Amélioration des performances des cellules solaires à détection de points quantiques CdS/CdSe avec photoanode de nanofeuilles anatase TiO2 orientées (001)

Résumé

Des cellules solaires sensibilisées aux points quantiques CdS/CdSe (QDSSC) ont été fabriquées sur deux types de TiO₂ photoanodes, nommément nanofeuillets (NS) et nanoparticules. Le TiO₂ Les NS à hautes facettes (001) exposées ont été préparées par une méthode hydrothermale, tandis que le TiO₂ nanoparticules ont utilisé le Degussa P-25 commercial. Il a été constaté que la taille des pores, la surface spécifique, la porosité et les propriétés de transport d'électrons de TiO₂ Les NS étaient généralement supérieurs à ceux du P-25. En conséquence, le TiO₂ Le QDSSC CdS/CdSe basé sur NS a montré une efficacité de conversion de puissance de 4,42%, ce qui correspond à une amélioration de 54% par rapport à la cellule de référence basée sur P-25. Cette étude fournit une conception de photoanode efficace utilisant une approche de nanostructure pour améliorer les performances du TiO₂ QDSSC basés.

Contexte

Ces dernières années, les cellules solaires sensibilisées aux points quantiques (QDSSC) ont attiré une attention considérable en tant qu'alternatives prometteuses aux cellules solaires à colorant (DSSC). Les avantages spécifiques des points quantiques (QD) par rapport aux colorants organiques et aux colorants à base de Ru incluent un coefficient d'extinction plus important, une bande interdite d'énergie accordable en contrôlant la taille des points et la composition chimique, une stabilité photonique et chimique plus élevée et la possibilité de générer plusieurs excitons et de transférer des porteurs chauds [1,2,3,4]. Théoriquement, les QDSSC peuvent améliorer l'efficacité de conversion lumière-électricité au-delà de la limite Shockley-Queisser de 32 % [5].

Le schéma de conversion photoélectrique des QDSSC est similaire à celui des DSSC mais en utilisant des nanocristaux inorganiques au lieu de colorants organiques comme absorbeurs de lumière. Généralement, les QDSSC sont constitués d'un oxyde métallique revêtu de QD comme photoanode, complexe de polysulfure (S ²⁻ /S _x ²⁻ ) comme électrolyte redox liquide, et le métal Pt comme contre-électrode. De nombreux types de QD semi-conducteurs à bande interdite étroite, tels que CdS, CdSe, CdTe et PbS, ont été utilisés comme absorbeurs de lumière dans le régime de lumière visible [6,7,8,9,10]. Pour étendre la plage d'absorption de la lumière et faciliter l'injection de porteurs dans les QDSSC, les QD avec une correspondance de niveau d'énergie appropriée, tels que CuInS₂ /CdS [11, 12], CdTe/CdSe [13] et CdS/CdSe [14,15,16,17,18,19,20,21], ont été combinés pour former des co-sensibilisateurs QD à structure noyau/enveloppe . Parmi eux, les QD à structure cœur/coquille CdS/CdSe ont été largement étudiées en raison de leur stabilité relative et de leur synthèse simple, et les cellules résultantes présentaient généralement des rendements de conversion de puissance de moins de 5 %. À l'heure actuelle, les QDSSC les plus performants signalés présentent toujours des rendements de conversion de puissance modérés de 6 à 8 % [10, 13, 22, 23] en raison d'une grave recombinaison de charge et d'une faible couverture QD sur les photoanodes. Pour améliorer encore les performances des QDSSC, la stratégie actuelle s'est concentrée sur l'utilisation des oxydes métalliques mésoporeux comme matériaux de photoanode pour améliorer le transport d'électrons, la récolte de lumière et le chargement des QD.

Dans les QDSSC et les DSSC, TiO₂ a été un matériau de photoanode poreux préféré en raison de son efficacité élevée, de son faible coût et de son excellente stabilité chimique [24]. Il est bien connu que les performances du TiO₂ -le photovoltaïque est fortement dépendant de la morphologie et de la structure cristalline du TiO₂ , et l'anatase TiO₂ disponible les nanoparticules (NPs) sont principalement dominées par les facettes thermodynamiquement stables (101) [25]. Cependant, des études théoriques et expérimentales ont démontré que les facettes (001) sont beaucoup plus actives que les surfaces thermodynamiquement stables (101) [26], qui sont favorables à l'absorption de colorant ou QD et aident à retarder la recombinaison de charges [27,28,29 ]. De plus, il a été confirmé que le bord de bande des facettes (001) est inférieur à celui des facettes (101), ce qui est avantageux pour l'amélioration de la tension [30].

Divers TiO₂ des nanostructures avec des facettes fortement exposées (001), y compris des nanofeuillets (NS), des sphères creuses et des nanotubes [31,32,33,34], ont été utilisées dans le système DSSC. En particulier, l'anatase TiO₂ Il a été prouvé que les NS avec un pourcentage élevé de facettes exposées (001) présentent des caractéristiques de structure de surface uniques qui conduisent potentiellement à des améliorations de performances dans la division de l'eau, la photocatalyse et les batteries lithium-ion [31, 35, 36]. Cependant, à notre connaissance, il y a beaucoup moins de rapports sur l'utilisation du roman (001) à facettes TiO₂ structure de nanofeuillets dans le système QDSSCs [28]. Dans ce travail, nous présentons une étude comparative sur les performances photovoltaïques du TiO₂ QDSSC CdSe/CdS basés sur NS et NP. Le TiO₂ Les NS à hautes facettes (001) exposées ont été préparées par une méthode hydrothermale [37], tandis que le TiO₂ Les NP ont utilisé le Degussa P-25 commercial. Nous avons constaté que la taille des pores, la surface spécifique et la porosité du TiO₂ Les NS étaient généralement supérieurs à ceux du P-25. Le TiO₂ résultant Le QDSSC CdSe/CdS basé sur NS a présenté une efficacité de conversion d'énergie de 4,42 %, qui est considérablement améliorée jusqu'à 54 % par rapport à la cellule de référence à base de P-25 dans des conditions de fabrication similaires.

Méthodes

Préparation de Divers TiO₂ Photoanodes

L'anatase TiO₂ Les NS avec des facettes fortement exposées (001) ont été synthétisées via une méthode hydrothermale [37]. Brièvement, 2,4 ml d'acide fluorhydrique (Aldrich, 48 wt%) ont d'abord été ajoutés goutte à goutte dans 30 ml de butoxyde de titane (Ti(OBu)₄ , Aldrich,> 97 %), et le mélange a été scellé dans un autoclave en acier inoxydable séché revêtu de Teflon. Le processus de synthèse a ensuite été conduit à 180°C pendant 16h dans un four électrique. Le TiO₂ résultant Les précipités NS ont été recueillis par centrifugation et lavés plusieurs fois avec de l'eau désionisée et de l'éthanol. Deux sortes de pâtes sérigraphiques, les TiO₂ NSs et P-25 commercial, ont été préparés en mélangeant 6 g de TiO₂ NSs (ou poudre P-25), 20 ml de terpinéol et 30 ml d'éthylcellulose (EC) à 10 % en poids dans un flacon rotovap à fond rond. Après sonication et concentration, les pâtes homogènes à 13 % en poids résultantes ont été appliquées sur les substrats en verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) (10 ohms par carré, 2,2 mm d'épaisseur) par sérigraphie. Enfin, le TiO₂ sérigraphié Les photoanodes NS et P-25 ont été recuites à 500 °C pendant 1 h dans l'air pour permettre une bonne conduction électrique.

Dépôt et sensibilisation des QD CdS/CdSe

Les méthodes de dépôt des QD sur les oxydes métalliques dans les QDSSC peuvent être classées en deux types :(1) croissance in situ via le processus successif d'absorption et de réaction de couche ionique (SILAR) pour les QD CdS et conjointement avec le dépôt en bain chimique (CBD) ou procédé de dépôt chimique en phase vapeur pour les QD de CdSe ; et (2) l'absorption de colloïdes QD préparés via des ligands modifiés. Bien que cette dernière méthode soit plus facile à contrôler la taille du QD et la modification de surface, la croissance in situ associée au contact direct sur la méthode à l'oxyde métallique a un coût de fabrication plus faible [17]. Dans ce travail, les deux photoanodes distinctes, TiO₂ Les NS et P-25 ont également été sensibilisés in situ avec des QD CdS et CdSe en utilisant respectivement les processus SILAR et CBD. Pour le dépôt des QD de CdS, deux solutions de précurseur distinctes ont été préparées :20 mM CdCl₂ et 20 mM Na₂ S ont été dissous dans un mélange de méthanol et d'eau déminéralisée (1:1, v /v) comme sources de cations et d'anions, respectivement. Tant le TiO₂ Les photoanodes NS et P-25 ont d'abord été plongées dans le Cd²⁺ solution de précurseur pendant 1 min, puis plongée dans le S²⁻ solution de précurseur pendant 1 min. Avant chaque immersion, les photoanodes ont été rincées au méthanol puis séchées au N₂ couler. Ces procédures ont été répétées plusieurs cycles pour former une couche CdS QD appropriée. Pour le dépôt ultérieur des QD de CdSe sur les QD de CdS, le TiO₂ Les photoanodes /CdS ont été plongées dans une solution aqueuse constituée de 2,5 mM de Cd(CH₃ COO)₂ , 2,5 mM Na₂ SeSO₃ et 75 mM NH₄ OH. Le processus de dépôt a été maintenu à 70 °C pendant 1 h. Le chargement des QD CdSe a été contrôlé en ajustant le nombre de cycles de réaction.

Assemblage et caractérisation des QDSSC

Les différents TiO₂ Les QDSSC à base de CdS/CdSe ont été assemblés dans une structure sandwich conventionnelle. Le verre FTO platiné et les QD CdS/CdSe ont sensibilisé TiO₂ les photoanodes ont été scellées ensemble, en se séparant avec un espaceur en polymère thermofusible de 25 µm (DuPont Surlyn). L'électrolyte polysulfure, qui se composait de 0,2 M Na₂ S, 0,2 M S et 0,02 M KCl en solution aqueuse, a été injecté dans l'espace entre les électrodes. La zone active de tous les QDSSC était de ~ 0,16 cm² (~ 0,4 cm × 0,4 cm).

Tous les QDSSC CdS/CdSe ont été caractérisés en utilisant la microscopie à balayage à émission de champ (FE-SEM, JEOL JSM-6500F), la microscopie électronique à transmission (TEM, JEOL JEM-3000F et Hitachi HT7700) et la diffraction des rayons X incident (GIXRD, PANalytical X 'Pert PRO MPD). Les chargements de QDs sur les différents TiO₂ les photoanodes ont été estimées par un spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS, Agilent 7500ce). Les caractéristiques courant-tension et les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) des cellules photovoltaïques ont été effectuées sous un éclairage solaire simulé (100 mW/cm² , AM 1.5 G). Le photon incident converti en efficacité de courant (IPCE) a été mesuré en utilisant une lampe XQ de 150 W avec un monochromateur en mode CC. L'absorbance optique a été réalisée avec un spectrophotomètre UV-VIS (Jasco V-670) avec une lampe tungstène halogène.

Résultats et discussion

Dans cette étude, l'anatase TiO₂ Des NS avec des facettes fortement exposées (001) ont été préparées comme photoanodes de QDSSC via une méthode hydrothermale. Leurs performances ont été étudiées, discutées et comparées avec la photoanode nanoporeuse commerciale Degussa P-25. La structure cristalline et la composition du TiO₂ Les NS ont été caractérisées par diffractométrie des rayons X. Comme le montre la figure 1a, tous les pics identifiés de TiO₂ Les NS peuvent être indexés sur un pur anatase TiO₂ phase avec une structure tétragonale et un groupe d'espace I4₁ /amd (cartes JCPDS, n°71-1169), sans qu'aucune phase rutile n'ait été observée. Les pics de réflexion (004) et (200) représentent le c - et un -axes, respectivement. Le pic amélioré (200) indique un TiO₂ bien cristallisé NS cultivées le long de la a -axe. Une image FE-SEM typique de P-25 est illustrée à la Fig. 1b. Les images FE-SEM et MET de TiO₂ Les NS sont représentés sur les figures 1c et d, respectivement, qui représentent la forme de feuille bien définie avec une longueur latérale moyenne de 50 nm et une épaisseur de 5 nm. L'image MET haute résolution (encadré de la Fig. 1d) montre la vue latérale d'un seul TiO₂ cristal NS. L'espacement du réseau de 0,235 nm peut être directement observé, ce qui correspond aux (001) plans de l'anatase TiO₂ NS. L'analyse des résultats ci-dessus indique ~ 70 % de TiO₂ Les NS sont composés des facettes exposées (001) (voir le fichier supplémentaire 1). En revanche, pour le P-25, le pourcentage de facettes exposées (001) est inférieur à 10 %, avec plus de 90 % dominé par les facettes (101), (110), etc. La surface spécifique et la distribution de la taille des pores du TiO₂ Les photoanodes NS et P-25 ont été étudiées en utilisant des isothermes d'absorption et de désorption d'azote. Comme le montre la Fig. 2, l'isotherme d'un TiO₂ La photoanode NS est identifiée comme étant de type IV sur la base de la classification Brunauer-Deming-Deming-Teller (BDDT) [38]. La boucle d'hystérésis correspondante à la haute pression relative (P /P _o ) la plage de 0,75-1 appartient au type H3, indiquant la présence de mésopores et de macropores en forme de fente. Ces types de structures poreuses présentent une surface spécifique relativement élevée et un volume total de pores important. La surface spécifique BET a été déterminée à ~ 52,8 cm² g⁻¹ , basé sur la distribution de la taille des pores de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) comme indiqué dans l'encadré de la figure 2. Le tableau 1 résume les informations détaillées sur les structures de surface de TiO₂ NS et P-25. La taille des cristaux relativement plus grande, la taille des pores plus élevée et la plus grande surface spécifique de TiO₂ Les NS sont bénéfiques pour l'absorption des QD CdS/CdSe.

un Modèles XRD de TiO nu₂ NS et P-25. b , c Images SEM de TiO₂ nu NSs et P-25, respectivement. d Images TEM et HRTEM (insérer) de TiO₂ nu NS

Isothermes d'absorption-désorption d'azote et distributions de la taille des pores (insert) du TiO₂ nu NS et P-25

Les QD CdS/CdSe en cascade ont été largement utilisés comme co-sensibilisateurs pour les QDSSC en raison de leur large plage d'absorption et de leur bonne dynamique de transfert d'électrons [39]. Dans ce travail, les effets des cycles de revêtement des procédés SILAR (pour CdS QDs) et CBD (pour CdSe QDs) ont d'abord été étudiés, et les résultats ont révélé les cycles de revêtement optimaux de 8 et 2 pour les dépôts CdS et CdSe QDs, respectivement. Après dépôt des QD CdS/CdSe en cascade par le processus de dépôt en deux étapes, la couleur du TiO₂ Le film NS est passé du blanc au brun foncé. La figure 3a affiche une image MET du TiO₂ sensibilisé au CdS/CdSe QD NSs grattés du substrat de verre FTO. On peut voir que des nanocristaux denses de CdSe se sont enduits à la surface de TiO₂ NS sans agrégation évidente. De plus, les franges du réseau des QD CdSe peuvent être clairement distinguées sur l'image MET haute résolution de la Fig. 3b, indiquant la cristallinité élevée des QD CdSe avec une taille de grain allant de 4 à 6 nm.

un TEM et (b ) Images HRTEM de TiO₂ sensibilisé au CdS/CdSe NS

La figure 4 montre les spectres d'absorption UV-VIS du TiO₂ sensibilisé au CdS/CdSe QD Électrodes NS et P-25 préparées dans des conditions de dépôt similaires. Les pics d'absorption excitonique habituellement observés dans les QD colloïdaux ont également été détectés ici en raison de la large gamme de distribution de taille des QD fabriqués par les procédés SILAR et CBD. Les bandes interdites correspondantes des QD CdS et CdSe peuvent toujours être identifiées comme 2,67 et 1,78 eV, respectivement, par les bords d'absorption. Apparemment, ces valeurs sont supérieures à celles du CdS (2,25 eV) et du CdSe (1,7 eV), indiquant que la taille des particules des deux nanocristaux est toujours dans l'échelle du confinement quantique même après les dépôts chimiques séquentiels. Dans le visible, une absorption plus élevée pour le TiO₂ On observe l'électrode NS par rapport à l'électrode P-25, ce qui implique que les charges de CdS et CdSe QDs sur le TiO₂ Les NS sont plus élevés que sur le P-25. De plus, ICP-MS a été utilisé pour obtenir le chargement qualitatif des QD sur les deux types différents de TiO₂ photoanodes. En analysant les résultats obtenus par le BET et l'ICP-MS, la concentration surfacique de CdS QDs absorbée sur le TiO₂ NS (5,44 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ) est plus élevé que celui du P-25 (4,59 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ). Ceci vérifie les facettes réactives (001) de TiO₂ Les NS peuvent offrir des sites plus efficaces pour la fixation des QD CdS, offrant ainsi une absorbance plus élevée des QD CdSe sur les QD CdS. En conséquence, la concentration de surface de CdSe QD sur le TiO₂ La photoanode NS est également plus élevée que celle du P-25 (4,57 × 10⁻⁹ mol cm⁻² contre 3,77 × 10⁻⁹ mol cm⁻² ), ce qui est cohérent avec les résultats précédemment rapportés [15]. Les facettes fortement exposées (001) du TiO₂ Les NS améliorent apparemment la concentration de surface des co-sensibilisateurs CdSe/CdS et augmentent ainsi la récolte de lumière des QDSSC résultants. Les performances photovoltaïques du TiO₂ Les QDSSC CdSe/CdS basés sur NS et P-25 ont été examinés en caractérisant leurs comportements courant-tension sous l'éclairage simulé d'un seul soleil (100 mW cm⁻² , AM 1.5 G). Le TiO₂ Les photoanodes NS et P-25 étudiées ont toutes deux une épaisseur d'environ 10 µm. Le J -V les caractéristiques et les efficacités de conversion photon-électron incident des deux QDSSC sont illustrées à la Fig. 5, et leurs paramètres photovoltaïques détaillés sont tabulés dans le Tableau 2. On peut voir que le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS a atteint une tension en circuit ouvert plus élevée (V _oc ) de 0,58 V, une densité de courant de court-circuit plus élevée (J _sc ) de 15,07 mA cm⁻² , et une meilleure efficacité de conversion (η ) de 4,42% par rapport au QDSSC basé sur P-25 (V _oc = 0,52 V, J _sc = 11,75 mA cm⁻² , et η = 2,86%). Le TiO₂ Le QDSSC basé sur la NS présente un V plus grand de 60 mV _oc que la cellule à base de P-25. Cette augmentation de la tension en circuit ouvert dans le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS peut être attribué au décalage négatif du potentiel de bande plate pour les facettes (001) [30]. D'autre part, il est bien connu que le J _sc est proportionnelle à la quantité de lumière absorbée sur l'oxyde métallique. Par conséquent, le plus grand J _sc dans le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS est cohérent avec le résultat de l'ICP-MS, confirmant que les facettes réactives de l'anatase (001) favorisent le chargement de points quantiques par unité de surface. Ainsi, l'utilisation de TiO₂ hautement réactif Les NS en tant que photoanodes peuvent améliorer considérablement les photocourants du TiO₂ -à base d'appareils photovoltaïques. De plus, la plus grande taille de pores de TiO₂ NSs réduit la diffusion de la lumière dans le TiO₂ NS. Cela permet une plus longue distance que la lumière peut parcourir dans le TiO₂ NSs, augmentant ainsi la probabilité d'absorption d'électrons. Comme le montre la Fig. 5b, la limite du spectre IPCE du TiO₂ Le QDSSC basé sur NS est situé à 675 nm, ce qui est légèrement décalé vers le rouge par rapport au QDSSC basé sur P-25. En général, la valeur IPCE est déterminée par l'efficacité de récupération de la lumière, l'efficacité d'injection de charge et l'efficacité de collecte de charge de la photoanode. Le résultat correspond bien aux spectres d'absorption UV-VIS, et les photocourants intégrés à partir des courbes IPCE sont en bon accord avec le J-V des mesures. Comparé au QDSSC basé sur le P-25, le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS a des valeurs IPCE plus élevées dans la plage de mesure de 300 à 800 nm, avec une valeur IPCE maximale d'environ 75 %.

Spectres d'absorption UV-VIS de ~ 3-μm d'épaisseur TiO₂ NSs et P-25 sensibilisés par les QDs CdS et CdSe. Le nombre entre parenthèses indique les cycles de revêtement des procédés SILAR (pour CdS) et CBD (pour CdSe)

(un ) Caractéristiques J-V et (b ) Spectres IPCE des NS TiO2 et des QDSSC à base de P-25

La surface hautement réactive (001) du TiO₂ Les NS ont été vérifiés pour offrir une surface plus efficace pour l'absorption QD. De plus, TiO₂ Les NS devraient réduire les pièges de surface et les centres de recombinaison au TiO₂ -Interface NS/électrolyte pour le transport des électrons [37]. Afin d'acquérir une meilleure compréhension de la dynamique des processus de transfert de charge interfacial et de transport de charge dans les QDSSC actuels, des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) [40,41,42] ont été réalisées. La figure 6a affiche les tracés de Nyquist des deux QDSSC sous un éclairage solaire à la condition de tension en circuit ouvert, dans lesquels les données expérimentales sont représentées par des symboles et les courbes d'ajustement en trait plein ont été obtenues par le logiciel Zview en utilisant le circuit équivalent QDSSC comme indiqué dans la figure 6b. Les paramètres d'ajustement du transport des électrons sont répertoriés dans le tableau 3, où τ _eff est la durée de vie effective des électrons, R _w (=r _w .L ) est la résistance au transport des électrons dans le TiO₂ , R _k (=r _k /L ) est la résistance de transfert de charge liée à la recombinaison des électrons au niveau du TiO₂ /interface électrolyte, D _n est le coefficient de diffusion électronique effectif, L _n est la longueur de diffusion des électrons dans TiO₂ , et L (~ 10 μm) est l'épaisseur des électrodes. D _n est estimée selon l'équation suivante [43] :

$$ {D}_n=\gauche(\frac{R_k}{R_{\mathrm{w}}}\right)\ {L}^2\frac{1}{\tau_{\mathrm{eff}}} $$ (1)

un Diagrammes de Nyquist du TiO₂ NS et QDSSC basés sur P-25 mesurés à V _oc sous un seul éclairage solaire. En médaillon :les tracés de Bode de la phase correspondante. b Le circuit équivalent des QDSSC, où R _s est la résistance série; R _pt et C _pt sont respectivement la résistance de transfert de charge et la capacité interfaciale à l'interface Pt/électrolyte ; R _FT et C _FT sont la résistance et la capacité interfaciale au FTO/TiO₂ contacter, respectivement; R _FTO et CPE_FTO sont la résistance de transfert de charge et l'élément à phase constante de la double couche électrique à l'interface FTO/électrolyte, respectivement

À partir des tracés de phase de Bode, en médaillon de la figure 6a, nous pouvons obtenir la fréquence de crête caractéristique du QDSSC, f _pic , et la constante de vitesse de réaction du premier ordre pour la perte d'électrons, k _eff ≈ 2πf _max . Le τ _eff peut alors être estimé comme suit :

$$ {\tau}_{\mathrm{eff}}\approx \frac{1}{k_{\mathrm{eff}}} $$ (2)

Le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS a une fréquence de crête caractéristique inférieure à celle du QDSSC basé sur P-25, indiquant les électrons dans le TiO₂ Les NS peuvent diffuser davantage. Le résultat révèle que l'emploi de la structure nanofeuille favorise le transport des électrons et supprime la recombinaison de charge. Le plus petit R équipé _w et plus grand R _k pour le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS confirme également le résultat. Le plus petit R _w pour le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS indique que le réseau de connexion des facettes hautement cristallines (001) offre un chemin d'électrons mieux orienté, ce qui minimise l'effet d'interface de grain et réduit la perte d'électrons de TiO₂ NS au substrat FTO. De même, le résultat de l'ajustement montre également que le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS a un plus grand R _k (28,26 Ω) que le QDSSC basé sur P-25 (8,98 Ω). Le plus grand R _k présente une résistance plus élevée pour le processus de recombinaison électronique, en raison de la couverture de surface plus élevée des QD sur le TiO₂ NS, résultant en plus d'électrons survivant de la réaction de retour au niveau du TiO₂ découvert -Interface NS/électrolyte. Des rapports précédents utilisant la technique de traitement de passivation ZnS sur les QDSSC à base de P-25 ont également montré des résultats similaires [40]. La longueur de diffusion électronique correspondante L _n de TiO₂ Les NS ont été estimés à ~ 21 μm, ce qui est deux fois plus long que celui du P-25. De plus, le L _n de TiO₂ Les NS se trouvent beaucoup plus longs que l'épaisseur des photoanodes (21 µm contre 10 µm), ce qui implique que la plupart des électrons photogénérés peuvent être collectés sans recombinaison. La haute efficacité de collecte d'électrons dans le TiO₂ Le film NS s'est manifesté par la valeur IPCE élevée.

Conclusions

Anatase 2D TiO₂ Des NS avec des facettes fortement exposées (001) ont été préparées par un processus hydrothermal facile et utilisées comme photoanodes pour les cellules solaires co-sensibilisées CdS/CdSe (Fig. 5). L'étude MET et les spectres d'absorption UV-VIS montrent un TiO₂ hautement cristallin NSs avec plus de 70% de (001) facettes. Tant le TiO₂ Les QDSSC basés sur NS et P-25 sont caractérisés en termes de performances photovoltaïques ainsi que de dynamique de transport et de recombinaison des électrons. Le TiO₂ Le QDSSC basé sur NS peut effectuer une efficacité de conversion énergétique globale de 4,42 %, ce qui correspond à une amélioration de 54 % par rapport à la cellule à base de P-25 (2,86 %) dans des conditions de fabrication similaires. De plus, la valeur IPCE de plus de 70 % peut être atteinte dans la plage de longueurs d'onde de 450 à 600 nm pour le TiO₂ QDSSC basé sur NS, attribué par la plus grande efficacité de récupération de lumière et de collecte d'électrons du TiO₂ photoanode NS. L'analyse EIS confirme également les facettes dominantes (001) de TiO₂ Les NS peuvent considérablement améliorer l'efficacité de conversion de puissance du TiO₂ système QDSSC sensibilisé au CdS/CdSe. Ce constat révèle la possibilité d'exploiter le TiO₂ orienté (001) NSs en application QDSSC colloïdale puisque les QDs peuvent être ancrés probablement sur le TiO₂ NS sans avoir besoin de lieurs supplémentaires (qui sont des barrières de transfert d'électrons entre les QD et TiO₂ dans la plupart des cas). De plus, l'utilisation de TiO₂ Les NS de ce travail ont montré les avantages suivants :stable, production de masse, bon marché, etc., car le processus de fabrication n'est pas compliqué et ne nécessite pas d'additifs coûteux.