux autres couches. Il n'y avait pas de fissures évidentes entre les différentes couches, avec une épaisseur d'environ 2,6 μm. Le PEG pourrait avoir deux effets dans le processus de formation du film NiO. L'une était que le PEG pourrait améliorer le joint entre ces particules de NiO et diminuer l'apparition de fissures lors du processus de séchage après que les gels de NiO ont été déposés sur le substrat FTO. Pendant ce temps, le PEG peut être utilisé comme agent directeur de structure. L'ajout de PEG peut améliorer la surface spécifique et le volume des pores du film NiO.

Micrographies SEM des films NiO :a , c , et e ont été fabriqués à partir de la solution de précurseur sans polyéthylène glycol. b , d , et f ont été fabriqués à partir de la solution de précurseur avec du polyéthylène glycol

Les films NiO préparés avec deux couches ont été sensibilisés avec des QDs CdSeS par dépôt électrophorétique. Le photocourant-tension (J –V ) ont été enregistrées sous une intensité de 1 Soleil en utilisant le simulateur solaire Newport Oriel comme source lumineuse. La figure 2 montre le J–V courbes ainsi obtenues. Comme on peut le voir sur la figure 2, avec l'ajout de 0 à 0,15 g de PEG, l'efficacité de conversion a été considérablement améliorée de 0,08 à 0,32 %. L'OCV, J _SC , et le facteur de remplissage (FF) pour la meilleure photocathode NiO était de 0,158 V, 4,40 mA cm ⁻² , et 0,46, respectivement. La propriété diminuerait fortement avec le changement de la teneur en PEG de 0,15 à 0,3 g. Par conséquent, la concentration de PEG dans la solution de précurseur NiO a affecté de manière significative la propriété de la cathode NiO.

Courbes caractéristiques densité-tension de courant des photocathodes NiO avec différentes teneurs en PEG dans la solution précurseur

Les effets de l'épaisseur du film de NiO ont également été étudiés. Dans cette expérience, la teneur en PEG a été fixée à 0,15 g. La figure 3 montre les courbes de propriétés photoélectriques. Avec l'augmentation de l'épaisseur du film de 0,6 à 2,1 μm, l'OCV et J _SC augmenté. Ces deux facteurs avaient tendance à diminuer avec l'augmentation supplémentaire de l'épaisseur du film. Le FF n'a présenté presque aucun changement avec l'augmentation de l'épaisseur du film. Ces faibles changements pourraient être liés à l'augmentation de la densité de photocourant. En conséquence, l'efficacité de conversion photoélectrique a augmenté avec l'épaississement initial du film de NiO. De faibles changements ont été observés pour une épaisseur de film supérieure à 1,5 μm, liés au faible taux de transport des trous et à la courte durée de vie des trous [20].

Effet de l'épaisseur du film sur les caractéristiques photovoltaïques des photocathodes NiO

La cathode NiO préparée a été assemblée avec le TiO₂ anode pour préparer des cellules solaires tandem de type p–n sensibilisées par QD. La figure 4 montre le J–V courbes de la cathode NiO et du TiO₂ anode, ainsi que le tandem TiO₂ (bas)/NiO(haut) et TiO₂ (haut)/NiO(bas) cellules solaires. Les cellules solaires tandem de type p–n avec TiO₂ La configuration (vers le bas)/NiO (vers le haut) présentait une OCV considérablement améliorée par rapport à la cathode NiO séparée ou TiO₂ anode. L'efficacité de conversion photoélectrique était de 0,43 %, avec un OCV de 0,594 V, J _SC de 2,0 mA cm ⁻² , et un FF de 0,36. Il s'agit de la première étude sur les cellules solaires en tandem de type p–n sensibilisées par QD. Cependant, le J _SC des cellules solaires en tandem était significativement inférieure à celles de la cathode NiO et TiO₂ anode. De plus, le rendement de conversion photoélectrique était inférieur à ceux de la cathode NiO et TiO₂ anode. À l'avenir, d'autres études devraient être menées pour améliorer les performances élevées des cellules solaires en tandem de type p–n sensibilisées au QD.

Courbes caractéristiques densité-tension de courant des cellules solaires en tandem de type p-n à détection de points quantiques de type p-n

Conclusion

Le polyéthylène glycol (PEG) a été utilisé pour préparer des films NiO. L'ajout de PEG a considérablement diminué les fissures dans les films de NiO. Un film de NiO nanoporeux uniforme de 2,6 µm d'épaisseur a été préparé. L'efficacité de conversion photoélectrique optimisée était de 0,80 %. Le film NiO sensibilisé aux points quantiques optimisé a d'abord été assemblé avec le TiO₂ anode à des cellules solaires tandem de type p–n sensibilisées à la QD préparées. La tension en circuit ouvert (OCV) était supérieure à celle présentée par la cathode NiO séparée ou TiO₂ anode. Le TiO₂ Les cellules solaires tandem (vers le bas)/NiO(vers le haut) ont permis une conversion photoélectrique totale de 0,43 %, avec un OCV, une densité de courant de court-circuit et un facteur de remplissage de 0,594 V, 2,0 mA cm ⁻² , et 0,36, respectivement.