聚乙二醇改性增强NiO光阴极性能 用于量子点串联太阳能电池

摘要

本研究通过在前驱体溶液中引入聚乙二醇（PEG），成功制备了厚度达2.6 μm的均匀纳米多孔NiO薄膜。PEG显著抑制了裂纹形成，防止了薄膜与氟掺杂氧化锡（FTO）衬底的分层。CdSeS量子点（QDs）敏化的NiO阴极实现了0.80%的创纪录光电转换效率。当与TiO₂阳极组装成量子点敏化p-n型串联太阳能电池时，器件展现出高于单电极的开路电压，达到0.43%效率（开路电压=0.594 V，短路电流密度=2.0 mA/cm²，填充因子=0.36）。

研究背景

太阳能凭借清洁、丰富和快速部署特性，有望成为主要能源来源。过去三十年，染料敏化太阳能电池（DSSC）已发展为高效器件，但多数进展集中在TiO₂、ZnO或SnO₂光阳极的n型架构，短路电流密度超15 mA/cm²，效率近13%。结合p型光阴极与n型阳极的p-n型串联DSSC有望获得更高开路电压和整体效率。显著进展包括NK-2684敏化NiO/TiO₂对实现0.918 V开路电压，以及给体-受体染料优化达1079 mV，为p-n串联最高纪录。

尽管取得进展，p型光阴极光电流通常比n型对应物低一个数量级，部分原因在于厚膜机械稳定性差。近期工作探索高比表面积NiO纳米结构、改善结晶度和层状架构以提升性能。然而，搭配各种染料的NiO电极光电转换效率仍维持在0.02-0.30%区间。

本工作基于PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物模板策略合成厚NiO薄膜，引入PEG作为结构调控剂增强薄膜完整性和孔隙率，最终实现高效量子点敏化串联器件。

实验部分

NiO前驱体溶液制备：无水NiCl₂（1 g）和F108（1 g）溶于3 g去离子水和6 g乙醇中。静置3天后，加入PEG（分子量≈20,000），分别为0.03、0.075、0.15、0.30 g。搅拌4小时，8000 rpm离心。所得凝胶刮刀涂布于FTO玻璃，室温干燥后400°C烧结30分钟。CdSeS量子点经热注入法合成，NiO薄膜在50 V直流电场下于乙腈/甲苯（1:2.5体积比）溶液中电泳沉积敏化。TiO₂阳极采用SILAR法共敏化CdS/CdSe，替换CuS作为对电极组装串联电池。

薄膜形貌采用JSM-7001F场发射扫描电镜表征。光伏特性在AM 1.5G照射（1 Sun）下用Keithley 2440源表测量。

结果与讨论

SEM成像显示，无PEG的NiO薄膜呈现明显微观裂隙和卷曲纳米片，经多次刮刀涂布后分层。含PEG薄膜经七次涂布循环后，表面连续无裂纹，厚度约2.6 μm。PEG可能作为粘结剂增强颗粒间内聚力，同时作为结构导向剂增加比表面积和孔隙体积。

J-V测试显示，PEG添加量增至0.15 g时，光电转换效率从0.08%（无PEG）提升至0.32%。最优NiO阴极实现开路电压0.158 V、短路电流密度4.40 mA/cm²、填充因子0.46。过量PEG（0.30 g）导致性能衰减，表明存在最佳浓度窗口。

固定PEG=0.15 g变化薄膜厚度发现：厚度从0.6 μm增至2.1 μm时开路电压和短路电流上升，但超过~1.5 μm后收益趋于平稳，受限于空穴传输受限和载流子寿命缩短。

与TiO₂阳极组装时，TiO₂(下)/NiO(上)串联结构实现0.594 V开路电压和0.43%整体效率，超越单电极性能。尽管短路电流和效率低于独立NiO阴极或TiO₂阳极，但这首次演示了量子点敏化p-n型串联器件，凸显进一步优化潜力。

结论

PEG引入实现了无裂纹、2.6 μm厚纳米多孔NiO薄膜，具备优异机械稳定性和比表面积。优化的量子点敏化NiO阴极达0.80%光电转换效率。作为TiO₂/NiO串联架构一部分，器件实现0.594 V开路电压和0.43%效率，优于孤立电极。未来工作将聚焦增强载流子提取、降低复合，释放量子点敏化p-n型串联太阳能电池全部潜力。