Meningkatkan Efisiensi Konversi Daya Sel Surya Quantum Dot-Sensitized dengan Mengintegrasikan Konsep Fotovoltaik Konsentrasi dengan Fotoanoda Ganda

Abstrak

Terlepas dari upaya besar yang didedikasikan untuk meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) sel surya tersensitisasi titik kuantum (QDSSC) dalam dua dekade terakhir, efisiensi QDSSC masih jauh di belakang nilai teoretisnya. Pendekatan saat ini untuk meningkatkan PCE terutama difokuskan pada penyesuaian celah pita QD untuk memperluas pemanenan cahaya dan mengoptimalkan antarmuka bagian komponen. Di sini, arsitektur sel surya baru diusulkan dengan mengintegrasikan konsep sel surya konsentrat (CPV) ke dalam QDSSC dengan desain fotoanoda ganda. Cu₂ S mesh digunakan sebagai elektroda lawan dan diapit di antara dua fotoanoda. Struktur baterai yang dirancang ini dapat meningkatkan PCE sebesar 260% dibandingkan dengan fotoanoda tunggal. Dengan sensitizer QD CdS/CdSe yang paling banyak digunakan, PCE juara sebesar 8,28% (V _ok =0,629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻ 2) tercapai. Hal ini terutama disebabkan oleh peningkatan J _sc karena desain fotoanoda ganda dan adopsi konsep CPV. Selain itu, alasan lain adalah bahwa iluminasi sinar matahari yang terkonsentrasi menginduksi efek fototermal, mempercepat reaksi kimia sebelumnya yang terkait dengan konversi spesies polisulfida. Pembuatan dan desain sel yang dilaporkan di sini memberikan wawasan baru untuk pengembangan QDSSC lebih lanjut.

Pengantar

Sebagai jenis perangkat konversi fotolistrik yang menjanjikan dan ekonomis, sel surya tersensitisasi titik kuantum (QDSSCs) telah menarik perhatian besar karena efisiensi konversi daya teoritis (PCE) yang tinggi [1, 2]. QDSSC mewarisi struktur sel surya yang peka terhadap zat warna, termasuk fotoanoda (biasanya, lapisan semikonduktor oksida berpori dengan celah pita lebar yang ditutupi oleh semikonduktor QD sebagai sensitizer), elektrolit cair, dan elektroda lawan. Untuk meningkatkan PCE sel untuk aplikasi komersial potensial, banyak strategi telah diselidiki terutama dari sudut pandang material, yang melibatkan sintesis sensitizer QD baru untuk memperluas jangkauan pemanenan cahaya; mempersiapkan fotoanoda dengan struktur nano yang berbeda seperti film berpori [3], nanotube [4, 5], dan nanorod untuk ekstraksi elektron yang lebih baik [6, 7]; fabrikasi fotoanoda yang didoping logam mulia menggunakan resonansi plasmon permukaan lokal [8, 9]; mengembangkan sulfida dan pencacah lainnya untuk menggantikan pencacah Pt; mensintesis elektrolit yang berbeda; dan seterusnya.

Salah satu faktor terpenting yang membatasi efisiensi konversi fotolistrik QDSSC adalah rentang penyerapan radiasi matahari yang sempit [10]. Daerah penyerapan sangat tergantung pada film tipis fotoanoda dan QDs. Mempersempit celah pita QD adalah cara yang efektif untuk memperluas jangkauan pemanenan cahaya. Zhong dkk. mensintesis QD paduan Zn-Cu-In-Sn dan sangat meningkatkan PCE QDSSC, menetapkan beberapa catatan PCE QDSSC [11,12,13]. Saat ini, PCE QDSSC tertinggi yang dilaporkan adalah 14,02% yang dicapai oleh Zhao et al. [14]. Dalam pekerjaan mereka, QD paduan Zn-Cu-In-Sn digunakan sebagai sensitizer, dan elektroda lawan (CE) didoping CuS dengan nanotube karbon dan graphene, yang memulai level baru PCE QDSSC. Namun, mengurangi celah pita secara berlebihan untuk meningkatkan pemanenan sinar matahari akan menyebabkan hilangnya tegangan rangkaian terbuka dan menurunkan kinerja perangkat karena penurunan tepi pita konduksi.

Untuk lebih meningkatkan kinerja sel, konfigurasi perangkat telah diperhitungkan. Dalam sel surya tersensitisasi pewarna dan sel surya kuantum dot koloid [15], struktur tandem telah digunakan sebagai pendekatan yang signifikan untuk menembus keterbatasan PCE [16, 17]. Untuk sebagian besar struktur tandem sel surya tersensitisasi pewarna, Pt semi-transparan pada kaca konduktif atau mesh Pt diterapkan di tengah sel sebagai elektroda lawan [18]. TiO₂ film dipisahkan menjadi dua atau lebih lapisan peka oleh pewarna yang sama atau berbeda, yang dapat memperluas respon spektral dan dengan demikian secara signifikan meningkatkan kinerja sel [19,20,21]. Untuk QDSSC, Meng et al. desain struktur fotoanoda ganda dengan struktur jala semi-transparan Cu₂ Elektroda penghitung S diapit di antara dua TiO₂ fotoelektroda. Di bawah satu penyinaran matahari dari elektroda atas, sel yang dioptimalkan menunjukkan peningkatan PCE 12% [22]. Dalam pekerjaan mereka, struktur tandem digunakan di QDSSC untuk pertama kalinya. Namun, efisiensi pemanfaatan cahaya dari struktur tandem baterai terbatas. Xu dkk. mendemonstrasikan pengurangan polisulfida yang ditingkatkan cahaya NIR pada antarmuka elektroda-elektrolit dengan menerangi elektroda lawan CuS dengan cahaya NIR, menunjukkan peningkatan 15% pada PCE, yang dikaitkan dengan efek fototermal dan penyerapan resonansi plasmonik [23].

Berkat upaya besar dalam beberapa dekade terakhir, PCE QDSSC diizinkan untuk dibandingkan dengan perangkat paralel, sel surya peka-pewarna. Namun, efisiensi QDSSC masih jauh di belakang nilai teoritisnya, dan masih harus dipecahkan untuk aplikasi komersial. Oleh karena itu, mengeksplorasi strategi baru untuk meningkatkan PCE QDSSC masih merupakan tugas yang mendesak. Di sini, kami mengintegrasikan konsep fotovoltaik pemusatan ke dalam QDSSC dengan TiO berpori ganda₂ fotoanoda dan Cu₂ Desain elektroda counter mesh S [24], mencapai peningkatan PCE 260% dibandingkan dengan perangkat fotoanoda tunggal tradisional. Dengan sensitizer QD CdS/CdSe yang paling banyak digunakan, PCE juara sebesar 8,28% (V _ok =0,629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻² ) tercapai.

Manajemen cahaya sebagai teknologi penting untuk meningkatkan efisiensi konversi pada sel surya bertujuan untuk meningkatkan fluks foton yang diterima oleh sel surya [25]. Struktur perangkap cahaya adalah metode yang umum digunakan untuk manajemen cahaya, termasuk cermin [26, 27], permukaan Lambertian [28], dan permukaan bertekstur [29, 30]. Dengan efek perangkap cahaya, panjang jalur optik meningkat, sehingga meningkatkan PCE sel surya. Salah satu struktur dasar penangkap cahaya adalah menyiapkan cermin pada permukaan belakang sel surya, dan reflektifitas cermin dapat mencapai 95% [31]. Terinspirasi oleh diskusi di atas, Gambar 1 mengilustrasikan arsitektur perangkat yang digunakan dalam karya ini. TiO ganda₂ desain photoanode diadopsi, yang dipisahkan oleh Cu₂ S mesh sebagai elektroda lawan. Ketebalan TiO₂ photoanode sekitar 4,5 μm, yang dapat dilihat pada Gambar. S1. Sel atas dan sel bawah menggunakan bahan dan struktur yang sama, sehingga tidak perlu mempertimbangkan konstanta kisi dan koefisien muai bahan semikonduktor yang berbeda dalam dua fotoanoda. Cu₂ S yang ditumbuhkan pada Cu mesh sebagai elektroda lawan memungkinkan cahaya yang ditransmisikan dari sel atas tiba di fotoanoda bawah. Bahan celah pita lebar di bagian atas menyaring foton energi tinggi, dan foton energi rendah melewatinya dan kemudian diserap oleh bahan celah pita sempit di sel bawah. Rupanya, PCE struktur fotoanoda ganda lebih tinggi daripada struktur fotoanoda tunggal karena struktur fotoanoda ganda dapat menangkap lebih banyak cahaya dan dengan demikian meningkatkan kerapatan arus. Namun, penerangan hanya dari arah atas menginduksi hanya peningkatan 18% pada PCE dibandingkan dengan perangkat fotoanoda tunggal seperti yang ditunjukkan kemudian, yang disebabkan oleh penyerapan dan pantulan sinar matahari yang kuat oleh sel atas, meninggalkan kepadatan cahaya yang tidak memadai untuk sel bawah. [22].

Diagram skema desain sel dalam karya ini

Mempertimbangkan bahwa cahaya yang ditangkap dari sel bawah terbatas, kami memperkenalkan konsep pemusatan sel fotovoltaik (CPV) ke dalam perangkat saat ini [32, 33] dan mengatur reflektor parabola di bawah fotoanoda bawah. Sistem CPV menggunakan elemen optik untuk memfokuskan cahaya pada area kecil sel surya, yang meningkatkan efisiensi teknologi fotovoltaik sekaligus meminimalkan biaya. Pengurangan luas sel dapat membuat biaya CPV bersaing dengan fotovoltaik panel datar. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1, reflektor parabola membuat cahaya terfokus pada fotoanoda bawah. Dengan mengontrol jarak antara reflektor dan fotoanoda bawah, area aktif dapat disesuaikan agar sesuai dengan area sel. Selain itu, cahaya yang diperbesar dapat mentransmisikan dan mencapai fotoanoda atas, memberikan energi eksitasi tambahan untuk pemanenan cahaya. Tentu saja, efek fototermal yang disebabkan oleh CPV harus berdampak pada kinerja PV [34], yang akan dibahas secara rinci nanti.

Metode

Materi

Titanium dioksida (99,8%, 10–25 nm, TiO₂ ) dan natrium sulfit (AR, Na₂ JADI₃ ) dipasok dari Aladdin. Kaca konduktor timah oksida yang didoping fluor (FTO, ketebalan 1,6 mm, transmitansi 83%, resistansi lembaran 15/persegi) dibeli dari Zhuhai Kaivo Optoelectronic Technology Co., Ltd. (Cina). Metanol (AR, CH₃ OH), etanol (AR, CH₃ CH₂ OH), dan aseton (AR, CH₃ OCH₃ ) dipasok oleh Beijing Chemical Works (Cina). Etilendiamina (AR, C₂ H₈ N₄ ) dan selenium (AR, Se) dibeli dari Tianjin Guangfu Fine Chemical Research Institute (Cina). Asam klorida (36%, HCl), etos etil selulosa (AR, [C₆ H₇ O₂ (OC₂ H₅ )₃ ]_n ), alfa-terpineol (AR, C₁₀ H₈ O), kadmium asetat (AR, Cd(CH₃ COOH)₂ ), seng asetat (AR, Zn(CH₃ COOH)₂ ), natrium sulfida (AR, Na₂ S∙9H₂ O), belerang (AR, S), dan tiourea (AR, CH₄ N₂ S) dipasok oleh Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Cina). Asam nitrat trisodium (98%, C₆ H₉ NNa₃ O₆ ) dibeli dari TCI (Shanghai) Chemical Industry Development Co., Ltd. (Cina). Jala kuningan dipasok oleh Hebei Xingheng Wire Mesh Products Co., Ltd. (China).

Persiapan Cu₂ Elektroda Penghitung S

Jaring kuningan direndam dalam HCl (36%) selama 2 jam pada suhu 70 °C untuk menghilangkan seng pada permukaan mesh Cu. Jaring tembaga dibilas dengan air deionisasi dan dikeringkan pada suhu kamar setelah menghilangkan jaring tembaga dari larutan. Kemudian mesh Cu dicelupkan ke dalam larutan encer yang mengandung 1 M Na₂ S dan 1 M S selama 5 detik untuk mendapatkan serpihan Cu₂ S, diikuti dengan pencucian dengan air deionisasi dan pengeringan pada suhu kamar. Untuk menyiapkan butiran Cu₂ S, mesh Cu yang diberi perlakuan HCl (36%) direndam dalam larutan campuran CH₄ N₂ S (0,01 M) dan C₂ H₈ N₄ (0,4 ml) selama 24 jam, diikuti dengan pencucian dengan air deionisasi dan pengeringan pada suhu kamar.

Persiapan CdS/CdSe QDs Co-sensitized TiO₂ Fotoanoda

TiO₂ film mesopori dibuat dengan spin-coating pasta yang mengandung TiO₂ (0,01 M), EC (0,4 g), C₁₀ H₈ O (3,245 g), dan CH₃ CH₂ OH (8.5 ml) pada substrat FTO yang telah dibersihkan, yang dikeringkan dalam oven pada suhu 60 °C dan dilanjutkan dengan annealing pada suhu 450 °C selama 30 min untuk menghilangkan pelarut organik. Kecepatan putaran spin coater adalah 7500 rpm selama 30 s. Proses adsorpsi dan reaksi lapisan ionik (SILAR) berturut-turut digunakan untuk menyimpan QD CdS. Biasanya, TiO₂ film dicelupkan secara bergantian ke dalam larutan metanol Cd(CH₃ COOH)₂ (0,12 M) dan Na₂ Larutan S (0,02 M dengan metanol dan air deionisasi 1:1 v/v) selama 30 S dalam setiap siklus untuk total 5 siklus. CdSe QD dilapisi dengan metode chemical bath deposition (CBD). Secara rinci, solusi yang mengandung Cd²⁺ dan Se²⁻ sumber disiapkan dengan metode berikut. 1.55 g Na₂ JADI₃ dilarutkan dalam 25 ml air deionisasi. 0,155 g Se bubuk sebagai Se²⁻ sumber ditambahkan ke dalam solusi di atas. Solusi yang diperoleh dipanaskan dengan penangas minyak pada 125 °C selama 3 h dalam kondisi pengadukan. CD²⁺ larutan dibuat dengan mencampurkan 25 ml larutan air deionisasi asam nitrilotriasetat (120 mM) dan 25 ml Cd(CH₃ COO)₂ larutan air deionisasi (80 mM). Kemudian, Se²⁻ . yang sudah disiapkan solusi dan Cd²⁺ larutan dicampur menjadi satu. Fotoanoda berlapis CdS yang telah disiapkan dimasukkan ke dalam larutan campuran di atas pada 24 ° C selama 2 jam dalam gelap. Untuk pasivasi ZnS, film tersensitisasi diendapkan dengan mencelupkan ke dalam 0,1 M Zn(CH₃ COO)₂ dan 0,1 M Na₂ Larutan S (dengan metanol dan air 1:1 v/v) selama 1 menit secara bergantian dan 4 siklus. Luas aktif sel surya adalah 0,25 cm² . Elektrolit polisulfida (2 M Na₂ Larutan S dan 2 M S dengan metanol dan air deionisasi 7:3 v/v) ditransfusikan ke dalam sel melalui injektor.

Pengukuran Elektrokimia

Analisis elektrokimia dipenuhi oleh stasiun kerja elektrokimia DyneChem, dan platinum dan Ag/AgCl digunakan sebagai elektroda lawan dan elektroda referensi, masing-masing. Voltammogram siklik dan kurva polarisasi tafel diuji dalam elektrolit polisulfida 2 M. Plot Nyquist QDSSC berada di bawah penerangan satu intensitas matahari penuh. Tegangan yang digunakan selama pengukuran EIS adalah 0,5 V.

Karakterisasi

Morfologi permukaan dianalisis dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM) (JEOL7610), karakterisasi sampel diukur dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Kratos Axis UltraDLD), dan J –V kurva QDSSC diukur dengan meteran sumber Keithley 2400 (Zolix Instruments Co., Ltd.). Gambar suhu IR diperoleh dengan FLIR T460.

Hasil dan Diskusi

Ada banyak material berstruktur nano yang dapat digunakan sebagai elektroda lawan untuk QDSSC, termasuk Cu₂ S, CoS, GeC [35], dan NCW [36]. Namun, Cu₂ Elektroda penghitung S berbasis kasa kuningan menunjukkan aktivitas katalitik yang ideal terhadap Sn²⁻ /S²⁻ pasangan redoks. Untuk menyiapkan Cu₂ S counter elektroda, dua metode yang berbeda digunakan. Salah satunya adalah menghilangkan Zn dari permukaan kasa kuningan dengan asam klorida diikuti dengan merendam mesh dalam larutan campuran yang mengandung CH₄ N₂ S dan C₂ H₈ N₄ selama 24 jam [37]. Gambar SEM dari Cu₂ . yang dihasilkan Jaring tertutup S ditunjukkan pada Gambar 2a-c. Gambar SEM yang diperbesar menunjukkan struktur granular Cu₂ S terbentuk. Tampilan penampang pada Gambar 2d menunjukkan adanya Cu₂ S film pada kawat kuningan, retak di antara mereka berasal dari pemotongan selama persiapan sampel penampang, dan ketebalan sekitar 1,3 μ3oss-bagian sampel pada Gambar. 2e mengungkapkan bahwa satu-satunya elemen yang ada adalah Cu dan S , dan rasio atom Cu terhadap S kira-kira 2. Spektrum XPS dari Cu dan S masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2f dan h. Puncak Cu 2p pada 952 eV dan 932,5ev sesuai dengan energi ikat elektron masing-masing Cu 2p1/2 dan Cu 2p3/2, yang konsisten dengan Cu¹⁺ [38]. Puncak yang diamati pada S 2p pada 163,5 eV dan 161 eV masing-masing sesuai dengan S 2p1/2 dan S 2p3/2, yang konsisten dengan S²⁻ [39]. Hasil ini mengkonfirmasi keberhasilan persiapan Cu₂ S film pada mesh kuningan, dan morfologi permukaan seharusnya memastikan luas permukaan yang besar dan aktivitas katalitik yang memadai.

Gambar SEM dari struktur mesh Cu₂ Elektroda penghitung S:a Pandangan atas; b , c tampilan morfologi permukaan yang diperbesar; d tampilan penampang dan tampilan Cu₂ . yang diperbesar lapisan S. e EDS dari Cu₂ S. f , g Spektrum survei XPS dari Cu₂ S sampel

Metode lain telah banyak digunakan dalam laporan sebelumnya, di mana mesh kuningan pertama ditempatkan dalam asam klorida, kemudian dicelupkan ke dalam elektrolit polisulfida (1 M Na₂ S dan 1 M S) untuk waktu yang sesuai [40]. Hasil yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. S2. Gambar SEM yang diperbesar menunjukkan struktur serpihan Cu₂ S terbentuk. Tampilan penampang menunjukkan adanya Cu₂ S film pada kawat kuningan, dan ketebalannya juga sekitar 1,3 μ.3sSpektrum Cu XPS menunjukkan puncak pada 933.1 eV dan 952.5 eV, masing-masing sesuai dengan Cu 2p3/2 dan 2p1/2 [41]. Spektrum S 2p menunjukkan puncak pada 162,4 eV, yang menegaskan keberadaan S²⁻ [42]. Efek Cu₂ Morfologi S pada kinerja sel diselidiki lebih lanjut.

Untuk mengkarakterisasi kinerja sel dengan arsitektur dan CE yang berbeda, kerapatan-tegangan arus foto (J –V ) kurva diperoleh dan ditunjukkan pada Gambar. 3a-d. Perangkat fotoanoda tunggal dan perangkat fotoanoda ganda keduanya dibuat untuk perbandingan dengan butiran dan serpihan Cu₂ S sebagai CE, masing-masing. Ada tiga cara untuk menerangi sel:arah atas, bawah, dan ganda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e, dan perilaku sel yang bekerja di bawah kondisi iluminasi yang berbeda diselidiki secara rinci, dan parameter sel yang sesuai diringkas dalam Tabel 1 termasuk bukaan -tegangan sirkuit (V _ok ), arus hubung singkat (J _sc ), faktor pengisian (FF), dan PCE, di mana nilai yang tidak berada dalam kurung adalah rata-rata eksperimental dari dua puluh sel kelompok dan yang berada dalam kurung adalah nilai juara. Konfigurasi pengujian untuk perangkat fotoanoda tunggal dengan butiran dan serpihan Cu₂ S sebagai CE ditunjukkan pada Gambar. S3, dan J –V kurva ditunjukkan pada Gambar. 3a dan b. PCE penyinaran dari arah atas, bawah, dan ganda berturut-turut adalah 2,32%, 2,00%, dan 3,59%, sedangkan V _ok dipertahankan sekitar 0,6 V, dan peningkatan utama PCE disebabkan oleh peningkatan J _sc . Karena ini adalah perangkat fotoanoda tunggal, peningkatan J _sc seharusnya karena intensitas cahaya yang ditambah dari iradiasi bawah, yang menghasilkan peningkatan elektron yang dihasilkan foto dalam fotoanoda. Perlu diperhatikan bahwa PCE iradiasi bawah lebih rendah dari iradiasi atas bahkan jika cahaya terkonsentrasi lebih tinggi intensitasnya daripada cahaya paralel dari atas, yang bisa mendapatkan penjelasan dari Gambar. S3. Saat memusatkan cahaya pada QDSSC fotoanoda tunggal, cahaya harus melewati kaca FTO, kemudian melalui Cu₂ S mesh CE dan elektrolit untuk mencapai fotoanoda atas, menginduksi hilangnya fotoenergi sampai batas tertentu. Dari hasil kami, intensitas fotoenergi yang tiba di fotoanoda atas akan lebih lemah daripada penyinaran cahaya paralel dari atas. Oleh karena itu, PCE struktur sel fotoanoda tunggal 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 ke fotoanoda bawah saat elektroda kerja mencapai PCE 4,32% dan arus hubung singkat 21,6 mA cm⁻² , hampir dua kali arus hubung singkat yang dihasilkan oleh cahaya paralel yang menyinari fotoanoda, yang berarti bahwa fluks foton setelah kondensasi adalah dua kali lipat dari cahaya paralel dari atas. Dari perubahan fluks foton, kita dapat menghitung koefisien kondensasi adalah 2, yang konsisten dengan hasil pengukuran kita. Seperti dapat dilihat dari Tabel 1, rata-rata PCE dari struktur sel fotoanoda ganda dengan butiran Cu₂ S CE adalah 5,51% dalam kondisi pemusatan cahaya dari sisi bawah, dan peningkatan PCE disebabkan oleh kontribusi fotoelektroda atas, yang menunjukkan bahwa fotoanoda atas menangkap lebih banyak foton dalam kondisi pemekatan.

Juara J –V kurva QDSSCs dengan struktur yang berbeda. a Fotoanoda tunggal dan Cu granular₂ S CE. b Fotoanoda tunggal dan serpihan Cu₂ S CE. c Fotoanoda ganda dan Cu granular₂ S CE. d Fotoanoda ganda dan serpihan Cu₂ S CE. e CV dan g kurva polarisasi tafel dari dua Cu₂ S CE, masing-masing. f Stabilitas elektrokimia berbagai CE dipelajari oleh CV. h Plot Nyquist QDSSC dengan CE berbeda dan struktur berbeda di bawah penerangan satu intensitas matahari penuh. saya Bagian bingkai bertitik hitam yang diperbesar di h

Foto inframerah dari kondisi pencahayaan yang berbeda:a tanpa cahaya, b cahaya paralel di sisi atas, c cahaya terkonsentrasi dari reflektor parabola, d cahaya dari kedua sisi bersinar secara bersamaan, dan e diagram simulasi kondisi pencahayaan yang berbeda

Untuk perangkat fotoanoda ganda dengan butiran Cu₂ S sebagai CE, PCE penyinaran dari atas, bawah, dan arah 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 fotoanoda tunggal tradisional yang disinari dari atas (2,32%), PCE meningkat sebesar 260%. Peningkatan PCE jelas karena peningkatan J _sc , menunjukkan fotoanoda ganda bekerja dalam konfigurasi paralel. Intensitas cahaya terukur dari cahaya terkonsentrasi dari bawah kira-kira dua kali lipat dari cahaya paralel atas. Di bawah kondisi iradiasi cahaya terkonsentrasi, PCE QDSSC harus lebih tinggi daripada cahaya paralel atas. Hal ini sesuai dengan hasil saat ini bahwa PCE dari penyinaran bawah lebih dari 2 kali lipat dibandingkan dengan penyinaran atas.

Perlu diperhatikan bahwa perilaku sel berdasarkan serpihan Cu₂ S CE serupa tetapi menunjukkan nilai peluruhan keseluruhan dalam parameter fotovoltaik. Untuk mengeksplorasi asal mula yang terperinci, kurva voltamogram siklik (CV) dan kurva polarisasi tafel dari dua anak Cu₂ S CE diukur menggunakan sistem tiga elektroda. Gambar 3e adalah kurva CV, dan butiran Cu₂ S menunjukkan kerapatan arus yang lebih tinggi. Puncak reduksi butiran Cu₂ S lebih tinggi dari serpihan Cu₂ S, menunjukkan laju reaksi redoks yang lebih cepat dari S²⁻ /S_n ²⁻ dalam elektrolit. Gambar 3f menunjukkan kurva CV dari Cu₂ S elektroda dengan morfologi yang berbeda dari 1 sampai 25 siklus. Tidak ada variasi nyata yang dapat ditemukan untuk bentuk kurva CV dan posisi puncak. Kurva CV tumpang tindih dengan baik di bawah pemindaian terus menerus, menunjukkan bahwa kedua morfologi elektroda keduanya memiliki stabilitas kimia yang baik. Dapat dilihat dari Gambar 3g bahwa rapat arus pertukaran (J ₀ ) butiran Cu₂ S lebih besar dari serpihan Cu₂ S. Berdasarkan hasil pengujian kurva polarisasi CV dan tafel menunjukkan bahwa aktivitas katalitik Cu₂ S lebih baik daripada Cu₂ film S. Ini konsisten dengan kinerja fotovoltaik J –V kurva pada Gambar. 3a-d. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut aktivitas katalitik dari elektroda lawan, spektrum EIS dipelajari dan ditunjukkan pada Gambar. 3h. Garis solid ungu mewakili kurva pas, dan data pas diringkas dalam Tabel 2. R _ct1 , R _ct2 , dan R _s masing-masing mewakili resistansi transfer muatan pada elektroda lawan, resistansi transfer muatan pada antarmuka fotoanoda/elektrolit, dan resistansi seri. Dapat dilihat bahwa struktur sel fotoanoda tunggal dan resistansi transfer muatan R _ct1 untuk butiran Cu₂ S dan serpihan Cu₂ S adalah 3,522 dan 6,753 cm² , masing-masing, dan sel fotoanoda ganda adalah 5,990 dan 8,088 cm² , masing-masing. R . yang lebih kecil _ct1 butiran Cu₂ S menunjukkan konduktivitas yang lebih baik karena resistansi transfer muatannya yang lebih kecil.

Fluks foton di dalam penyerap sesuai dengan hukum Lambert–Beer:

$$ b\left(E,x\right)=\left[1-R(E)\right] bs(E)\exp \left[-{\int}_0^x\alpha \left(E,x \hbox{'}\right) dx\hbox{'}\right] $$ (1)

dimana b (E , x ) adalah fluks foton yang diterima oleh QD pada posisi x , bs (E ) adalah fluks foton yang diterima dalam arah vertikal terhadap penyinaran matahari, R (E ) adalah reflektifitas antarmuka, dan α (E , x ) adalah koefisien absorpsi pada posisi x . CPV mengumpulkan cahaya insiden di area yang luas dan memfokuskannya pada area kecil sel surya untuk konversi fotovoltaik. Faktor konsentrasi X merupakan parameter penting untuk menggambarkan kinerja sel surya pemekatan, yaitu waktu peningkatan kerapatan fluks foton b (E ) dan juga didekati sebagai rasio area cahaya datang yang dikumpulkan dengan area sel surya. Dapat dianggap bahwa cahaya fokus seragam dalam setengah sudut konsentrasi (θ _X ), dan peningkatan waktu fluks foton matahari b _s (E ,x ) sama dengan faktor konsentrasi X . Oleh karena itu, untuk CPV, Persamaan. (1) dapat dinyatakan sebagai:

$$ b\left(E,x\right)=\left[1-R(E)\right]\cdot X\cdot bs(E)\exp \left[-{\int}_0^x\alpha \ kiri(E,x\hbox{'}\kanan) dx\hbox{'}\kanan] $$ (2)

Arus foto (J _ph ) yang dihasilkan oleh sel surya dalam kondisi cahaya, ditentukan oleh fluks foton dan kinerja sel surya, J _ph sama dengan J _sc , dan dapat dinyatakan sebagai:

$$ J\mathrm{ph}=J\mathrm{sc}=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{QE}(E) bs\left(E, Ts\right) dE $$ (3 )

dimana Q adalah muatan dasar. efisiensi kuantum (QE) adalah fungsi dari energi foton. Kami berasumsi bahwa fluks foton kolektor bs ₂ adalah Y kali lipat dari fluks foton teratas bs ₁ , dan J _sc dari sel fotoanoda ganda di bawah iradiasi dari sisi bawah dapat dinyatakan sebagai:

$$ J\mathrm{sc}(Ybs)=q{\int}_0^{\infty}\mathrm{Q}E(E)\cdot Y\cdot bs\left(E, Ts\right) dE\perkiraan {YJ}_{\mathrm{sc}} $$ (4)

Oleh karena itu, jumlah J _sc1 nilai di bawah kondisi penyinaran cahaya paralel dari sisi atas dan J _sc2 nilai di bawah kondisi penyinaran cahaya terkonsentrasi dari sisi bawah harus sama dengan J _{sc1, 2} dihasilkan oleh penyinaran cahaya pada kedua sisi PV. Persamaan (4) pada dasarnya konsisten dengan J –V hasil pada Tabel 1, namun dengan beberapa penyimpangan. Seperti yang bisa dilihat dari J _sc data, jumlah J _sc1 menerangi dari atas dan J _sc2 menerangi dari bawah sedikit lebih kecil dari J _{sc1, 2} menerangi dari kedua sisi untuk perangkat fotoanoda ganda. Penyimpangan harus dihasilkan dari efek fototermal karena variasi suhu QDSSC di bawah kondisi pencahayaan yang berbeda.

Telah diketahui dengan baik bahwa cahaya terfokus pada perangkat optoelektrik akan menginduksi akumulasi termal dan peningkatan suhu. Dalam karya ini, fluks foton dari cahaya terkonsentrasi dari reflektor parabola yang diukur oleh pengukur intensitas cahaya kira-kira dua kali lipat dari simulator sinar matahari normal; itu berarti bahwa koefisien konsentrasi adalah 2, yang jauh lebih kecil daripada perangkat CPV praktis. Namun, masih perlu untuk menyelidiki efek akumulasi termal pada sel. Kami menggunakan kamera inframerah (IR) untuk memantau variasi suhu di bawah kondisi pengujian yang berbeda. Panjang fokus reflektor parabola yang digunakan adalah 6,5 cm. Kami menempatkan perangkat fotovoltaik 0,5 cm di bawah titik fokus reflektor parabola untuk memastikan pencahayaan penuh dari area aktif, yaitu sekitar 1,5 cm² . Gambar suhu IR untuk perangkat fotoanoda ganda ditunjukkan pada Gambar. 4b-d, dan kondisi iradiasi yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 4e. Dibandingkan dengan perangkat non-iradiasi, kenaikan suhu masing-masing adalah 9,3 °C, 20,6 °C, dan 32,6 °C. Iradiasi sisi ganda menunjukkan peningkatan suhu yang lebih tinggi daripada jumlah penyinaran terpisah dari atas dan bawah, yang menunjukkan mekanisme tambahan dari bahan atau antarmuka yang terlibat di sini. Reaksi S²⁻ /S_n ²⁻ dalam elektrolit dan antarmuka tidak serupa di bawah suhu yang berbeda. Menurut rumus Arrhenius, laju reaksi kimia dalam PV meningkat dengan meningkatnya suhu. Dengan peningkatan suhu, reaksi redoks di dekat elektroda QDSSC ditingkatkan, yang mempercepat penipisan lubang fotogenik di fotoanoda, sehingga sangat mengurangi reaksi redoks yang dirangsang energi.

Kesimpulan

Singkatnya, kami merancang arsitektur sel surya baru dengan mengintegrasikan konsep CPV ke dalam QDSSC dengan desain fotoanoda ganda. Untuk memastikan pemanenan cahaya yang lebih baik, Cu₂ S mesh digunakan sebagai elektroda lawan dan diapit di antara dua fotoanoda, dan efek Cu₂ Morfologi S pada kinerja sel diselidiki dan dioptimalkan. Telah ditunjukkan bahwa desain khusus mencapai peningkatan 260% pada PCE dibandingkan dengan fotoanoda tunggal yang disinari dari sisi atas. Sementara rangkaian tegangan terbuka tidak berubah, desain fotoanoda ganda sangat meningkatkan kerapatan arus dan dengan demikian meningkatkan PCE. Selain itu, efek fototermal yang diinduksi oleh CPV dapat membantu meningkatkan PCE, dan PCE juara sebesar 8,28% (V _ok =0,629 V, J _sc =32.247 mA cm⁻² ) tercapai. Harus disebutkan bahwa saat ini memang menyediakan cara baru untuk meningkatkan PCE QDSSC, tetapi desain perangkat khusus untuk bagian CPV dapat lebih dioptimalkan, dan kinerja sel akan lebih ditingkatkan. Kami percaya bahwa dengan sensitizer QD dan teknik desain perangkat yang lebih baik, ide yang disarankan dalam penelitian ini akan mendorong kemajuan besar dalam QDSSC dan dapat diperluas ke sel surya lainnya.