NiO光電陰極に及ぼすポリエチレングリコールの影響

背景

太陽エネルギーは、その清浄度、高出力、迅速な処理、および幅広い利用可能性により、将来の主要なエネルギー源としての可能性を示しています[1、2]。過去30年間の太陽電池の開発以来、増感太陽電池は太陽エネルギーを利用するための効率的なデバイスになりました。ただし、これらの研究は、増感されたn型光アノード（例：TiO ₂ ）に基づくn型太陽電池に焦点を当てています。 、ZnO、およびSnO ₂ [2、3、4、5、6]。短絡電流密度が15mA cm ^-2 を超えていた 、光電変換効率は約13％でした[5]。彼等。は、p–n型タンデム色素増感太陽電池（DSSC）の使用を報告しています[7]。これにより、より高い開回路電圧（OCV）と光電変換効率が得られる可能性があります。中佐ほかは、メロシアニンNK-2684で増感されたNiOとTiO ₂ の組み合わせによる0.918VのOCVを報告しています。 フォトアノード[8]。ナテスタド他は、ドナー-アクセプター色素の最適化によるNiO光電陰極の電荷再結合の減少を報告し、400〜500 nmのスペクトル範囲で90％を超える吸収光子から電子への変換効率を達成しました[9]。 1079mVの開回路電圧。この値は、p–n型タンデムDSSCについてこれまでに報告された最高値です。

n型フォトアノードに匹敵するより高い光電流を得るための1つの方法は、新しいp型カソードを準備することです[10、11]。別の方法は、大量の色素分子を吸着するのに好ましい厚いメソポーラス光電陰極を調製することです。 NiO膜の厚さを改善するためにいくつかの試みがなされてきた。ただし、生成される光電流密度は、n型DSSCで観察される密度よりも桁違いに小さく、厚膜は機械的安定性が低いことがよくあります。ウーら水熱法でNiO膜を作製し、膜厚と比表面積を最適化することで特性を向上させた[12]。 Qu etal。しわの寄った多孔質NiOナノシートから層状NiO膜を作製し、光電流と光起電力が大幅に改善されたと報告しています[13]。張ら。結晶性の高いNiOを適用することで光起電力を改善しました[14]。 Powar etal。 7.0 mA cm ^-2 の高い光電流が得られました 光電陰極の活物質としてナノ構造のNiOマイクロボールを使用する[15]。すみくららNiCl ₂ の加水分解によりナノポーラスNiO膜を作製しました 一連のポリエチレンオキシド-ポリプロピレンオキシド-ポリエチレンオキシド（PEO-PPO-PEO）トリブロックコポリマーをテンプレートとして使用した水/エタノール混合溶液[16]。彼らは、PEO–PPO–PEOテンプレートの効果を詳細に調査しました。 Li etal。すみくららの製法を採用しています。そして、2段階のドクターブレード法によって厚いNiO膜を調製しました[17]。彼らは、64％の記録的な入射光子-電流効率（IPCE）と短絡電流（ J ）を取得しました。 _SC ）5.48 mA cm ⁻² 。ただし、p型NiO電極の光電変換効率は、さまざまな色素を使用して0.02〜0.3％に維持されます。この実験では、NiOの前駆体溶液は、F108（ポリエチレンオキシド-ポリプロピレンオキシド-ポリエチレンオキシド（PEO-PPO-PEO）トリブロックコポリマー、MW：約14,600）をテンプレートとして使用して、スミクラらの方法に従って調製しました。ポリエチレングリコール（PEG; MW：約20,000）を前駆体溶液に添加し、NiO膜への影響を詳細に調査しました。最後に、p–n型量子ドット（QD）増感タンデム太陽電池も組み立てられました。

実験的

NiOの前駆体溶液は、以前に報告された方法[17]に従って調製されました。まず、無水NiCl ₂ （1 g）とF108（1 g）を脱イオン水（3 g）とエタノール（6 g）の混合物に溶解しました。次に、ソリューションを3日間休止しました。第三に、特定の含有量のポリエチレングリコール（分子量20,000）をNiO前駆体溶液に添加しました。次に、混合物を4時間撹拌し、8000ラジアン/分で遠心分離しました。 PEGの含有量は、0.03、0.075、0.15、0.3gに制御されました。上記の溶液を、ドクターブレード法によりフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス基板上に堆積させ、室温で乾燥させた。フィルムは、空気中、400°Cで30分間焼結されました。 CdSeS QDは、私たちのグループによって報告された以前の実験[18]に従って、ホットインジェクション合成によって準備されました。調製したNiO膜は、混合アセトニトリル/トルエン（1：2.5 v ）を使用した電気泳動法により、CdSeSQDによって増感されました。 / v ）特定の時間に50VのDCを印加することによる解決策。 TiO ₂ フィルムは、従来の連続イオン層吸着および反応（SILAR）法を使用してCdS / CdSeと共増感されました[19]。 QD増感TiO ₂ CuSの代わりにフィルムをアノードとして使用して、p–n型QD増感太陽電池を組み立てました。

NiO膜の形態は、JSM-7001F電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）を使用して調べました。光電流密度-電圧（ J – V ）特性は、Keithley2440ソースメーターを使用してAM1.5G照明下で、強度1SunのNewportOrielソーラーシミュレーターから測定されました。

結果と考察

NiO膜はドクターブレード法で作製した。 PEGを含まないNiO前駆体溶液の場合、ブレード時間が4倍を超えると、フィルムが剥がれます。図1a、c、eは、4回ブレードされたNiO膜の表面と交差形態を示しています。いくつかのマイクロラビンを示したNiO膜は、FTO基板から丸まっていた。図1b、d、fは、PEGを使用して作成されたNiO膜の表面と断面を示しています。フィルムは7回ブレードされました。 NiO膜にクラックはほとんど見られなかった。粒子サイズは、PEGなしで調製されたNiOフィルムの粒子サイズよりも小さかった。さらに、PEGの有無にかかわらず調製されたこれら2つのNiOフィルムの断面に明らかな変化が観察されました。 PEGを含まないNiO前駆体溶液を使用して調製されたNiOフィルムは、明らかにナノシートで構成されていました。実際、これらのナノシートはカールしたNiO膜として現れるはずであり、FTO基板から剥がれる可能性があります。しかしながら、PEGを含むNiO前駆体溶液を使用して調製されたNiOフィルムは、いくつかの層を含み、各NiOフィルム層は他の層に結合されていた。厚さ約2.6μmの異なる層間に明らかな亀裂はありませんでした。 PEGはNiO膜の形成過程で2つの効果があるかもしれません。 1つは、PEGがこれらのNiO粒子間の接合を改善し、NiOゲルがFTO基板上にブレードされた後の乾燥プロセスでの亀裂の出現を減少させる可能性があることでした。一方、PEGは構造指向剤として使用できます。 PEGを添加すると、NiOフィルムの比表面積と細孔容積を改善できます。

NiOフィルムのSEM顕微鏡写真： a 、 c 、および e ポリエチレングリコールを含まない前駆体溶液から製造された。 b 、 d 、および f ポリエチレングリコールを用いた前駆体溶液から製造された

2層で調製されたNiO膜は、電気泳動堆積によってCdSeS量子ドットで増感されました。光電流-電圧（ J – V ）曲線は、光源としてNewport Orielソーラーシミュレーターを使用して、1太陽の強度で記録されました。図2は、 J–V を示しています。 このようにして得られた曲線。図2からわかるように、0〜0.15 gのPEGを追加すると、変換効率が0.08〜0.32％に大幅に向上しました。 OCV、 J _SC 、および最高のNiO光電陰極の曲線因子（FF）は、0.158 V、4.40 mA cm ^-2 でした。 、および0.46、それぞれ。 PEG含有量が0.15gから0.3gに変化すると、プロパティは急激に低下します。したがって、NiO前駆体溶液中のPEGの濃度は、NiOカソードの特性に大きく影響しました。

前駆体溶液中のPEG含有量が異なるNiO光電陰極の電流密度-電圧特性曲線

NiO膜厚の影響も調べた。この実験では、PEGの含有量を0.15gに固定しました。図3に光電特性の曲線を示します。膜厚が0.6から2.1μmに増加すると、OCVと J _SC 増加しました。これらの要因は両方とも、膜厚がさらに増加するにつれて減衰する傾向がありました。 FFは膜厚の増加に伴ってほとんど変化しませんでした。これらの弱い変化は、光電流密度の増加に関連している可能性があります。その結果、NiO膜の初期増粘に伴い、光電変換効率が向上しました。低い正孔輸送速度と短い正孔寿命に関連して、1.5μmを超える膜厚で弱い変化が観察されました[20]。

NiO光電陰極の光起電力特性に及ぼす膜厚の影響

準備されたNiOカソードは、TiO ₂ と一緒に組み立てられました。 QD増感p–n型タンデム太陽電池を準備するためのアノード。図4は、 J–V を示しています。 NiOカソードとTiO ₂ の曲線 アノード、およびタンデムTiO ₂ （下）/ NiO（上）およびTiO ₂ （上）/ NiO（下）太陽電池。 TiO ₂ を備えたp–n型タンデム太陽電池 （下）/ NiO（上）構成は、分離されたNiOカソードまたはTiO ₂ と比較して、大幅に強化されたOCVを示しました。 アノード。光電変換効率は0.43％、OCVは0.594 V、 J _SC 2.0 mA cm ⁻² 、および FF 0.36の。これは、QD増感p–n型タンデム太陽電池に関する最初の研究です。ただし、 J _SC タンデム太陽電池の数は、NiOカソードおよびTiO ₂ のそれよりも大幅に少なかった。 アノード。また、光電変換効率は、NiOカソードおよびTiO ₂ よりも低かった。 アノード。将来的には、QD増感p–n型タンデム太陽電池の高性能を強化するために、さらに多くの研究を実施する必要があります。

p–n型量子ドット増感p–n型タンデム太陽電池の電流密度-電圧特性曲線

結論

ポリエチレングリコール（PEG）を使用してNiO膜を作成しました。 PEGの添加により、NiO膜の亀裂が大幅に減少しました。均一な厚さ2.6μmのナノポーラスNiO膜を作製した。最適化された光電変換効率は0.80％でした。最適化された量子ドット増感NiO膜は、最初にTiO ₂ で組み立てられました。 準備されたQD増感p–n型タンデム太陽電池のアノード。開回路電圧（OCV）は、分離されたNiOカソードまたはTiO ₂ によって示される電圧よりも大きかった。 アノード。 TiO ₂ （下）/ NiO（上）タンデム太陽電池は、総光電変換率0.43％、OCV、短絡電流密度、曲線因子0.594 V、2.0 mA cm ^-2 を実現しました。 、および0.36、それぞれ。