Peningkatan Efisiensi Sel Surya Titik Kuantum dengan Fotovoltaik Konsentrator dan Dua Anoda
Abstrak
Meskipun upaya besar telah dilakukan untuk meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) sel surya terbitan titik kuantum (QDSSCs) selama dua dekade terakhir, efisiensi QDSSCs masih jauh di bawah nilai teoretisnya. Pendekatan saat ini untuk meningkatkan PCE terutama difokuskan pada menyesuaikan jarak band QDs untuk memperluas penangkapan cahaya dan mengoptimalkan antarmuka bagian komponen. Di sini, arsitektur sel surya baru diusulkan dengan mengintegrasikan konsep sel surya konsentrator (CPV) ke dalam QDSSCs dengan desain dua anoda. Jaring Cu₂S digunakan sebagai elektroda balik dan disisipkan antara dua anoda. Struktur sel yang dirancang ini dapat meningkatkan PCE sebesar 260% dibandingkan dengan satu anoda. Dengan pelembut CdS/CdSe QD yang paling banyak digunakan, PCE juara 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) telah dicapai. Ini terutama karena peningkatan J_sc akibat desain dua anoda dan adopsi konsep CPV. Selain itu, alasan lainnya adalah sinar matahari yang terkonsentrasi menginduksi efek fototermal, yang mempercepat reaksi kimia yang terkait dengan konversi spesies polisulfida. Pembuatan dan desain sel yang dilaporkan di sini menyediakan wawasan baru untuk pengembangan lebih lanjut QDSSCs.
Pendahuluan
Sebagai jenis alat konversi fotoelektrik yang menjanjikan dan relatif ekonomis, sel surya terbitan titik kuantum (QDSSCs) telah menarik perhatian besar karena efisiensi konversi daya teoretis yang tinggi (PCE) [1, 2]. QDSSCs mewarisi struktur sel surya terbitan pewarna, termasuk anoda (biasanya, lapisan oksida semiconductor berpori dengan jarak band yang luas yang ditutupi oleh QD semiconductor sebagai pelembut), elektrolit cair, dan elektroda balik. Untuk meningkatkan PCE sel untuk aplikasi komersial potensial, banyak strategi telah diteliti terutama dari sudut pandang material, melibatkan sintesis pelembut QD baru untuk memperluas rentang penangkapan cahaya; menyiapkan anoda dengan berbagai struktur nano seperti film berpori [3], nanotipa [4, 5], dan nano batang untuk ekstraksi elektron yang lebih baik [6, 7]; pembuatan anoda dotasi logam mulia dengan resonansi plasmon permukaan lokal [8, 9]; pengembangan sulfida dan elektroda balik lainnya untuk mengganti Pt; sintesis elektrolit yang berbeda; dan sebagainya.
Salah satu faktor paling penting yang membatasi efisiensi konversi fotoelektrik QDSSCs adalah rentang penyerapan radiasi matahari yang sempit [10]. Daerah penyerapan sangat tergantung pada tipisan anoda dan QD. Menyempitkan jarak band QD adalah cara efektif untuk memperluas rentang penangkapan cahaya. Zhong et al. menyintesis QD legur Zn–Cu–In–Sn dan sangat meningkatkan PCE QDSSCs, menetapkan beberapa rekor PCE QDSSCs [11,12,13]. Saat ini, PCE tertinggi yang dilaporkan QDSSCs adalah 14,02% yang dicapai oleh Zhao et al. [14]. Dalam karya mereka, QD legur Zn–Cu–In–Sn digunakan sebagai pelembut, dan elektroda balik (CE) adalah CuS dotasi nanotipa karbon dan grafin, yang memulai level baru PCE QDSSCs. Namun, penurunan yang berlebihan jarak band untuk meningkatkan penangkapan cahaya matahari akan mengakibatkan kehilangan tegangan sumber terbuka dan menurunkan performa perangkat karena pergeseran turun tepi band konduksi.
Untuk meningkatkan lebih lanjut performa sel, konfigurasi perangkat telah dipertimbangkan. Dalam sel surya terbitan pewarna dan sel surya titik kuantum koloidal [15], struktur tandem telah digunakan sebagai pendekatan signifikan untuk membatasi batasan PCE [16, 17]. Untuk sebagian besar struktur tandem sel surya terbitan pewarna, Pt semi-transparan pada kaca konduktif atau jaring Pt diterapkan di tengah sel sebagai elektroda balik [18]. Film TiO₂ dipisahkan menjadi dua atau lebih lapis yang diberi pelembut oleh pewarna yang sama atau berbeda, yang dapat memperluas respons spektral dan sehingga secara signifikan meningkatkan performa sel [19,20,21]. Untuk QDSSCs, Meng et al. merancang struktur anoda ganda dengan elektroda balik Cu₂S semi-transparan berbentuk jaring yang disisipkan antara dua fotoelektroda TiO₂. Di bawah sinar matahari satu matahari dari elektroda atas, sel yang dioptimalkan menunjukkan peningkatan PCE sebesar 12% [22]. Dalam karya mereka, struktur tandem digunakan dalam QDSSCs untuk pertama kalinya. Namun, efisiensi utilitas cahaya struktur tandem sel terbatas. Xu et al. menunjukkan penurunan polisulfida yang ditingkatkan oleh cahaya NIR pada antarmuka elektroda–elektrolit dengan memancarkan cahaya NIR pada elektroda CuS, yang menunjukkan peningkatan PCE sebesar 15%, yang dikaitkan dengan efek fototermal dan serapan resonansi plasmonik [23].
Dengan upaya besar dalam beberapa dekade terakhir, PCE QDSSC diizinkan untuk setara dengan perangkat paralel, sel surya terbitan pewarna. Namun, efisiensi QDSSCs masih jauh di bawah nilai teoretisnya, dan masih harus diselesaikan untuk aplikasi komersial. Oleh karena itu, mengeksplorasi strategi baru untuk meningkatkan PCE QDSSCs masih merupakan tugas mendesak. Di sini, kami mengintegrasikan konsep fotovoltaik konsentrator ke dalam QDSSCs dengan dua anoda TiO₂ berpori dan desain elektroda balik jaring Cu₂S [24], mencapai peningkatan PCE sebesar 260% dibandingkan dengan perangkat satu anoda tradisional. Dengan pelembut QD CdS/CdSe yang paling banyak digunakan, PCE juara 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) dicapai.
Manajemen cahaya sebagai teknologi penting untuk meningkatkan efisiensi konversi dalam sel surya bertujuan untuk meningkatkan flux foton yang diterima oleh sel surya [25]. Struktur penangkap cahaya adalah metode yang umum digunakan untuk manajemen cahaya, termasuk cermin [26, 27], permukaan Lambertian [28], dan permukaan tekstur [29, 30]. Dengan efek penangkap cahaya, panjang jalur optik meningkat, sehingga meningkatkan PCE sel surya. Salah satu struktur penangkap cahaya dasar adalah menyiapkan cermin pada permukaan belakang sel surya, dan reflectivitas cermin dapat mencapai 95% [31]. Terinspirasi dari diskusi di atas, Gambar 1 mengilustrasikan arsitektur perangkat yang digunakan dalam karya ini. Desain dua anoda TiO₂ diadopsi, yang dipisahkan oleh jaring Cu₂S sebagai elektroda balik. Ketebalan anoda TiO₂ sekitar 4,5 μm, yang dapat dilihat pada Gambar S1. Sel atas dan sel bawah menggunakan materi dan struktur yang sama, jadi tidak perlu mempertimbangkan konstanta jaringan dan koefisien ekspansi dari materi semiconductor yang berbeda pada dua anoda. Cu₂S yang tumbuh pada jaring Cu sebagai elektroda balik memungkinkan cahaya yang ditransmisikan dari sel atas untuk mencapai anoda bawah. Materi jarak band lepas di atas menyaring foton energi tinggi, dan foton energi rendah melewatinya kemudian diserap oleh materi jarak band sempit di sel bawah. Jelas, PCE struktur anoda ganda lebih tinggi daripada struktur satu anoda karena struktur anoda ganda dapat menangkap lebih banyak cahaya dan sehingga meningkatkan kepadatan arus. Namun, hanya memancarkan dari arah atas menginduksi peningkatan PCE sebesar 18% dibandingkan dengan perangkat satu anoda seperti yang ditunjukkan nanti, yang disebabkan oleh serapan dan refleksi yang kuat dari cahaya matahari oleh sel atas, sehingga meninggalkan densitas cahaya yang tidak mencukupi untuk sel bawah [22].
Diagram skematik desain sel dalam karya ini
Mengingat bahwa cahaya yang ditangkap oleh sel bawah terbatas, kami memperkenalkan konsep sel fotovoltaik konsentrator (CPV) ke dalam perangkat saat ini [32, 33] dan menyiapkan reflektor parabolik di bawah anoda bawah. Sistem CPV menggunakan elemen optik untuk memfokuskan cahaya pada area kecil sel surya, yang meningkatkan efisiensi teknologi fotovoltaik sambil meminimalkan biaya. Pengurangan area sel dapat membuat biaya CPV bersaing dengan fotovoltaik panel datar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, reflektor parabolik membuat cahaya terfokus pada anoda bawah. Dengan mengontrol jarak antara reflektor dan anoda bawah, area aktif dapat disesuaikan dengan area sel. Selain itu, cahaya yang ditingkatkan dapat ditransmisikan dan mencapai anoda atas, menyediakan energi eksitasi tambahan untuk penangkapan cahaya. Tentu saja, efek fototermal yang disebabkan oleh CPV akan memiliki dampak pada performa PV [34], yang akan dibahas secara detail nanti.
Metode
Bahan
Dioksida titan (99,8%, 10–25 nm, TiO₂) dan sulfita natrium (AR, Na₂SO₃) disuplai oleh Aladdin. Kaca konduktif FTO dotasi fluorin (FTO, ketebalan 1,6 mm, transmisi 83%, resistansi permukaan 15/persegi) dibeli dari Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (China). Metanol (AR, CH₃OH), etanol (AR, CH₃CH₂OH), dan aseton (AR, CH₃OCH₃) disuplai oleh Beijing Chemical Works (China). Etilendiamin (AR, C₂H₈N₄) dan selenium (AR, Se) dibeli dari Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (China). Asam klorida (36%, HCl), selulosa etil ethoce (AR, [C₆H₇O₂(OC₂H₅)₃]ₙ), alfa-terpineol (AR, C₁₀H₈O), asetat kadmium (AR, Cd(CH₃COOH)₂), asetat seng (AR, Zn(CH₃COOH)₂), sulfida natrium (AR, Na₂S∙9H₂O), sulfur (AR, S), dan tiourea (AR, CH₄N₂S) disuplai oleh Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Nitrilotriasetat asam trisodium (98%, C₆H₉NNa₃O₆) dibeli dari TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (China). Jaring kuning disuplai oleh Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).
Persiapan Elektroda Balik Cu₂S
Jaring kuning direndam dalam HCl (36%) selama 2 jam pada 70 °C untuk menghapus seng pada permukaan jaring Cu. Jaring Cu dicuci dengan air tisu dan dikeringkan pada suhu ruangan setelah dikeluarkan dari larutan. Kemudian, jaring Cu direndam dalam larutan air yang berisi 1 M Na₂S dan 1 M S selama 5 s untuk mendapatkan flake Cu₂S, diikuti dengan cuci dengan air tisu dan keringkan pada suhu ruangan. Untuk menyiapkan granular Cu₂S, jaring Cu yang telah diperlakukan dengan HCl (36%) direndam dalam larutan campuran CH₄N₂S (0,01 M) dan C₂H₈N₄ (0,4 ml) selama 24 jam, diikuti dengan cuci dengan air tisu dan keringkan pada suhu ruangan.
Persiapan Anoda TiO₂ Co-sensitized QD CdS/CdSe
Film mesoporous TiO₂ disiapkan dengan spin-coating pasta yang berisi TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀H₈O (3,245 g), dan CH₃CH₂OH (8,5 ml) pada substrat FTO yang bersih, yang kemudian dikeringkan dalam oven pada 60 °C dan diikuti dengan aneling pada 450 °C selama 30 menit untuk menghilangkan pelarut organik. Kecepatan rotasi spin coater adalah 7500 rpm selama 30 s. Proses SILAR digunakan untuk menyetorkan QD CdS. Biasanya, film TiO₂ secara bergantian direndam dalam larutan metanol Cd(CH₃COOH)₂ (0,12 M) dan larutan Na₂S (0,02 M dengan metanol dan air tisu 1:1 v/v) selama 30 S dalam setiap siklus untuk total 5 siklus. QD CdSe dilapisi dengan metode CBD. Dalam detail, larutan yang berisi sumber Cd²⁺ dan Se²⁻ disiapkan dengan metode berikut. 1,55 g Na₂SO₃ dilarutkan dalam 25 ml air tisu. 0,155 g bubuk Se sebagai sumber Se²⁻ ditambahkan ke dalam larutan di atas. Larutan yang didapat dipanaskan dengan minyak mandi pada 125 °C selama 3 jam dalam kondisi pengadukan. Larutan Cd²⁺ disiapkan dengan mencampur 25 ml larutan air tisu asam nitrilotriasetat (120 mM) dan 25 ml larutan air tisu Cd(CH₃COO)₂ (80 mM). Kemudian, larutan Se²⁻ yang disiapkan dan larutan Cd²⁺ dicampur bersama. Anoda yang telah dilapisi CdS dimasukkan ke dalam larutan campuran di atas pada 24 °C selama 2 jam dalam kegelapan. Untuk pasivasi ZnS, film yang disensitarkan disetorkan dengan merendam secara bergantian ke dalam larutan 0,1 M Zn(CH₃COO)₂ dan 0,1 M Na₂S (dengan metanol dan air 1:1 v/v) selama 1 menit dan 4 siklus. Area aktif sel surya adalah 0,25 cm². Elektrolit polisulfida (2 M Na₂S dan larutan 2 M S dengan metanol dan air tisu 7:3 v/v) dialirkan ke dalam sel melalui injektor.
Pengukuran Elektrokimia
Analisis elektrokimia dilakukan oleh stasiun kerja elektrokimia DyneChem, dan platinum dan Ag/AgCl digunakan sebagai elektroda balik dan referensi, masing-masing. Kurva voltametri siklik dan tafel polarisasi diuji dalam elektrolit polisulfida 2 M. Plot Nyquist QDSSCs di bawah sinar matahari penuh satu intensitas. Tegangan yang digunakan selama pengukuran EIS adalah 0,5 V.
Karakterisasi
Morfologi permukaan dianalisis oleh mikroskop elektron pemindai (SEM) (JEOL7610), karakterisasi sampel diukur oleh spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), dan kurva J–V QDSSCs diukur oleh meter sumber Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). Gambar suhu IR diperoleh oleh FLIR T460.
Hasil dan Pembahasan
Ada banyak material berstruktur nano yang dapat digunakan sebagai elektroda balik untuk QDSSCs, termasuk Cu₂S, CoS, GeC [35], dan NCW [36]. Namun, elektroda balik Cu₂S berbasis jaring kuning menunjukkan aktivitas katalitik yang ideal terhadap pasangan redoks Sn²⁻/S²⁻. Untuk menyiapkan elektroda balik Cu₂S, dua metode berbeda digunakan. Satu adalah menghapus Zn dari permukaan jaring kuning dengan asam klorida kemudian merendam jaring dalam larutan campuran yang berisi CH₄N₂S dan C₂H₈N₄ selama 24 jam [37]. Gambar SEM dari jaring yang dilapisi Cu₂S yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 2a–c. Gambar SEM diperbesar menunjukkan granular Cu₂S terbentuk. Tampilan potong lintang pada Gambar 2d menunjukkan keberadaan film Cu₂S pada kawat kuning, retakan di antara mereka berasal dari pemotongan selama persiapan sampel potong lintang, dan ketebalan sekitar 1,3 μ. Gambar 2e menunjukkan bahwa satu-satunya elemen yang ada di sana adalah Cu dan S, dan rasio atom Cu terhadap S sekitar 2. Spektra XPS Cu dan S ditunjukkan pada Gambar 2f dan h, masing-masing. Puncak Cu 2p pada 952 eV dan 932,5eV sesuai dengan energi ikatan elektron Cu 2p1/2 dan Cu 2p3/2, masing-masing, yang konsisten dengan Cu¹⁺ [38]. Puncak yang diamati pada S 2p pada 163,5 eV dan 161 eV sesuai dengan S 2p1/2 dan S 2p3/2, masing-masing, yang konsisten dengan S²⁻ [39]. Hasil ini mengonfirmasi persiapan yang berhasil film Cu₂S pada jaring kuning, dan morfologi permukaan diyakini memastikan luas permukaan yang besar dan aktivitas katalitik yang cukup.
Citra SEM elektroda balik Cu₂S berbentuk jaring: a tampilan atas; b, c tampilan diperbesar morfologi permukaan; d tampilan potong lintang dan tampilan diperbesar lapisan Cu₂S. e EDS Cu₂S. f, g Spektra survey XPS sampel Cu₂S
Metode lain telah banyak digunakan dalam laporan sebelumnya, di mana jaring kuning pertama kali ditempatkan dalam asam klorida, kemudian diendapkan dalam elektrolit polisulfida (1 M Na₂S dan 1 M S) untuk waktu yang sesuai [40]. Hasil yang sesuai ditunjukkan pada Gambar S2. Gambar SEM diperbesar menunjukkan flake Cu₂S terbentuk. Tampilan potong lintang menunjukkan keberadaan film Cu₂S pada kawat kuning, dan ketebalannya juga sekitar 1,3 μ. Spektra XPS Cu menunjukkan puncak pada 933,1 eV dan 952,5 eV, yang sesuai dengan Cu 2p3/2 dan 2p1/2, masing-masing [41]. Spektra S 2p menunjukkan puncak pada 162,4 eV, yang mengonfirmasi keberadaan S²⁻ [42]. Pengaruh morfologi Cu₂S pada performa sel lebih lanjut diselidiki.
Untuk mengkarakterisasi performa sel dengan arsitektur dan CE yang berbeda, kurva kepadatan arus–tegangan (J–V) diperoleh dan ditunjukkan pada Gambar 3a–d. Satu anoda dan dua anoda dibuat untuk perbandingan dengan granular dan flake Cu₂S sebagai CE, masing-masing. Ada tiga cara untuk memancarkan cahaya pada sel: atas, bawah, dan ganda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4e, dan perilaku sel yang bekerja dalam kondisi pencahayaan yang berbeda diselidiki secara detail, dan parameter sel yang sesuai diringkas pada Tabel 1 termasuk tegangan sumber terbuka (V_oc), arus pendek (J_sc), faktor isi (FF), dan PCE, di mana nilai yang tidak dalam kurung adalah rata-rata eksperimental dari dua puluh kelompok sel dan nilai dalam kurung adalah nilai juara. Konfigurasi uji untuk satu anoda dengan granular dan flake Cu₂S sebagai CE ditunjukkan pada Gambar S3, dan kurva J–V ditunjukkan pada Gambar 3a dan b. PCE memancarkan dari atas, bawah, dan ganda adalah 2,32%, 2,00%, dan 3,59%, masing-masing, sementara V_oc dipertahankan sekitar 0,6 V, dan peningkatan utama PCE adalah karena peningkatan J_sc. Karena ini adalah satu anoda, peningkatan J_sc seharusnya disebabkan oleh intensitas cahaya yang ditingkatkan dari iradiasi bawah, yang menghasilkan peningkatan elektron yang dihasilkan oleh cahaya pada anoda. Harus diperhatikan bahwa PCE dari iradiasi bawah lebih rendah daripada iradiasi atas meskipun cahaya yang terkonsentrasi memiliki intensitas lebih tinggi daripada cahaya paralel dari atas, yang dapat dijelaskan dari Gambar S3. Saat memfokuskan cahaya terkonsentrasi pada QDSSCs satu anoda, cahaya perlu melewati kaca FTO, kemudian melalui jaring Cu₂S CE dan elektrolit untuk mencapai anoda atas, yang mengakibatkan kehilangan fotoenergi dalam beberapa ukuran. Dari hasil kami, intensitas fotoenergi yang sampai ke anoda atas akan lebih lemah daripada iradiasi paralel dari atas. Oleh karena itu, PCE dari struktur sel satu anoda di bawah iradiasi cahaya terkonsentrasi lebih rendah daripada di bawah iradiasi cahaya paralel di sisi atas. Ini dapat didukung lebih lanjut dengan mengadopsi konfigurasi uji yang ditunjukkan pada Gambar S4. Memfokuskan cahaya langsung pada anoda bawah sebagai elektroda kerja mencapai PCE 4,32% dan arus pendek 21,6 mA cm⁻², hampir dua kali arus pendek yang dihasilkan oleh cahaya paralel yang memancarkan anoda, yang berarti flux foton setelah dikondensasi adalah dua kali dari cahaya paralel dari atas. Dari perubahan flux foton, kami dapat menghitung koefisien kondensasi adalah 2, yang konsisten dengan hasil pengukuran kami. Seperti yang dapat dilihat dari Tabel 1, PCE rata-rata struktur sel dua anoda dengan granular Cu₂S CE adalah 5,51% dalam kondisi cahaya terkonsentrasi dari sisi bawah, dan peningkatan PCE adalah karena kontribusi fotoelektroda atas, mengindikasikan bahwa anoda atas menangkap lebih banyak foton dalam kondisi terkonsentrasi.
Kurva J–V juara QDSSCs dengan berbagai struktur. a Satu-anoda dan CE granular Cu₂S. b Satu-anoda dan CE flake Cu₂S. c Dua-anoda dan CE granular Cu₂S. d Dua-anoda dan CE flake Cu₂S. e CV dan g kurva polarisasi tafel dari dua CE Cu₂S, masing-masing. f Stabilitas elektrokimia berbagai CE yang diteliti dengan CV. h Plot Nyquist QDSSCs dengan berbagai CE dan berbagai struktur di bawah sinar matahari satu intensitas. i Bagian diperbesar dari kerangka titik hitam pada h
Citra inframerah dari berbagai kondisi pencahayaan: a tanpa cahaya, b cahaya paralel di sisi atas, c cahaya terkonsentrasi dari reflektor parabolik, d cahaya dari kedua sisi bersamaan, dan e diagram simulasi berbagai kondisi pencahayaan
Untuk perangkat dua anoda dengan granular Cu₂S sebagai CE, PCE memancarkan dari atas, bawah, dan ganda adalah 2,64% (J_sc = 11,552 mA cm⁻²), 5,53% (J_sc = 26,287 mA cm⁻²), dan 8,28% (J_sc = 32,247 mA cm⁻²), masing-masing. Dibandingkan dengan struktur satu anoda tradisional yang memancarkan dari atas (2,32%), PCE meningkat sebesar 260%. Peningkatan PCE jelas disebabkan oleh peningkatan J_sc, mengindikasikan bahwa dua anoda bekerja dalam konfigurasi paralel. Intensitas cahaya yang diukur dari cahaya terkonsentrasi dari bawah sekitar dua kali dari cahaya paralel atas. Dalam kondisi iradiasi cahaya terkonsentrasi, PCE QDSSCs seharusnya lebih tinggi daripada cahaya paralel atas. Ini konsisten dengan hasil saat ini bahwa PCE dari iradiasi bawah lebih dari 2 kali dibandingkan dengan iradiasi atas.
Harus diperhatikan bahwa perilaku sel berdasarkan flake Cu₂S CE serupa tetapi menunjukkan nilai turun secara keseluruhan dalam parameter fotovoltaik. Untuk mengeksplorasi asal yang terperinci, kurva voltametri siklik (CV) dan kurva polarisasi tafel dari dua jenis CE Cu₂S diukur menggunakan sistem tiga elektroda. Gambar 3e adalah kurva CV, dan granular Cu₂S menunjukkan kepadatan arus yang lebih tinggi. Puncak reduksi granular Cu₂S lebih tinggi daripada flake Cu₂S, yang mengindikasikan laju reaksi redoks yang lebih cepat dari S²⁻/S_n²⁻ dalam elektrolit. Gambar 3f menunjukkan kurva CV elektroda Cu₂S dengan morfologi yang berbeda dari 1 hingga 25 siklus. Tidak ada variasi yang jelas yang dapat ditemukan pada bentuk kurva CV dan posisi puncak. Kurva CV tumpang tindih dengan baik selama pemindaian berkelanjutan, mengindikasikan bahwa kedua morfologi elektroda memiliki stabilitas kimia yang baik. Dapat dilihat dari Gambar 3g bahwa kepadatan arus pertukaran (J_0) dari granular Cu₂S lebih besar daripada flake Cu₂S. Menurut hasil uji CV dan kurva polarisasi tafel, disarankan bahwa aktivitas katalitik granular Cu₂S lebih baik dari film Cu₂S. Ini konsisten dengan performa fotovoltaik kurva J–V pada Gambar 3a–d. Untuk lebih mengonfirmasi aktivitas katalitik elektroda balik, spektral EIS dipelajari dan ditunjukkan pada Gambar 3h. Garis padat ungu mewakili kurva fitting, dan data fitting diringkas pada Tabel 2. R_ct1, R_ct2, dan R_s mewakili resistansi transfer muatan pada elektroda balik, resistansi transfer muatan pada antarmuka anoda/elektrolit, dan resistansi seri, masing-masing. Dapat dilihat bahwa struktur sel satu anoda dan resistansi transfer muatan R_ct1 untuk granular Cu₂S dan flake Cu₂S adalah 3,522 dan 6,753 Ω cm², masing-masing, dan untuk sel dua anoda adalah 5,990 dan 8,088 Ω cm², masing-masing. R_ct1 yang lebih kecil dari granular Cu₂S mengindikasikan konduktivitas yang lebih baik karena resistansi transfer muatan yang lebih kecil.
Flux foton di dalam penyerap sesuai dengan hukum Lambert–Beer:
di mana b(E, x) adalah flux foton yang diterima oleh QD pada posisi x, bs(E) adalah flux foton yang diterima dalam arah vertikal terhadap iradiasi matahari, R(E) adalah reflectivitas antarmuka, dan α(E, x) adalah koefisien serapan pada posisi x. CPV mengumpulkan cahaya insiden dari area besar dan memfokuskannya pada area kecil sel surya untuk konversi fotovoltaik. Faktor konsentrasi X adalah parameter penting untuk menggambarkan performa sel surya konsentrator, yaitu kali peningkatan densitas flux foton b(E) dan juga diperkirakan sebagai rasio area cahaya insiden yang dikumpulkan terhadap area sel surya. Dapat dipertimbangkan bahwa cahaya yang difokuskan seragam dalam setengah sudut konsentrasi (θ_X), dan kali peningkatan flux foton matahari b_s(E,x) sama dengan faktor konsentrasi X. Oleh karena itu, untuk CPV, Eq. (1) dapat diekspresikan sebagai:
Arus foto (J_ph) yang dihasilkan oleh sel surya dalam kondisi cahaya, ditentukan oleh flux foton dan performa sel surya, J_ph sama dengan J_sc, dan dapat diekspresikan sebagai:
$$ J\mathrm{ph}=J\mathrm{sc}=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{QE}(E) bs\left(E, Ts\right) dE $$ (3)
di mana Q adalah muatan dasar. Efisiensi kuantum (QE) adalah fungsi energi foton. Kami mengasumsikan bahwa flux foton kolektor bs₂ adalah Y kali flux foton atas bs₁, dan J_sc dari sel dua anoda di bawah iradiasi dari bawah dapat diekspresikan sebagai:
Oleh karena itu, jumlah J_sc1 dalam kondisi iradiasi cahaya paralel dari sisi atas dan J_sc2 dalam kondisi iradiasi cahaya terkonsentrasi dari sisi bawah harus sama dengan J_sc1,2 yang dihasilkan oleh iradiasi cahaya pada kedua sisi PV. Persamaan (4) pada dasarnya konsisten dengan hasil J–V pada Tabel 1, namun dengan beberapa simpangan. Seperti yang dapat dilihat dari data J_sc, jumlah J_sc1 yang memancarkan dari atas dan J_sc2 yang memancarkan dari bawah sedikit lebih kecil daripada J_sc1,2 yang memancarkan dari kedua sisi untuk perangkat dua anoda. Simpangan seharusnya disebabkan oleh efek fototermal karena variasi suhu QDSSCs dalam kondisi pencahayaan yang berbeda.
Diketahui luas bahwa cahaya yang difokuskan pada perangkat optoelektrik akan menginduksi acumulasi termal dan peningkatan suhu. Dalam karya ini, flux foton dari cahaya terkonsentrasi dari reflektor parabolik yang diukur oleh meter intensitas cahaya sekitar dua kali simulasi cahaya matahari normal; ini berarti koefisien konsentrasi adalah 2, yang jauh lebih kecil dari perangkat CPV praktis. Namun, masih perlu menyelidiki efek acumulasi termal pada sel. Kami menggunakan kamera inframerah (IR) untuk memantau variasi suhu dalam kondisi uji yang berbeda. Jarak fokus reflektor parabolik yang digunakan adalah 6,5 cm. Kami menempatkan perangkat fotovoltaik 0,5 cm di bawah titik fokus reflektor parabolik untuk memastikan pencahayaan penuh area aktif, yang sekitar 1,5 cm². Gambar suhu IR untuk perangkat dua anoda ditunjukkan pada Gambar 4b–d, dan kondisi iradiasi yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 4e. Dibandingkan dengan perangkat yang tidak diiradiasi, peningkatan suhu adalah 9,3 °C, 20,6 °C, dan 32,6 °C, masing-masing. Iradiasi sisi ganda menunjukkan peningkatan suhu yang lebih tinggi dari jumlah iradiasi terpisah dari atas dan bawah, yang mengindikasikan mekanisme tambahan dari materi atau antarmuka yang terlibat di sini. Reaksi S²⁻/S_n²⁻ dalam elektrolit dan antarmuka tidak sama pada suhu yang berbeda. Menurut rumus Arrhenius, laju reaksi kimia dalam PV meningkat seiring peningkatan suhu. Seiring peningkatan suhu, reaksi redoks di dekat elektroda QDSSC ditingkatkan, yang mempercepat depletasi lubang foto di anoda, sehingga sangat mengurangi reaksi redoks yang dienergikan oleh cahaya.
Kesimpulan
Dalam rangkuman, kami merancang arsitektur sel surya baru dengan mengintegrasikan konsep CPV ke dalam QDSSCs dengan desain dua anoda. Untuk memastikan penangkapan cahaya yang lebih baik, jaring Cu₂S digunakan sebagai elektroda balik dan disisipkan antara dua anoda, dan efek morfologi Cu₂S pada performa sel diselidiki dan dioptimalkan. Telah terbukti bahwa desain khusus ini mencapai peningkatan PCE sebesar 260% dibandingkan dengan satu anoda yang diiradiasi dari sisi atas. Sementara tegangan sumber terbuka tidak berubah, desain dua anoda secara signifikan meningkatkan kepadatan arus dan sehingga meningkatkan PCE. Selain itu, efek fototermal yang disebabkan oleh CPV dapat membantu meningkatkan PCE, dan PCE juara 8,28% (V_oc = 0,629 V, J_sc = 32,247 mA cm⁻²) dicapai. Harus disebutkan bahwa karya ini memang menyediakan cara baru untuk meningkatkan PCE QDSSCs, tetapi desain perangkat terutama untuk bagian CPV dapat dioptimalkan lebih lanjut, dan performa sel akan ditingkatkan lebih lanjut. Kami percaya bahwa dengan pelembut QD yang lebih baik dan teknik desain perangkat, ide yang disarankan dalam karya ini akan memicu kemajuan besar dalam QDSSCs dan dapat diperluas ke sel surya lainnya.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bersangkutan atas permintaan yang wajar.
