ZnS/SiO2协同包覆光阳极制备高效率Zn-Cu-In-Se量子点敏化太阳能电池

李健豪 宋含 张争艳 潘振晓 钟新华

引用本文: 李健豪, 宋含, 张争艳, 潘振晓, 钟新华. ZnS/SiO2协同包覆光阳极制备高效率Zn-Cu-In-Se量子点敏化太阳能电池[J]. 无机化学学报, 2022, 38(1): 84-92. doi: 10.11862/CJIC.2022.025 shu
Citation:  Jian-Hao LI, Han SONG, Zheng-Yan ZHANG, Zhen-Xiao PAN, Xin-Hua ZHONG. Preparation of High-Efficiency Zn-Cu-In-Se Quantum Dot-Sensitized Solar Cells by ZnS/SiO2 Synergistic Photoanode Coating[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2022, 38(1): 84-92. doi: 10.11862/CJIC.2022.025 shu

ZnS/SiO2协同包覆光阳极制备高效率Zn-Cu-In-Se量子点敏化太阳能电池

    通讯作者: 潘振晓。E-mail: zxpan@scau.edu.cn; 钟新华。E-mail: zhongxh@scau.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51732004

    国家自然科学基金 22075090

    国家自然科学基金 21805093

    国家自然科学基金 21975083

    广州市科技计划项目 201904010178

摘要: 通过光阳极协同包覆的策略抑制Zn-Cu-In-Se(ZCISe)量子点敏化太阳能电池(QDSC)中光阳极/电解液界面上的电荷复合过程,提高电荷收集效率和电池光伏性能。采用溶液法在ZCISe量子点敏化的光阳极表面依次沉积包覆ZnS和SiO2双钝化层,实现较单一ZnS包覆层更有效的界面电荷复合抑制作用,从而提高QDSC的性能。在包覆ZnS/SiO2双钝化层后,所组装的ZCISe QDSC光电转换效率由传统单一ZnS包覆的12.17%提高到13.23%,这归因于双钝化层对光阳极/电解液界面电荷复合过程的有效抑制,电荷收集效率得到相应提升。

English

  • 子点敏化太阳能电池(QDSC)是以半导体纳米晶(即通称的量子点)作为吸光材料的第三代新型太阳电池。由于量子点(QD)具有高的摩尔消光系数和多激子效应等突出优势,QDSC有望成为一种具有强竞争力的新型太阳电池[1-4]。近年来,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点吸光材料以其吸光系数高、带隙窄和不含Pb和Cd高毒性元素等突出优势受到了广泛的关注[5-9]。当前,基于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点的QDSC效率已经达到15% 以上[7],但与其理论效率44% 相比还存在较大的差距。制约效率的一个重要原因是光生载流子在传输过程中的复合损失严重,导致电荷收集效率低,进而影响电池效率,尤其是开路电压和填充因子2个参数[10-11]

    限制QDSC性能提升的关键因素是发生在界面上的电荷复合损失[12]。量子点自身存在大量的表面缺陷态,这些缺陷会成为非辐射复合中心而湮灭光生载流子。此外,量子点在TiO2膜上负载量相对较低,表面覆盖率不足50%,这意味着TiO2表面存在大量裸露部分,这些裸露部分直接与电解液接触,容易导致TiO2中的光生电子被电解液捕获[13]。为了抑制电荷复合过程,最常用的方法是在量子点敏化的光阳极表面包覆薄的宽带隙钝化层。其中,ZnS是QDSC中最常用的表面包覆材料,其不仅可以钝化量子点的表面缺陷态,而且还可以在光阳极与电解液界面上形成势垒层,有效阻挡电子传输到电解液中。除此之外,一些宽带隙的金属氧化物如Al2O3和MgO等也被用于光阳极的表面钝化层[14-17],作用机理同样是在光阳极表面形成势垒,阻挡量子点或TiO2中的光生电子与电解液复合。

    除了在光阳极表面进行单一钝化层的包覆,已有研究表明通过双钝化层的包覆处理可以更有效抑制界面电荷复合过程。Liu等在CdS/CdSe量子点敏化的光阳极表面依次包覆ZnS、SiO2,形成ZnS/ SiO2双钝化层,电荷收集效率得到提高,相应地将CdS/CdSe QDSC的效率从包覆单钝化层ZnS的3.51% 提高至双钝化层的4.91%[3]。Zhao等通过在CdSeTe量子点敏化的光阳极表面沉积ZnS/SiO2双钝化层,有效地抑制了光阳极界面上的电荷复合,从而使CdSeTe QDSC的效率从6.93% 提升到8.21%,同时器件的稳定性也得到显著提高[18]。光阳极表面包覆了双钝化层后,TiO2和量子点与电解液直接接触的几率大大减少,从而降低了电子与电解液发生复合的可能性[18]

    以上研究结果表明,ZnS/SiO2双钝化层对于电荷复合的抑制效果比单一ZnS钝化层更为有效,且电池器件的稳定性进一步提高。但遗憾的是,文献报道中使用ZnS/SiO2双钝化层抑制电荷复合多用于Ⅱ-Ⅵ族的Cd类量子点吸光材料体系,而对于目前电池效率更高的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点材料体系却未见报道。基于这一问题,我们旨在开发适用于Ⅰ-Ⅲ- Ⅵ族量子点吸光材料体系的光阳极双钝化层包覆,提高基于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点的QDSC效率。我们采用ZnS/SiO2双钝化层包覆Zn-Cu-In-Se(ZCISe)量子点敏化后的光阳极。结果表明,通过对包覆层组成结构的合理设计,ZnS/SiO2双钝化层在单一ZnS钝化层的基础上更为有效地抑制了电荷复合过程,提高了电荷收集效率,电池效率得到明显提升。

    ZCISe量子点采用本课题组之前报道的方法合成[19]。首先将1.0 mmol Zn(OAc)2·2H2O、1.0 mL油胺(OAm)和9.0 mL十八烯(ODE)置于三口烧瓶中,在N2气氛中加热至130 ℃使Zn(OAc)2完全溶解,制备出Zn前驱体溶液。将0.5 mmol硒粉超声溶解于0.4 mL二苯基膦(DPP)和0.5 mL OAm的混合溶液中,制备出DPP-Se前驱体溶液。

    将0.14 mmol CuI、0.20 mmol In(OAc)3、3.0 mL OAm、4.0 mL ODE和0.8 mL Zn前驱体溶液置于三颈烧瓶中,在N2保护下加热至180 ℃,然后快速注入0.9 mL DPP-Se前驱体溶液,反应3 min后停止加热,自然冷却至室温。将量子点溶液分散在石油醚中,加入适量乙醇直至产生沉淀,离心纯化后获得油溶性ZCISe量子点,重新分散于10.0 mL二氯甲烷中备用。之后用巯基丙酸(MPA)作为配体交换试剂,通过配体交换获得MPA包覆的水溶性ZCISe量子点。最终将MPA包覆的量子点分散于2.0 mL去离子水中,滴加10.0 μL MPA,并用10% 的NaOH调节溶液pH=10.0。

    TiO2介孔膜是通过丝网印刷方法将P25浆料涂布到FTO导电玻璃上制备,具体步骤参照本课题组之前的报道[20]。移取50.0 μL上述制备的量子点水相溶液,滴加到TiO2膜上,将膜在60 ℃烘箱中放置2 h左右直至吸附饱和,然后依次用去离子水和乙醇冲洗膜表面残留的量子点溶液,并用吹风机吹干,完成量子点敏化吸附过程。之后进行光阳极表面钝化层包覆处理。首先是ZnS层的包覆,将量子点敏化的光阳极膜交替浸泡于0.1 mol·L-1 Zn(OAc)2甲醇溶液和0.1 mol·L-1 Na2S水溶液中,每次浸泡时间为1 min,浸泡后用去离子水和乙醇冲洗后吹干,完成一次ZnS包覆循环。通过控制不同的包覆循环次数以得到不同的ZnS包覆层厚度。包覆完ZnS层之后,将光阳极浸泡于含0.1 mol·L-1 NH3·H2O的0.01 mol·L-1正硅酸乙酯溶液(TEOS,溶剂组成为体积比5∶1的乙醇和水)中,通过TEOS的水解得到SiO2包覆层。SiO2包覆层厚度通过控制浸泡时间得以调控,最终得到ZnS/SiO2双钝化层修饰的量子点敏化光阳极膜。

    将光阳极和对电极用燕尾夹组装在一起,在两者之间的空隙注入10.0 μL聚硫电解液(将2.40 g Na2S·9H2O、0.32 g硫粉、0.10 g KCl溶解于5.0 mL去离子水中),完成电池的组装。Cu2S/黄铜片和氮掺杂介孔碳/钛网(NMC/Ti)对电极参考文献[7, 21]制备。

    UV-Vis吸收光谱由Shimadzu UV-2600紫外可见分光光度计测得。X射线光电子能谱(XPS)采用X射线光电子能谱仪(Escalab 250xi)进行测试。电池的光电转换效率与稳定功率输出(SPO)在AM 1.5G标准模拟太阳光下测得,测试系统由Keithley 2400数字源表及配有300 W氙灯的Oriel 91160太阳光模拟器组成,光源辐照强度为100 mW·cm-2,用NREL认证的标准硅电池进行校准,电池的有效面积为0.235 cm2。透射电镜(TEM)照片由工作电压为200 kV的Talos F200S透射电子显微镜获得。电化学阻抗谱(EIS)在Zahner Zennium电化学工作站上测得,测试在暗态下进行,扰动电压为20 mV,扫描频率范围为0.1 Hz~1.0 MHz。开路电压衰减在Zahner Zennium电化学工作站上测试,以Zahner PP211控制的白光LED作为光源,光照强度为1 000 W·m-2

    图 1a所示,量子点敏化的光阳极制备包括量子点吸附沉积以及ZnS/SiO2钝化层包覆2个主要过程。首先,采用热注射法合成ZCISe量子点,通过配体交换获得MPA包覆的水溶性ZCISe量子点。量子点吸附沉积到TiO2介孔膜表面后,采用连续离子层吸附反应法(SILAR)包覆ZnS钝化层,通过不同的包覆循环次数得到不同厚度的ZnS层。随后将其置于TEOS溶液中进行SiO2包覆处理,SiO2层的厚度由浸泡时间决定。为描述方便,将通过SILAR方法得到的不同厚度ZnS层简称为nZnS,n代表SILAR的循环次数;不同浸泡时间所获得的SiO2层简称为mSiO2m min代表TEOS水解沉积的时间。例如将经过3个ZnS包覆循环之后再通过TEOS水解m min沉积SiO2层获得的样品简称为3ZnS/mSiO2。为了证明ZnS/ SiO2双钝化层成功包覆在光阳极膜表面,我们采用了TEM进行观测验证。从图 1b1c中的高分辨TEM (HRTEM)照片中可以看出,量子点与TiO2表面都显示出均匀包覆的无定形层,证实了ZnS/SiO2层成功包覆在光阳极表面。经过3个ZnS包覆循环后得到的ZnS层厚度约为0.5 nm,3ZnS/60SiO2层的总厚度约为1.1 nm,相应的SiO2层厚度约为0.6 nm。

    图 1

    图 1.  (a) ZnS和SiO2薄层依次在ZCISe量子点敏化TiO2膜表面沉积示意图; 包覆3ZnS (b)和3ZnS/60SiO2 (c)后的ZCISe量子点敏化TiO2膜的HRTEM照片
    Figure 1.  (a) Schematic showing the sequential overcoating of ZnS and SiO2 thin layers around the ZCISe QD-sensitized TiO2 film electrode; HRTEM images of ZCISe QD-sensitized TiO2 film electrodes overcoated by 3ZnS (b) and 3ZnS/60SiO2 (c)

    为了进一步证实量子点敏化光阳极表面包覆的无定型层为ZnS/SiO2,我们采用XPS对TiO2/QD、TiO2/QD/3ZnS和TiO2/QD/3ZnS/60SiO2三种最优条件下的光阳极进行测定。图 2a是Ti2p的XPS谱图,可以看到Ti2p的峰强度随着ZnS和SiO2层的包覆逐渐降低。这主要是由于ZnS和SiO2层包覆后对于Ti2p信号产生了阻隔作用,这也证明了ZnS和SiO2层依次包覆在了光阳极表面。图 2b2c分别是Zn2p和S2p的XPS曲线,由于ZCISe量子点中存在Zn元素,量子点表面配体MPA中存在S元素,因此TiO2/QD中也出现了Zn2p和S2p的信号。但Zn2p和S2p的峰强度都随着ZnS的包覆显著增强,证明了ZnS层包覆在了光阳极表面,而在包覆SiO2层后信号强度又出现了下降,表明SiO2的成功包覆阻隔了Zn2p和S2p的信号,这进一步证明了ZnS和SiO2层依次包覆在了光阳极表面。图 2d是Si2p的XPS曲线,可以看到Si2p的信号只出现在TiO2/QD/3ZnS/60SiO2中,这直接证明了SiO2层的存在。通过这一结果可以充分证明ZnS和SiO2层包覆在TiO2/QD光阳极表面。

    图 2

    图 2.  TiO2/QD、TiO2/QD/3ZnS和TiO2/QD/3ZnS/60SiO2光阳极的XPS谱图

    (a)Ti2p, (b) Zn2p, (c) S2p, (d) Si2p

    Figure 2.  XPS spectra of TiO2/QD, TiO2/QD/3ZnS, and TiO2/QD/3ZnS/60SiO2 photoanodes

    根据文献报道,QDSC中一般需要经过5个ZnS包覆循环的电池效率才能够达到最优[4]。为了获得本体系中最佳ZnS层厚度,我们首先研究了不同ZnS包覆循环次数对电池性能的影响。对不同ZnS包覆循环次数对应的QDSC在1个标准太阳光下进行了性能测试,每个条件测试了5个平行器件,对应的平均电池性能参数如表 1所示(其中,Jsc:短路电流密度,Voc:开路电压,FF:填充因子,PCE:光电转换效率),相应最佳性能的电池电流-电压(J-V)曲线如图 3a所示。与文献报道的结论相一致,5次ZnS包覆循环对应的电池光电转换效率达到最优,为10.07%。电池性能提高的原因是ZnS的包覆降低了量子点表面缺陷态密度,同时有效隔离了光阳极膜与电解液的直接接触,抑制了电池中的电荷复合过程。而过厚的ZnS钝化层会形成较厚的势垒层,阻碍量子点产生的光生空穴被电解液有效捕获,使电池效率下降。因此我们选用5次ZnS包覆循环作为单一钝化层包覆的最优条件,即TiO2/QD/5ZnS。根据文献报道,含Cd量子点体系中在最优厚度的ZnS基础上沉积60 min的SiO2能够进一步提高电池效率[18]。我们同样对ZCISe量子点敏化的光阳极进行了5ZnS/60SiO2双层包覆。但遗憾的是,如图 3b表 1所示,在Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点吸光材料体系中,在5次ZnS包覆循环的基础上再通过TEOS水解60 min沉积SiO2钝化层,电池效率并没有提升,反而有所下降。可能的原因是Ⅱ-Ⅵ族量子点与Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点在能级结构上存在差异,因而相同的表面包覆层产生了不同的作用效果。因此,在Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点材料体系中,需重新设计合适的ZnS和SiO2层厚度,使两者能够协调互补,实现更好地抑制界面电荷复合的效果。

    表 1

    表 1  光阳极表面不同包覆处理所组装的QDSC性能参数
    Table 1.  Photovoltaic parameters of QDSC with different surface treatments on photoanodes
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    Photoanode Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    TiO2/QD 19.97 0.536 0.578 6.19
    TiO2/QD/3ZnS 22.78 0.571 0.581 7.56
    TiO2/QD/4ZnS 25.14 0.602 0.597 9.04
    TiO2/QD/5ZnS 26.58 0.618 0.613 10.07
    TiO2/QD/6ZnS 25.45 0.611 0.602 9.36
    TiO2/QD/5ZnS/60SiO2 25.13 0.601 0.604 9.12

    图 3

    图 3.  不同ZnS包覆循环次数(a)及5ZnS和5ZnS/60SiO2 (b)包覆层所组装的QDSC的J-V曲线
    Figure 3.  J-V curves of the assembled QDSC with different cycles of ZnS layers (a), and with 5ZnS and 5ZnS/60SiO2 coating layers (b)

    为了探究ZnS/SiO2双钝化层中ZnS层的合适厚度即合适的包覆循环次数,采用控制变量法,先将包覆SiO2的时间统一设置为60 min,改变ZnS的包覆次数,最后根据最优的电池性能以确定最优的包覆ZnS条件。与前文操作一致,TiO2/QD光阳极先后浸泡在Zn2+和S2-溶液中,改变ZnS包覆循环次数。在包覆ZnS层之后,将光阳极浸泡于配制好的TEOS水溶液中60 min包覆SiO2钝化层,从而得到目标光阳极(TiO2/QD/nZnS/60SiO2)并用于电池的组装。每个条件下的电池器件平均性能参数如表 2所示,相应性能最佳的电池的J-V曲线如图 4a所示。可以看出,在SiO2包覆时间固定的情况下,ZnS包覆循环次数对电池的性能具有重要的影响。随着循环次数的增加,电池的效率逐渐提升且在循环次数为3时达到最高(10.95%),与包覆单一钝化层ZnS的最佳结果相比,电池的效率提高接近1%。然而,当ZnS的包覆循环次数超过3时,对应的电池效率逐渐下降。这一结果表明,在ZnS层厚度适中的条件下,ZnS和SiO2可以产生协同钝化的效果,而过厚的ZnS层会阻碍光生空穴的提取,对电池的性能产生负面影响,因此在后续探究双钝化层的实验中采用3次ZnS包覆循环的方案。

    表 2

    表 2  包覆不同ZnS层数的QDSC的性能参数
    Table 2.  Performance parameters of QDSC with different ZnS cycles
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    Photoanode Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    TiO2/QD/0ZnS/60SiO2 21.97 0.569 0.586 7.32
    TiO2/QD/1ZnS/60SiO2 24.25 0.597 0.603 8.73
    TiO2/QD/2ZnS/60SiO2 25.74 0.628 0.607 9.81
    TiO2/QD/3ZnS/60SiO2 27.13 0.653 0.618 10.95
    TiO2/QD/4ZnS/60SiO2 26.05 0.660 0.610 10.49

    图 4

    图 4.  (a) SiO2沉积时间为60 min时不同ZnS包覆循环次数所组装的QDSC的J-V曲线; (b)沉积不同时间的SiO2所组装QDSC的J-V曲线
    Figure 4.  (a) J-V curves of QDSCs with different thicknesses of ZnS layers with a fixed SiO2 deposition time of 60 min; (b) J-V curves of QDSCs with different SiO2 deposition times

    在最优ZnS包覆循环次数(3次)条件下我们进一步优化了SiO2层包覆沉积时间,即探究TiO2/QD/ 3ZnS/mSiO2目标光阳极最优的SiO2层厚度。SiO2层是由TEOS水解得到,因此可以通过改变水解时间来调整SiO2层的厚度。表 3列出了不同SiO2沉积时间下QDSC的平均性能参数,图 4b为对应的J-V曲线。可以看到,SiO2层的厚度对电池性能同样也有重要影响。随着SiO2层沉积时间的延长,器件的光伏性能先升高后降低,并在沉积时间为60 min时器件的效率达到最高。从实验结果中可以得出,合适厚度的ZnS层与SiO2层可以产生协同作用,共同抑制电池的电荷复合过程,提升电池的效率。因此,在TiO2/QD表面沉积3层ZnS后再水解沉积SiO2 60 min所制备的双钝化层为最优的光阳极制备条件。

    表 3

    表 3  包覆不同厚度SiO2层所组装的QDSC的性能参数
    Table 3.  Performance parameters of the QDSC with different thicknesses of SiO2 layers
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    SiO2 deposition time / min Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    30 25.84 0.641 0.600 9.94
    60 27.13 0.653 0.618 10.95
    90 26.56 0.647 0.614 10.55
    120 25.02 0.633 0.606 9.59

    从上述结果中可以看出,不同包覆条件对器件短路电流密度(Jsc)值的影响较大。为了揭示Jsc差异的原因,我们对单一ZnS包覆和ZnS/SiO2双层包覆的2种电池进行了外量子效率(EQE)测试,结果如图 5a所示。可以看出双钝化层对应电池的EQE值较单一ZnS钝化层更高,这与图 5b中的J-V曲线所得到的短路电流结果相一致。EQE的计算公式为EQE=ηLHEφinjηcc,其中ηLHE代表光捕获效率,φinj表示电子注入效率,ηcc是电荷收集效率。图 5c是2种光阳极膜的吸收光谱,可以看到二者在光吸收方面的差别很小,说明不同的钝化层处理对光捕获效率的影响较小。由于在双钝化层及单钝化层体系中量子点均是直接沉积在TiO2基底的表面,电子注入效率在2个体系中不会有显著差别,这在文献报道中也予以了证实[18]。因此我们可以推断,双钝化层对EQE值的提升效果主要归因于对电荷收集效率的提升,这在接下来的讨论中将进一步验证。此外,为测试器件光电流输出的稳定性,我们进行了SPO的测试。图 5d显示了单一钝化层和双钝化层包覆的电池器件在其最大功率点的稳态电流输出测试,2种电池均表现出稳定的光电流输出,说明电池在连续光照下具有良好的稳定性。

    图 5

    图 5.  单一钝化层和双钝化层包覆QDSC的(a) EQE曲线、(b) J-V曲线、(c)吸收光谱和(d) SPO曲线
    Figure 5.  (a) EQE curves, (b) J-V curves, (c) absorption spectra, and (d) SPO curves of QDSC coated with single and double passivation layers

    为了进一步验证双钝化层对电荷复合的抑制作用,我们通过EIS测试表征QDSC中电子的复合动力学过程,测试了施加偏压从-0.35到-0.65 V所对应的电池器件的EIS谱图。采用标准拟合等效电路Rs(CμRrec)(CCERCE)对所得到的Nyquist图进行拟合分析,其中Rs为器件串联电阻,Cμ为光阳极/电解液界面的化学电容,Rrec为光阳极/电解液界面的复合阻抗,CCE为电解液和对电极界面的化学电容,RCE表示电解液和对电极界面的电荷传输阻抗。图 6aCμ随偏压变化的曲线,可以看到不同表面处理条件下所制备的器件具有相似的Cμ。在QDSC中,Cμ与TiO2的费米能级位置有关,表明不同的包覆条件对TiO2的费米能级影响较小。Rrec值的大小与电荷复合速率直接相关。Rrec值越大代表电荷复合发生的概率越小,从而可以提高光生载流子的收集效率。图 6bRrec随施加偏压变化的曲线,从图中可以看出,ZnS/SiO2双钝化层相比于单一ZnS钝化层可以明显提高器件的Rrec值,从而有助于降低光阳极/电解液界面上的电荷复合几率。图 6c为偏压-0.65 V时不同处理方式所制备器件的Nyquist曲线,从图中可以直观地看出,基于双钝化层器件的复合阻抗值明显高于单一钝化层器件,证明了经过双钝化层处理后能进一步抑制器件中的电荷复合过程,从而提升了电池性能。

    图 6

    图 6.  不同处理条件下QDSC的电化学表征: (a) 不同偏压下的Cμ及模拟等效电路(插图); (b) 不同偏压下的Rrec; (c)偏压为-0.65 V时QDSC的Nyquist图
    Figure 6.  Electrochemistry characterization of QDSC based on different treatments: (a) dependence of Cμ on the applied forward bias and the equivalent circuit (Inset); (b) dependence of Rrec on the applied forward bias; (c) Nyquist curves of QDSC at the forward bias of -0.65 V

    为了进一步证实双钝化层可以更为有效地抑制器件中的电荷复合过程,我们对2种不同处理条件的QDSC进行了开路电压衰减(OCVD)测试。如图 7a所示,包覆ZnS/SiO2双钝化层相比于包覆ZnS单一钝化层的器件,Voc衰减速度明显减慢。一般来说,电压衰减的速率能够直接反映光阳极中的光生电子与电解液的复合速率,器件电压衰减速率越慢表示界面上电荷的复合速率越慢。此外,器件的光生电子寿命(τn)可以根据OCVD的结果来计算[9],得到的电子寿命曲线如图 7b所示,在相同的电压下,基于双钝化层的器件展现出更长的电子寿命,表明包覆双钝化层后电子被电解液捕获的几率显著降低,电荷复合过程得到了明显的抑制,从而提升了电荷的收集效率,这与EIS测试得到的结果相一致。

    图 7

    图 7.  两种电池的(a) 开路电压衰减曲线和(b) 电子寿命曲线
    Figure 7.  Open-circuit voltage decay (a) and calculated electron lifetime (b) curves of the two cells

    根据文献报道,以钛网负载的氮掺杂介孔碳(NMC/Ti)作为对电极用于组装QDSC可获得更优异的光伏性能[21]。因此,在单一ZnS钝化层与ZnS/SiO2双钝化层各自最优的条件下,我们将Cu2S/黄铜片对电极替换为NMC/Ti对电极组装QDSC,相应的J-V曲线如图 8所示。基于双钝化层的QDSC获得了13.23%(Jsc=25.80 mA·cm-2Voc=0.789 V,FF=0.650)的效率,明显高于单一ZnS钝化层对应的12.17%(Jsc= 25.14 mA·cm-2Voc=0.753 V,FF=0.643)。

    图 8

    图 8.  基于NMC/Ti对电极条件下包覆5ZnS和3ZnS/60SiO2的QDSC的J-V曲线
    Figure 8.  J-V curves of QDSCs coated with 5ZnS and 3ZnS/60SiO2 based on NMC/Ti counter electrodes

    采用ZnS/SiO2双钝化层包覆的策略提升基于Ⅰ -Ⅲ-Ⅵ族量子点QDSC的光伏性能。在ZCISe量子点敏化的光阳极表面先后包覆ZnS/SiO2双钝化层,详细优化了不同钝化层的包覆条件,最终获得了最优的电池性能。结果表明,经过条件的系统性优化,双钝化层表面包覆处理相比于传统单一的ZnS表面处理能够更有效地抑制ZCISe QDSC中的电荷复合过程,显著提升了电荷收集效率,将最终电池效率由12.17% 提高到13.23%。


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      Huang F, Zhang Q F, Xu B K, Hou J, Wang Y, Massé R C, Peng S L, Liu J S, Cao G Z. A Comparison of ZnS and ZnSe Passivation Layers on CdS/CdSe Co-sensitized Quantum Dot Solar Cells[J]. J. Mater. Chem. A, 2016, 4(38):  14773-14780. doi: 10.1039/C6TA01590E

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  • 图 1  (a) ZnS和SiO2薄层依次在ZCISe量子点敏化TiO2膜表面沉积示意图; 包覆3ZnS (b)和3ZnS/60SiO2 (c)后的ZCISe量子点敏化TiO2膜的HRTEM照片

    Figure 1  (a) Schematic showing the sequential overcoating of ZnS and SiO2 thin layers around the ZCISe QD-sensitized TiO2 film electrode; HRTEM images of ZCISe QD-sensitized TiO2 film electrodes overcoated by 3ZnS (b) and 3ZnS/60SiO2 (c)

    图 2  TiO2/QD、TiO2/QD/3ZnS和TiO2/QD/3ZnS/60SiO2光阳极的XPS谱图

    Figure 2  XPS spectra of TiO2/QD, TiO2/QD/3ZnS, and TiO2/QD/3ZnS/60SiO2 photoanodes

    (a)Ti2p, (b) Zn2p, (c) S2p, (d) Si2p

    图 3  不同ZnS包覆循环次数(a)及5ZnS和5ZnS/60SiO2 (b)包覆层所组装的QDSC的J-V曲线

    Figure 3  J-V curves of the assembled QDSC with different cycles of ZnS layers (a), and with 5ZnS and 5ZnS/60SiO2 coating layers (b)

    图 4  (a) SiO2沉积时间为60 min时不同ZnS包覆循环次数所组装的QDSC的J-V曲线; (b)沉积不同时间的SiO2所组装QDSC的J-V曲线

    Figure 4  (a) J-V curves of QDSCs with different thicknesses of ZnS layers with a fixed SiO2 deposition time of 60 min; (b) J-V curves of QDSCs with different SiO2 deposition times

    图 5  单一钝化层和双钝化层包覆QDSC的(a) EQE曲线、(b) J-V曲线、(c)吸收光谱和(d) SPO曲线

    Figure 5  (a) EQE curves, (b) J-V curves, (c) absorption spectra, and (d) SPO curves of QDSC coated with single and double passivation layers

    图 6  不同处理条件下QDSC的电化学表征: (a) 不同偏压下的Cμ及模拟等效电路(插图); (b) 不同偏压下的Rrec; (c)偏压为-0.65 V时QDSC的Nyquist图

    Figure 6  Electrochemistry characterization of QDSC based on different treatments: (a) dependence of Cμ on the applied forward bias and the equivalent circuit (Inset); (b) dependence of Rrec on the applied forward bias; (c) Nyquist curves of QDSC at the forward bias of -0.65 V

    图 7  两种电池的(a) 开路电压衰减曲线和(b) 电子寿命曲线

    Figure 7  Open-circuit voltage decay (a) and calculated electron lifetime (b) curves of the two cells

    图 8  基于NMC/Ti对电极条件下包覆5ZnS和3ZnS/60SiO2的QDSC的J-V曲线

    Figure 8  J-V curves of QDSCs coated with 5ZnS and 3ZnS/60SiO2 based on NMC/Ti counter electrodes

    表 1  光阳极表面不同包覆处理所组装的QDSC性能参数

    Table 1.  Photovoltaic parameters of QDSC with different surface treatments on photoanodes

    Photoanode Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    TiO2/QD 19.97 0.536 0.578 6.19
    TiO2/QD/3ZnS 22.78 0.571 0.581 7.56
    TiO2/QD/4ZnS 25.14 0.602 0.597 9.04
    TiO2/QD/5ZnS 26.58 0.618 0.613 10.07
    TiO2/QD/6ZnS 25.45 0.611 0.602 9.36
    TiO2/QD/5ZnS/60SiO2 25.13 0.601 0.604 9.12
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    表 2  包覆不同ZnS层数的QDSC的性能参数

    Table 2.  Performance parameters of QDSC with different ZnS cycles

    Photoanode Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    TiO2/QD/0ZnS/60SiO2 21.97 0.569 0.586 7.32
    TiO2/QD/1ZnS/60SiO2 24.25 0.597 0.603 8.73
    TiO2/QD/2ZnS/60SiO2 25.74 0.628 0.607 9.81
    TiO2/QD/3ZnS/60SiO2 27.13 0.653 0.618 10.95
    TiO2/QD/4ZnS/60SiO2 26.05 0.660 0.610 10.49
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    表 3  包覆不同厚度SiO2层所组装的QDSC的性能参数

    Table 3.  Performance parameters of the QDSC with different thicknesses of SiO2 layers

    SiO2 deposition time / min Jsc / (mA·cm-2) Voc / V FF PCE/%
    30 25.84 0.641 0.600 9.94
    60 27.13 0.653 0.618 10.95
    90 26.56 0.647 0.614 10.55
    120 25.02 0.633 0.606 9.59
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  • 发布日期:  2022-01-10
  • 收稿日期:  2021-07-13
  • 修回日期:  2021-11-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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