Al3+ 对 CdS 量子点敏化太阳能电池光电极中 TiO2 致密层的影响

《Optical Materials》：Al3+ optimization effect on the TiO 2 Compact Layer in CdS Quantum Dot-Sensitized Solar Cell Photoelectrodes.

TiO?层掺杂Al3+对量子点敏化太阳能电池性能的影响研究表明，5-10 mM Al3+掺杂使转换效率提升18%，光吸收增强且载流子传输电阻降低，归因于缺陷态形成及能带结构优化。

　　

奥斯瓦尔多·莫拉莱斯（Osvaldo Morales）| 鲁本·A·罗德里格斯-罗哈斯（Rubén A. Rodríguez-Rojas）| 赫苏斯·卡斯塔涅达-康特雷拉斯（Jesus Casta?eda-Contreras）| 迭戈·埃斯帕尔萨（Diego Esparza）| 伊萨克·萨拉苏阿（Isaac Zarazua）

墨西哥瓜达拉哈拉大学（Universidad de Guadalajara）拉戈斯德莫雷诺分校（Lagos de Moreno 47460）大学中心（Centro Universitario de los Lagos）

摘要

研究了掺铝（Al³⁺）的TiO₂致密层对CdS量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）性能的影响。制备了采用FTO/TiO₂（致密、透明且不透明）/TiO₂/CdS/ZnS/电解质/Cu₂S结构的QDSSCs。制备了掺铝浓度分别为0、5、10和20 mM的TiO₂致密层。随着Al³⁺掺杂量的增加，吸收光谱出现轻微变化，这归因于TiO₂晶格的畸变。J-V曲线测量显示，光电转换效率从1.31%提高到1.55%，提高了约18%。与外部量子效率（EQE）相关的光捕获效率（η_LHE）在可见光和近红外区域有所改善。电化学阻抗谱表明，Al³⁺引入了新的能级缺陷态，这些缺陷态通过改变复合电阻（R_rec）和化学电容（C_μ）来影响复合过程，表明致密层发生了n型掺杂。此外，随着Al³⁺掺杂量的增加，传输电阻（R_t降低，从而增强了致密层和介孔层中的电荷传输和收集。因此，器件在开路电压没有显著下降的情况下表现出电流密度的增加。

章节摘录

引言

在追求清洁和可再生能源的过程中，太阳能已成为一种极具吸引力的选择。目前，基于硅的光伏太阳能电池主导着商业市场。然而，基于硅的器件制造和安装成本较高，并且已接近其理论效率极限。因此，人们正在开发新的太阳能电池技术，以实现更高的效率并降低成本。在这些新兴技术中

材料

FTO（氟掺杂氧化锡）由MTI公司提供；TiO₂浆料（DSL 18NR-T和wer2-0）来自Greatcell Solar公司；醋酸镉二水合物（Cd(CH₃COO)₂•2H₂O，纯度98%）和醋酸锌二水合物（Zn(CH₃COO)₂•2H₂O）同样来自EMSURE公司；无水硫和硫化钠（Na₂S·9H₂O）来自Karal公司；硝酸铝九水合物（Al(NO₃)₃·9H₂O来自Scientific公司；氢氧化钠（NaOH）由Fermont公司纯化。

TiO₂和TiO₂:Al³⁺层的制备

首先，

光吸收

图1展示了单独的致密层以及掺铝（Al³⁺与未掺铝的FTO/TiO₂/TiO₂/CdS/ZnS/Electrolyte/Cu₂S样品的光学吸收光谱和Tauc图，比较了不同Al³⁺掺杂浓度的影响。FTO/TiO₂和FTO/TiO₂:Al³⁺（掺铝浓度为0、5和10 mM）的吸收光谱在316 nm处出现吸收峰，这与文献[19]、[20]中报道的TiO₂特性一致；而在415 nm处也观察到了与TiO₂薄膜相关的吸收峰，这表明了Al³⁺的掺杂效应。

结论

成功在TiO₂/CdS太阳能电池上沉积了不同Al³⁺浓度的TiO₂和Al³⁺掺杂TiO₂致密层。研究表明，向TiO₂致密层中添加少量Al³⁺（5和10 mM）可以提高器件性能，同时保持开路电压（V_OC和填充因子（FF）几乎不变。结果表明，低浓度的Al³⁺掺杂显著增强了复合过程，这可能是由于形成了与能级相关的陷阱。

声明

在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT工具来辅助论文的撰写。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

鲁本·A·罗德里格斯-罗哈斯（Rubén A. Rodríguez-Rojas）：撰写、审稿与编辑、指导、概念构思。赫苏斯·卡斯塔涅达-康特雷拉斯（Jesus Casta?eda-Contreras）：撰写、审稿与编辑。奥斯瓦尔多·莫拉莱斯（Osvaldo Morales）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。迭戈·埃斯帕尔萨（Diego Esparza）：撰写、审稿与编辑。伊萨克·萨拉苏阿（Isaac Zarazua）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、指导、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思

资助

本研究得到了“改善SNII和SNCA生产人员条件的项目支持（PROSNII）”的资助，项目编号为276959。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

奥斯瓦尔多·莫拉莱斯（O. Morales）特别感谢SECIHTI提供的博士学习奖学金。