Amélioration de l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires à points quantiques en intégrant le concept photovoltaïque à concentration avec des photoanodes doubles

Introduction

En tant que type de dispositif de conversion photoélectrique prometteur et économiquement comparable, les cellules solaires sensibilisées aux points quantiques (QDSSC) ont attiré une grande attention en raison de leur efficacité de conversion de puissance théorique (PCE) élevée [1, 2]. Les QDSSC héritent de la structure des cellules solaires à colorant, y compris la photoanode (généralement, une couche de semi-conducteur d'oxyde poreux avec une large bande interdite couverte par des QD semi-conducteurs en tant que sensibilisateurs), l'électrolyte liquide et la contre-électrode. Afin d'améliorer le PCE cellulaire pour une application commerciale potentielle, de nombreuses stratégies ont été étudiées principalement du point de vue matériel, impliquant la synthèse de nouveaux sensibilisateurs QD pour élargir la plage de récolte de lumière ; préparer des photoanodes avec différentes nanostructures telles qu'un film poreux [3], un nanotube [4, 5] et une nanotige pour une meilleure extraction d'électrons [6, 7] ; fabriquer une photoanode dopée au métal noble en utilisant la résonance plasmonique de surface localisée [8, 9] ; développer le sulfure et d'autres compteurs pour remplacer le compteur Pt ; synthétiser différents électrolytes; et ainsi de suite.

L'un des facteurs les plus importants limitant l'efficacité de conversion photoélectrique des QDSSC est la plage d'absorption étroite du rayonnement solaire [10]. La région d'absorption dépend fortement du film mince de la photoanode et des QD. La réduction de la bande interdite des QD est un moyen efficace d'élargir la plage de récolte de lumière. Zhong et al. synthétisé des QD alliés Zn-Cu-In-Sn et grandement amélioré le PCE des QDSSC, établissant plusieurs enregistrements PCE des QDSSC [11,12,13]. Actuellement, le PCE le plus élevé signalé des QDSSC est de 14,02 %, atteint par Zhao et al. [14]. Dans leur travail, des QD alliés Zn-Cu-In-Sn ont été utilisés comme sensibilisateur, et la contre-électrode (CE) est dopée au CuS avec des nanotubes de carbone et du graphène, ce qui a initié un nouveau niveau du PCE des QDSSC. Cependant, une diminution excessive de la bande interdite pour améliorer la récolte de la lumière solaire induira une perte de tension en circuit ouvert et réduira les performances de l'appareil en raison de la rétrogradation du bord de la bande de conduction.

Pour améliorer encore les performances des cellules, la configuration de l'appareil a été prise en compte. Dans les cellules solaires à colorant et les cellules solaires à points quantiques colloïdaux [15], les structures en tandem ont déjà été utilisées comme une approche significative pour dépasser les limites de la PCE [16, 17]. Pour la plupart des structures en tandem de cellules solaires à colorant, un Pt semi-transparent sur du verre conducteur ou un treillis de Pt est appliqué au milieu de la cellule comme contre-électrode [18]. TiO₂ les films sont séparés en deux ou plusieurs couches sensibilisées par des colorants identiques ou différents, ce qui peut élargir la réponse spectrale et ainsi améliorer considérablement les performances de la cellule [19,20,21]. Pour les QDSSC, Meng et al. concevoir une structure à double photoanode avec un Cu₂ semi-transparent à structure maillée Contre-électrode S prise en sandwich entre deux TiO₂ photoélectrodes. Sous le seul éclairage solaire de l'électrode supérieure, la cellule optimisée montre une augmentation de 12% de PCE [22]. Dans leur travail, la structure en tandem a été utilisée pour la première fois dans les QDSSC. Cependant, l'efficacité d'utilisation de la lumière de la structure en tandem de la batterie est limitée. Xu et al. a démontré la réduction de polysulfure améliorée par la lumière NIR à l'interface électrode-électrolyte en éclairant la contre-électrode CuS avec de la lumière NIR, montrant une augmentation de 15 % du PCE, qui est attribuée à l'effet photothermique et à l'absorption par résonance plasmonique [23].

Grâce aux efforts considérables déployés au cours des dernières décennies, le PCE des QDSSC peut être comparé à celui du dispositif parallèle, la cellule solaire à colorant. Cependant, l'efficacité des QDSSC est encore loin de sa valeur théorique, et il reste encore à résoudre pour une application commerciale. Par conséquent, l'exploration d'une nouvelle stratégie pour stimuler le PCE des QDSSC est toujours une tâche urgente. Ici, nous intégrons le concept photovoltaïque à concentration dans les QDSSC avec TiO₂ double poreux photoanodes et Cu₂ Conception de contre-électrode en maille S [24], permettant une augmentation de 260% du PCE par rapport au dispositif traditionnel à photoanode unique. Avec les sensibilisateurs CdS/CdSe QD les plus largement utilisés, un PCE champion de 8,28% (V _oc =0.629 V, J _sc =32.247 mA cm ⁻² ) est atteint.

La gestion de la lumière en tant que technologie importante pour améliorer l'efficacité de conversion dans les cellules solaires vise à augmenter le flux de photons reçus par les cellules solaires [25]. La structure de piégeage de la lumière est une méthode couramment utilisée pour la gestion de la lumière, y compris les miroirs [26, 27], les surfaces lambertiennes [28] et les surfaces texturées [29, 30]. Par l'effet de piégeage de la lumière, la longueur du chemin optique est augmentée, améliorant ainsi le PCE des cellules solaires. L'une des structures de base de piégeage de la lumière consiste à préparer un miroir sur la surface arrière de la cellule solaire, et la réflectivité du miroir peut atteindre 95 % [31]. Inspirée par la discussion ci-dessus, la figure 1 illustre l'architecture du dispositif utilisée dans le présent travail. Double TiO₂ la conception de photoanode est adoptée, qui est séparée par Cu₂ Maille S comme contre-électrode. L'épaisseur du TiO₂ photoanode est d'environ 4,5  μm, ce qui peut être vu sur la figure S1. La cellule supérieure et la cellule inférieure utilisent le même matériau et la même structure, il n'est donc pas nécessaire de considérer la constante de réseau et le coefficient de dilatation des différents matériaux semi-conducteurs dans les deux photoanodes. Le Cu₂ S cultivé sur un maillage de Cu comme contre-électrode permet à la lumière transmise de la cellule supérieure d'arriver à la photoanode inférieure. Les matériaux à large bande interdite en haut filtrent les photons à haute énergie et les photons à faible énergie les traversent, puis absorbés par les matériaux à bande interdite étroite au bas de la cellule. Apparemment, le PCE de la structure à double photoanode est supérieur à celui de la structure à photoanode simple car la structure à double photoanode peut capturer plus de lumière et ainsi augmenter la densité de courant. Cependant, l'éclairage uniquement depuis la direction supérieure n'induit qu'une augmentation de 18% du PCE par rapport à un dispositif à photoanode unique, comme indiqué plus loin, ce qui est dû à la forte absorption et réflexion du soleil par la cellule supérieure, laissant une densité de lumière insuffisante pour la cellule inférieure. [22].

Schéma de principe de la conception de la cellule dans le présent travail

Considérant que la lumière captée de la cellule inférieure est limitée, nous introduisons le concept de cellule photovoltaïque à concentration (CPV) dans le dispositif actuel [32, 33] et plaçons un réflecteur parabolique sous la photoanode inférieure. Les systèmes CPV utilisent des éléments optiques pour concentrer la lumière sur une petite zone de cellules solaires, ce qui améliore l'efficacité de la technologie photovoltaïque tout en minimisant les coûts. La réduction de la surface des cellules peut faire concurrencer le coût du CPV à celui des panneaux photovoltaïques plats. Comme le montre la figure 1, le réflecteur parabolique diffuse une lumière focalisée sur la photoanode inférieure. En contrôlant la distance entre le réflecteur et la photoanode inférieure, la zone active pourrait être ajustée pour correspondre à la zone de la cellule. De plus, la lumière augmentée pourrait transmettre et atteindre la photoanode supérieure, fournissant une énergie d'excitation supplémentaire pour la récolte de lumière. Bien entendu, l'effet photothermique causé par le CPV devrait avoir un impact sur les performances PV [34], ce qui sera discuté en détail plus tard.

Méthodes

Matériaux

Dioxyde de titane (99,8 %, 10–25  nm, TiO₂ ) et le sulfite de sodium (AR, Na₂ SO₃ ) ont été fournis par Aladdin. Le verre conducteur d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO, épaisseur 1,6  mm, transmittance 83 %, résistance de feuille 15/carré) a été acheté auprès de Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (Chine). Méthanol (AR, CH₃ OH), éthanol (AR, CH₃ CH₂ OH), et de l'acétone (AR, CH₃ LCO₃ ) ont été fournis par Beijing Chemical Works (Chine). Éthylènediamine (AR, C₂ H₈ N₄ ) et le sélénium (AR, Se) ont été achetés auprès du Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (Chine). Acide chlorhydrique (36%, HCl), éthylcellulose ethoce (AR, [C₆ H₇ O₂ (OC₂ H₅ )₃ ][sub>n ), alpha-terpinéol (AR, C₁₀ H₈ O), acétate de cadmium (AR, Cd(CH₃ COOH)₂ ), acétate de zinc (AR, Zn(CH₃ COOH)₂ ), sulfure de sodium (AR, Na₂ S∙9H₂ O), le soufre (AR, S) et la thiourée (AR, CH₄ N₂ S) ont été fournis par Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Chine). Acide nitrilotriacétique trisodique (98 %, C₆ H₉ NNa₃ O₆ ) a été acheté auprès de TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (Chine). Le treillis en laiton a été fourni par Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (Chine).

Préparation du Cu₂ Contre-électrode S

Le treillis en laiton a été trempé dans du HCl (36 %) pendant 2 h à 70 °C pour éliminer le zinc à la surface du treillis en Cu. Le treillis en cuivre a été rincé avec de l'eau désionisée et séché à température ambiante après avoir retiré le treillis en cuivre de la solution. Ensuite, la maille Cu a été immergée dans une solution aqueuse contenant 1 M Na₂ S et 1 M S pendant 5 s pour obtenir des flocons Cu₂ S, suivi d'un lavage à l'eau déminéralisée et d'un séchage à température ambiante. Pour préparer du Cu₂ granulaire S, la maille Cu traitée avec HCl (36%) a été immergée dans une solution mixte de CH₄ N₂ S (0,01 M) et C₂ H₈ N₄ (0,4 ml) pendant 24 h, suivi d'un lavage à l'eau déminéralisée et d'un séchage à température ambiante.

Préparation de QD CdS/CdSe Co-sensibilisé TiO₂ Photoanode

TiO₂ film mésoporeux a été préparé par centrifugation d'une pâte contenant du TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀ H₈ O (3,245  g) et CH₃ CH₂ OH (8,5 ml) sur des substrats FTO nettoyés, qui ont été séchés dans un four à 60 °C et suivis d'un recuit à 450°C pendant 30 min pour éliminer les solvants organiques. La vitesse de rotation de la tournette est de 7500 rpm pendant 30 s. Le procédé d'adsorption et de réaction de couches ioniques successives (SILAR) a été utilisé pour déposer les QD de CdS. Typiquement, le TiO₂ le film a été alternativement plongé dans une solution de méthanol de Cd(CH₃ COOH)₂ (0,12 M) et Na₂ Solution S (0,02 M avec du méthanol et de l'eau déminéralisée 1:1 v/v) pendant 30 S dans chaque cycle pour un total de 5 cycles. Les QD de CdSe ont été revêtus par la méthode de dépôt en bain chimique (CBD). Dans le détail, une solution contenant du Cd ²⁺ et Se ²⁻ source a été préparée par la méthode suivante. 1,55 g Na₂ SO₃ a été dissous dans 25 ml d'eau déminéralisée. 0,155  g de poudre de Se sous forme de Se ²⁻ source a été ajoutée à la solution ci-dessus. La solution obtenue a été chauffée avec un bain d'huile à 125 °C pendant 3 h sous agitation. Le Cd ²⁺ solution a été préparée en mélangeant 25 ml de solution d'eau déminéralisée d'acide nitrilotriacétique (120 mM) et 25 ml de Cd(CH₃ COO)₂ solution d'eau déminéralisée (80 mM). Ensuite, le Se ²⁻ préparé solution et Cd ²⁺ solution ont été mélangés. Les photoanodes revêtues de CdS telles que préparées ont été placées dans la solution mélangée ci-dessus à 24 °C pendant 2 h dans l'obscurité. Pour la passivation ZnS, les films sensibilisés ont été déposés par trempage dans 0,1 M de Zn(CH₃ COO)₂ et 0,1 M Na₂ S (avec du méthanol et de l'eau 1:1 v/v) des solutions pendant 1 min en alternance et 4 cycles. La surface active de la cellule solaire est de 0,25 cm ² . L'électrolyte polysulfure (2 M Na₂ S et 2 M S en solution avec du méthanol et de l'eau déminéralisée 7:3 v/v) a été transfusée dans la cellule via un injecteur.

Mesure électrochimique

L'analyse électrochimique a été réalisée par le poste de travail électrochimique DyneChem, et le platine et Ag/AgCl sont utilisés comme contre-électrode et électrode de référence, respectivement. Le voltamogramme cyclique et les courbes de polarisation tafel ont été testés dans un électrolyte polysulfure 2 M. Les parcelles de Nyquist des QDSSC sont sous l'éclairage d'une intensité de plein soleil. La tension utilisée lors des mesures EIS est de 0,5  V.

Caractérisation

La morphologie de surface a été analysée par microscopie électronique à balayage (MEB) (JEOL7610), la caractérisation des échantillons a été mesurée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), et le J –V les courbes des QDSSC ont été mesurées par le compteur source Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). Les images de température IR sont obtenues par FLIR T460.

Résultats et discussion

Il existe de nombreux matériaux nanostructurés qui peuvent être utilisés comme contre-électrodes pour les QDSSC, notamment le Cu₂ S, CoS, GeC [35] et NCW [36]. Cependant, le Cu₂ La contre-électrode S à base de maille de laiton présente une activité catalytique idéale envers Sn ²⁻ /S ²⁻ couple redox. Pour préparer le Cu₂ Contre-électrode S, deux méthodes différentes sont utilisées. L'une consiste à éliminer le Zn de la surface du treillis en laiton avec de l'acide chlorhydrique, puis à immerger le treillis dans une solution mélangée contenant du CH₄ N₂ S et C₂ H₈ N₄ pendant 24 h [37]. Les images SEM du Cu₂ résultant Les mailles couvertes en S sont illustrées à la Fig. 2a–c. L'image SEM agrandie indique le Cu₂ à structure granulaire S sont formés. La vue en coupe de la Fig. 2d indique l'existence de Cu₂ Film S sur le fil de laiton, la fissure entre eux provient de la coupe lors de la préparation de l'échantillon en coupe transversale, et l'épaisseur est d'environ 1,3 μ3oss-sectional samp sur la Fig. 2e révèle que les seuls éléments qui existent là-bas sont Cu et S , et le rapport atomique de Cu à S est d'environ 2. Les spectres XPS de Cu et S sont représentés sur les figures 2f et h, respectivement. Les pics de Cu 2p à 952 eV et 932,5ev correspondent à l'énergie de liaison électronique de Cu 2p1/2 et Cu 2p3/2, respectivement, ce qui est cohérent avec le Cu ¹⁺ [38]. Les pics observés dans S 2p à 163,5 eV et 161 eV correspondent respectivement à S 2p1/2 et S 2p3/2, ce qui est cohérent avec S ²⁻ [39]. Ces résultats confirment la réussite de la préparation de Cu₂ Film S sur la maille en laiton, et la morphologie de la surface est censée assurer sa grande surface et une activité catalytique suffisante.

Images SEM du Cu₂ structuré en maillage Contre-électrode S :a vue de dessus ; b , c vue agrandie de la morphologie de la surface ; d vue en coupe et vue agrandie du Cu₂ couche S. e EDS de Cu₂ S. f , g Spectres de relevé XPS de Cu₂ S échantillons

L'autre méthode a été largement utilisée dans les rapports précédents, dans laquelle le treillis en laiton est d'abord placé dans de l'acide chlorhydrique, puis il est ensuite plongé dans l'électrolyte polysulfure (1 M Na₂ S et 1 M S) pendant un temps convenable [40]. Les résultats correspondants sont présentés sur la figure S2. L'image SEM agrandie indique le Cu₂ structuré en flocons S sont formés. La vue en coupe indique l'existence de Cu₂ Film S sur le fil de laiton, et l'épaisseur est également d'environ 1,3 μ.3s. Les spectres Cu XPS montrent des pics à 933,1 eV et 952,5 eV, correspondant à Cu 2p3/2 et 2p1/2, respectivement [41]. Le spectre S 2p montre un pic à 162,4 eV, ce qui confirme la présence de S ²⁻ [42]. L'effet de Cu₂ La morphologie S sur les performances cellulaires est étudiée plus avant.

Pour caractériser les performances de cellules avec différentes architectures et CE, le photocourant densité-tension (J –V ) les courbes sont acquises et représentées sur la Fig. 3a–d. Le dispositif à photoanode simple et le dispositif à photoanode double sont tous deux fabriqués à des fins de comparaison avec le Cu₂ granulaire et en flocons S en tant que CE, respectivement. Il existe trois manières d'éclairer les cellules :les directions supérieure, inférieure et double, comme indiqué sur la Fig. -tension du circuit (V _oc ), courant de court-circuit (J _sc ), facteur de remplissage (FF) et PCE, dans lequel les valeurs non entre parenthèses sont la moyenne expérimentale de vingt cellules de groupe et celles entre parenthèses sont les valeurs de champion. La configuration de test pour le dispositif à photoanode unique avec Cu₂ granulaire et en paillettes S en tant que CE est illustré à la Fig. S3, et le J –V les courbes sont représentées sur les Fig. 3a et b. Le PCE irradiant du haut, du bas et des directions doubles est de 2,32 %, 2,00 % et 3,59 %, respectivement, tandis que le V _oc sont maintenus autour de 0,6  V, et la principale augmentation du PCE est due à un J élevé _sc . Puisqu'il s'agit d'un dispositif à photoanode unique, l'augmentation du J _sc devrait être dû à l'augmentation de l'intensité lumineuse due à l'irradiation par le fond, ce qui entraîne une augmentation des électrons photo-générés dans les photoanodes. Il convient de noter que le PCE de l'irradiation vers le bas est inférieur à celui de l'irradiation par le haut même si la lumière concentrée est plus intense en intensité que la lumière parallèle du haut, ce qui pourrait obtenir une explication à partir de la figure S3. Lors de la concentration de la lumière sur des QDSSC à photoanode unique, la lumière doit passer à travers le verre FTO, puis à travers le Cu₂ S mesh CE et électrolyte pour atteindre la photoanode supérieure, induisant dans une certaine mesure une perte de photoénergie. D'après nos résultats, l'intensité de la photoénergie arrivant par la photoanode supérieure serait plus faible que l'irradiation lumineuse parallèle provenant du haut. Par conséquent, le PCE de la structure cellulaire à photoanode unique sous irradiation lumineuse concentrée est inférieur à celui sous irradiation lumineuse parallèle sur la face supérieure. Il pourrait être davantage pris en charge en adoptant la configuration de test illustrée à la figure S4. La focalisation de la lumière directement sur la photoanode inférieure en tant qu'électrode de travail permet d'obtenir un PCE de 4,32 % et un courant de court-circuit de 21,6  mA cm ⁻² , presque deux fois le courant de court-circuit généré par la lumière parallèle irradiant la photoanode, ce qui signifie que le flux de photons après condensation est le double de celui de la lumière parallèle du haut. À partir du changement de flux de photons, nous pouvons calculer que le coefficient de condensation est de 2, ce qui est cohérent avec nos résultats mesurés. Comme on peut le voir dans le tableau 1, le PCE moyen de la structure cellulaire à double photoanode avec Cu₂ granulaire S CE est de 5,51% dans les conditions de concentration de la lumière du côté inférieur, et l'augmentation de PCE est due à la contribution de la photoélectrode supérieure, indiquant que la photoanode supérieure capture plus de photons dans les conditions de concentration.

Champion J –V courbes de QDSSC avec des structures différentes. un Photoanode unique et Cu₂ granulaire S CE. b Photoanode simple et flocon Cu₂ S CE. c Double-photoanode et Cu₂ granulaire S CE. d Double-photoanode et flocon Cu₂ S CE. e CV et g courbes de polarisation tafel de deux Cu₂ S CE, respectivement. f Stabilité électrochimique de divers EC étudiés par CV. h Diagrammes de Nyquist de QDSSC avec différents CE et différentes structures sous l'éclairage d'une intensité de plein soleil. je Partie agrandie du cadre pointillé noir en h

Photographies infrarouges de différentes conditions d'éclairage :a sans lumière, b lumière parallèle sur la face supérieure, c lumière concentrée du réflecteur parabolique, d la lumière des deux côtés brille simultanément, et e diagramme de simulation de différentes conditions d'éclairage

Pour le dispositif à double photoanode avec Cu₂ granulaire S en tant que CE, le PCE irradiant du haut, du bas et des directions doubles est de 2,64 % (J _sc =11.552 mA cm ⁻² ), 5,53 % (J _sc =26,287 mA cm ⁻² ), et 8,28 % (J _sc =32.247 mA cm ⁻² ), respectivement. Comparé à celui de la structure traditionnelle à photoanode unique irradiée par le haut (2,32%), le PCE augmente de 260%. L'augmentation du PCE est évidemment due à l'augmentation de J _sc , indiquant que les doubles photoanodes fonctionnent dans une configuration parallèle. L'intensité lumineuse mesurée de la lumière concentrée du bas est environ le double de celle de la lumière parallèle supérieure. Dans les conditions d'irradiation de la lumière concentrée, le PCE des QDSSC devrait être supérieur à celui de la lumière parallèle supérieure. Il est cohérent avec le résultat actuel que le PCE de l'irradiation par le bas est plus de 2 fois supérieur à celui de l'irradiation par le haut.

Il est à noter que les comportements des cellules à base de paillettes Cu₂ Les S CE sont similaires mais montrent des valeurs globales de décroissance dans les paramètres photovoltaïques. Pour explorer l'origine détaillée, les courbes de voltamogramme cyclique (CV) et les courbes de polarisation Tafel des deux enfants de Cu₂ S CE sont mesurés à l'aide d'un système à trois électrodes. La figure 3e est les courbes CV et Cu₂ granulaire S montre une densité de courant plus élevée. Le pic de réduction du Cu₂ granulaire S est supérieur au flocon Cu₂ S, indiquant la vitesse de réaction redox plus rapide de S ²⁻ /S_n ²⁻ dans l'électrolyte. La figure 3f montre les courbes CV du Cu₂ Electrode S avec différentes morphologies de 1 à 25 cycles. Aucune variation évidente n'a pu être trouvée pour la forme de la courbe CV et la position du pic. Les courbes CV se chevauchent bien sous balayage continu, indiquant que les deux morphologies de l'électrode possèdent toutes deux une bonne stabilité chimique. On peut voir sur la figure 3g que la densité de courant d'échange (J ₀ ) de Cu granulaire₂ S est plus grand que celui du flocon Cu₂ S. D'après les résultats des tests des courbes de polarisation CV et Tafel, cela suggère que l'activité catalytique du Cu granulaire₂ S est meilleur que celui de Cu₂ Film S. Ceci est cohérent avec les performances photovoltaïques de J –V courbes de la Fig. 3a–d. Pour confirmer davantage l'activité catalytique des contre-électrodes, les spectres EIS sont étudiés et présentés sur la figure 3h. Les lignes continues violettes représentent les courbes d'ajustement et les données d'ajustement sont résumées dans le tableau 2. R _ct1 , R _ct2 , et R _s représentent respectivement la résistance de transfert de charge sur la contre-électrode, la résistance de transfert de charge à l'interface photoanode/électrolyte et la résistance série. On peut voir que la structure d'une seule cellule de photoanode et les résistances de transfert de charge de R _ct1 pour Cu₂ granulaire S et flocon Cu₂ S est 3,522 et 6,753 Ω cm ² , respectivement, et ceux de la cellule à double photoanode sont de 5,990 et 8,088 cm ² , respectivement. Le plus petit R _ct1 de Cu granulaire₂ S indique une meilleure conductivité en raison de sa plus petite résistance de transfert de charge.

Le flux de photons à l'intérieur d'un absorbeur est conforme à la loi de Lambert-Beer :

où b (E , x ) est le flux de photons reçu par les QD à la position x , bs (E ) est le flux de photons reçus dans la direction verticale de l'irradiation solaire, R (E ) est la réflectivité de l'interface, et α (E , x ) est le coefficient d'absorption à la position x . Le CPV collecte la lumière incidente sur une grande surface et la concentre sur une petite surface de cellule solaire pour la conversion photovoltaïque. Facteur de concentration X est un paramètre important pour décrire les performances des cellules solaires à concentration, c'est-à-dire l'augmentation des temps de densité de flux photonique b (E ) et est également estimé comme étant le rapport entre la surface de la lumière incidente collectée et la surface des cellules solaires. On pourrait considérer que la lumière focalisée est uniforme dans le demi-angle de concentration (θ _X ), et l'augmentation des temps de flux de photons solaires b _s (E ,x ) est égal au facteur de concentration X . Par conséquent, pour le CPV, l'éq. (1) pourrait être exprimé comme :

Le photocourant (J _ph ) généré par une cellule solaire dans des conditions lumineuses, déterminées par le flux de photons et les performances de la cellule solaire, J _ph est égal à J _sc , et peut être exprimé comme :

où Q est la charge élémentaire. L'efficacité quantique (QE) est fonction de l'énergie des photons. On suppose que le flux de photons du collecteur bs ₂ est O fois celle du flux de photons supérieur bs ₁ , et le J _sc de la cellule à double photoanode sous irradiation du côté inférieur pourrait être exprimé comme suit :

Par conséquent, la somme de J _sc1 valeur dans des conditions d'irradiation lumineuse parallèle du côté supérieur et J _sc2 la valeur dans des conditions d'irradiation lumineuse concentrée du côté inférieur doit être égale à J _{sc1, 2} généré par une irradiation lumineuse des deux côtés du PV. L'équation (4) est fondamentalement cohérente avec J –V résultats dans le tableau 1, avec toutefois quelques écarts. Comme on peut le voir sur le J _sc données, la somme de J _sc1 éclairant par le haut et J _sc2 l'éclairage du bas est un peu plus petit que celui de J _{sc1, 2} éclairage des deux côtés pour les dispositifs à double photoanode. L'écart doit résulter de l'effet photothermique dû à la variation de température des QDSSC dans différentes conditions d'éclairage.

Il est bien connu que la lumière focalisée sur les dispositifs optoélectriques induirait une accumulation thermique et une augmentation de la température. Dans le présent travail, le flux de photons de la lumière concentrée du réflecteur parabolique mesuré par le compteur d'intensité lumineuse est approximativement le double du simulateur normal de lumière solaire ; cela signifie que le coefficient de concentration est de 2, ce qui est beaucoup plus petit que les appareils CPV pratiques. Cependant, il est encore nécessaire d'étudier l'effet de l'accumulation thermique sur la cellule. Nous utilisons une caméra infrarouge (IR) pour surveiller la variation de température dans différentes conditions de test. La distance focale du réflecteur parabolique utilisé est de 6,5 cm. Nous plaçons le dispositif photovoltaïque 0,5 cm en dessous du point focal du réflecteur parabolique pour assurer l'éclairage complet de la zone active, qui est d'environ 1,5 cm ² . Les images de température IR pour les dispositifs à double photoanode sont illustrées à la Fig. 4b–d, et les conditions d'irradiation correspondantes sont illustrées à la Fig. 4e. Par rapport aux appareils non irradiés, les augmentations de température sont respectivement de 9,3 °C, 20,6 °C et 32,6 °C. L'irradiation double face montre une augmentation de température plus élevée que la somme des irradiations séparées du haut et du bas, ce qui indique le mécanisme supplémentaire du matériau ou de l'interface impliqué ici. La réaction de S ²⁻ /S_n ²⁻ dans l'électrolyte et l'interface n'est pas similaire sous différentes températures. Selon la formule d'Arrhenius, la vitesse de réaction chimique dans PV augmente avec l'augmentation de la température. Avec l'augmentation de la température, la réaction redox à proximité des électrodes QDSSC a été renforcée, ce qui a accéléré l'épuisement des trous photogéniques dans la photoanode, réduisant ainsi considérablement la réaction redox excitée par l'énergie.

Conclusions

En résumé, nous concevons une nouvelle architecture de cellules solaires en intégrant le concept CPV dans des QDSSC avec une conception à double photoanode. Pour assurer une meilleure récolte de lumière, le Cu₂ La maille S est utilisée comme contre-électrode et prise en sandwich entre deux photoanodes, et l'effet de Cu₂ La morphologie S sur les performances cellulaires est étudiée et optimisée. Il a été démontré que la conception spéciale a permis d'obtenir une amélioration de 260% du PCE par rapport à la photoanode unique irradiée par le dessus. Alors que le circuit de tension ouvert ne change pas, la conception à double photoanode augmente considérablement la densité de courant et augmente ainsi le PCE. De plus, l'effet photothermique induit par le CPV pourrait être utile pour améliorer le PCE, et un champion PCE de 8,28% (V _oc =0.629 V, J _sc =32.247 mA cm ⁻² ) est accompli. Il convient de mentionner que le présent fournit un nouveau moyen d'améliorer le PCE des QDSSC, mais la conception du dispositif spécialement pour la partie CPV pourrait être encore optimisée et les performances de la cellule seraient encore améliorées. Nous pensons qu'avec de meilleurs sensibilisateurs QD et des techniques de conception de dispositifs, l'idée suggérée dans le présent travail induirait de grands progrès dans les QDSSC et pourrait être étendue à d'autres cellules solaires.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

QDSSC :

Cellules solaires sensibilisées aux points quantiques

PCE :

Efficacité de conversion de puissance

CPV :

Cellule solaire à concentration

QD :

Points quantiques

FF :

Facteur de remplissage

SILAR:

Successive ionic layer adsorption and reaction

CV :

Voltamétrie cyclique

CBD:

Chemical bath deposition

SEM :

Microscopie électronique à balayage

XPS :

Spectres de photoélectrons aux rayons X