Связанные с толщиной Sb2S3 фототоковые и оптоэлектронные процессы в планарных гибридных солнечных элементах TiO2 / Sb2S3 / P3HT

Введение

Сб ₂ S ₃ все чаще используется для твердых тонкопленочных солнечных элементов из-за его умеренной ширины запрещенной зоны 1,7 эВ и коэффициента поглощения 1,8 × 10 ⁵ см ⁻¹ [1, 2]. Сб ₂ S ₃ тонкие пленки могут быть получены различными методами, включая пиролиз распылением [3], электроосаждение [4], химическое осаждение [5] и метод термовакуумного напыления [6]. В Sb ₂ S ₃ На основе фотоэлектрического устройства эффективность фотоэлектрического преобразования (ФЭП) достигла 5,7–7,5% за счет усовершенствованной технологии и конструкции устройства [1, 2, 7,8,9,10]. Однако КПД твердотельных устройств по-прежнему остается низким по сравнению с другими фотоэлектрическими устройствами, такими как сенсибилизированные красителем солнечные элементы [11] и солнечные элементы из перовскита [12]. В настоящее время большинство работ обычно сосредоточено на поиске лучшей технологии для улучшения оптоэлектронных характеристик в твердотельных устройствах [7,8,9,10,13,14,15]. В связи с этим необходимо изучение фотоэлектронных процессов в Sb ₂ S ₃ солнечные элементы на основе для руководства при проектировании и оптимизации устройства. Это включает в себя всестороннее понимание баланса между поглощением, внутренним электрическим полем и путем переноса, а также относительной кинетикой на Sb ₂ S ₃ фотоэлектрические характеристики, которые важны для оптимизации Sb ₂ S ₃ на основе гибридных солнечных элементов. В этой работе обычный TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ Структура устройства / поли (3-гексилтиофен-2,5-диил (P3HT) n-i-p) была использована для исследования динамических процессов генерации и диссоциации носителей заряда при различной толщине Sb ₂ S ₃ .

Очевидно, что разная толщина Sb ₂ S ₃ в TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p солнечные элементы могут изменять (i) количество собираемых фотонов, что влияет на концентрацию электронов / дырок, генерируемых фотонами; (ii) величина внутреннего электрического поля на Sb ₂ S ₃ слой, влияющий на дрейф электронов / дырок, генерируемый фотонами; (iii) расстояние переноса электронов / дырок к соответствующему электроду; 4) рекомбинация электронов и дырок [16,17]. Однако причина появления Sb ₂ S ₃ Зависящие от толщины характеристики в структуре зажима все еще неоднозначны, что просто объясняется проблемами с объемным сопротивлением, поглощением фотонов, генерацией / рекомбинацией носителей заряда и внутренним электрическим полем [16,17,18,19,20,21] , но подробный и количественный анализ фотоэлектрических параметров, зависящих от толщины, еще не ясен. Чтобы получить представление об изменении J _sc и V _oc на Sb ₂ S ₃ толщина, TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p солнечные элементы были изготовлены (рис. 1), а толщина Sb ₂ S ₃ Связанные с фотонами процессы переноса электронов и дырок, которые приводят к различным фототокам, были изучены в этой работе. Кроме того, мы ввели динамические спектры фототока / фотоэдс с модулированной интенсивностью (IMPS / IMVS) и определение характеристик зондового силового микроскопа Кельвина (KPFM) для изучения процессов фотон-электрон и исследования ключевых факторов, которые определяли рабочие характеристики устройства при различной толщине Sb ₂ S ₃ солнечные батареи.

Иллюстрация TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p solar cell architecture.h ⁺ обозначает отверстие и e ^- обозначает электрон

Методы

Реагенты

Стеклянные подложки, покрытые травлением FTO, были приобретены у Huanan Xiangcheng Co., Ltd., Китай. SbCl ₃ (99%), Na ₂ S ₂ О ₃ (99%) и диизопропоксид титана (75% в изопропиловом спирте) были приобретены у Адамас-бета. P3HT был заказан у Xi’an Polymer Company, Китай, а Ag (99,999%) был заказан у Alfa.

Изготовление устройства

Подложки очищали ультразвуком в мыльной воде, ацетоне и изопропаноле в течение 60 мин каждая с последующей обработкой УФ-озоном в течение 30 мин. Тонкий слой компактного TiO ₂ (0,15 М диизопропоксида титана в этаноле) наносили центрифугированием при 4500 об / мин в течение 60 с с последующим отжигом при 125 ° C в течение 5 минут и 450 ° C в течение 30 минут. Отложение Sb ₂ S ₃ на вершине TiO ₂ тонкий слой был выполнен методом химического осаждения из ванны (CBD) [5, 10, 22]. Раствор ацетона, содержащий SbCl ₃ (0,3 М) по каплям добавляли к Na ₂ S ₂ О ₃ (0,28 М) при перемешивании на ледяной бане (~ 5 ° C). Подложка FTO была покрыта тонким слоем TiO ₂ . и затем суспендировали в перевернутом виде в водном растворе, когда цвет раствора изменился на оранжевый. Через 1 час, 1,5 часа, 2 часа и 3 часа процесса CBD получается гладкий и однородный аморфный Sb ₂ S ₃ слой был нанесен на TiO ₂ -покрытые подложки FTO, и образец был тщательно промыт деионизированной водой и высушен в атмосфере N ₂ поток. Подложку дополнительно отжигали в течение 30 мин в перчаточном боксе (O ₂ :0,1 частей на миллион, H ₂ O:0,1 ppm) при N ₂ Атмосфера. Изготовление n-i-p гетероперехода было завершено центрифугированием (1500 об / мин в течение 60 с) пленки P3HT (15 мг / мл) поверх Sb2S3 внутри перчаточного бокса (O ₂ :0,1 частей на миллион, H ₂ O:0,1 ppm) при N ₂ Атмосфера. Наконец, МП ₃ (10 нм) и Ag (100 нм) электроды наносили испарением через теневую маску.

Инструменты и характеристика

Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) пленки были записаны на рентгеновском дифрактометре MXP18AHF при облучении Cu Kα ( λ =1,54056 Å). Измерения с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) проводили на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе (ZEISS, GeminiSEM 300). Спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре Shimadzu UV-2600. Плотность тока – напряжение ( Дж - V ) характеристики были измерены при освещении AM 1.5 с интенсивностью 100 мВт / см ² с использованием солнечного симулятора 94023A Oriel Sol3A (Newport Stratford, Inc.). Интенсивность света ксеноновой лампы мощностью 450 Вт была откалибрована с помощью стандартного солнечного элемента из кристаллического кремния. J – V кривые были получены с использованием испытательной станции Oriel I – V (Keithley 2400 Source Meter, Ньюпорт). Спектры внешней квантовой эффективности (EQE) солнечных элементов были измерены с использованием набора для измерения QE / IPCE (Zolix Instruments Co., Ltd.) в спектральном диапазоне 300–900 нм. Спектры фототока с модуляцией интенсивности (IMPS) и спектры фотонапряжения с модуляцией интенсивности (IMVS) были измерены с помощью электрохимической рабочей станции (IviumStat.h, Нидерланды) в условиях окружающей среды с фоновой интенсивностью 28,8 мВт / см ² от белого светодиода, с малой глубиной синусоидального возмущения 10%. Зондовый силовой микроскоп Кельвина (KPFM) был выполнен с помощью атомно-силового микроскопа Agilent SPM 5500, оснащенного контроллером MAC III (включающим три синхронизированных усилителя) для картирования поверхностного потенциала (SP).

Результаты и обсуждение

Отложение и характеристика Sb ₂ S ₃ / TiO ₂ Фильм

Изображения FE-SEM (рис. 2а) ясно показывают, что разная толщина Sb ₂ S ₃ пленка нанесена на TiO ₂ стеклянные подложки с многослойным покрытием с различным временем CBD t (1,0 ч, 1,5 ч, 2,0 ч, 3,0 ч). Видно, что однородный Sb ₂ S ₃ слои были успешно получены методами CBD. Средняя толщина Sb ₂ S ₃ Пленка, оцененная по изображениям поперечного сечения FE-SEM, представлена ​​на рис. 2b как функция времени CBD. Средняя толщина d из сб ₂ S ₃ пленка увеличивается линейно с t (Рис. 2б). Средняя толщина увеличивалась почти линейно с 96 до 373 нм при изменении времени CBD от 1 до 3 часов. Диаграммы XRD Sb ₂ S ₃ пленка с разной толщиной Sb ₂ S ₃ пленки на стекле FTO показаны на рис. 3. Измеренный спектр XRD проиндексирован по орторомбическому Sb ₂ S ₃ (JCPDS PCPDFWIN # 42-1393) [23].

а Изображение поперечного сечения FE-SEM Sb ₂ S ₃ пленки на TiO ₂ стеклянные подложки с плотным слоем покрытия. б Средний Sb ₂ S ₃ толщина d график как функция времени реакции CBD t для Sb ₂ S ₃ напыление пленки. Значения были оценены по изображениям поперечного сечения FE-SEM

Рентгенограммы синтезированного Sb ₂ S ₃ пленка на FTO с разным временем напыления. Образец 1 представляет собой подложку из чистого стекла FTO, а образцы 2–5 представляют собой Sb ₂ S ₃ фильмы с t продолжительностью 1 час, 1,5 часа, 2 часа и 3 часа соответственно

Как показано на рис. 4, TiO ₂ образцы демонстрируют начало поглощения при 386 нм (3,21 эВ), соответствующее ширине запрещенной зоны TiO ₂ [24]. Весь осажденный TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ слои с разными t CBD демонстрируют край поглощения прибл. 750 нм [25]. Интенсивность поглощения Sb ₂ S ₃ на TiO ₂ поверхности явно имеют порядок 3 ч> 2 ч> 1,5 ч> 1 ч. Этот результат также указывает на то, что Sb ₂ S ₃ пленка постепенно становится толще с увеличением CBD t , что также согласуется с результатами SEM.

Поглощение TiO ₂ в УФ-видимой области и TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ фильмы с t от 1 до 3 часов соответственно

Солнечные элементы

Дж - V характеристики солнечных элементов разной толщины d (т.е. CBD t ) сравниваются на рис. 5а. В таблице 1 представлены общие фотоэлектрические характеристики этих устройств. Увеличение толщины d (т.е. время CBD t ) существенно влияет на производительность устройства. PCE увеличивается как d увеличивается с 96 до 175 нм (т.е. t увеличилось с 1,0 до 1,5 ч) и затем уменьшается, особенно после d > 280 нм (т. Е. t > 2 ч). Оптимальный Sb ₂ S ₃ Толщина 175 нм может быть определена путем сравнения эффективности устройств, при этом максимальное значение PCE составляет 1,65%, Дж _sc 6,64 мА см ⁻² , V _oc 0,61 В и FF 40,81%. Этот результат сопоставим с другими сообщениями [16, 26]. Лю и др. изучен гибрид ZnO / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p клетки с Sb ₂ S ₃ слоев трех различных толщин (50, 100 и 350 нм) путем термического испарения, достигая наивысшего PCE (~ 2%) с Sb толщиной 100 нм ₂ S ₃ [12]. Kamruzzaman et al. изучил TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p клетки с Sb ₂ S ₃ толщиной 45–120 нм методом термического напыления, а поглотитель Sb ₂ S ₃ и слой, транспортирующий дырки, P3HT были отожжены в атмосферных условиях. В их исследованиях толщина 100–120 нм показала лучший КПД преобразования мощности 1,8–1,94% [26]. Очевидно, что толщина Sb ₂ S ₃ действительно сильно влияет на производительность устройства, даже при различных стратегиях осаждения Sb ₂ S ₃ пленка или условия отжига.

а J – V кривые и b Спектры EQE солнечных элементов с разной CBD t для Sb ₂ S ₃ фильм

Транспортный заряд

Устройство J _sc заметно увеличивается с увеличением Sb ₂ S ₃ толщина d от 96 до 175 нм, а затем уменьшается как d увеличивается (рис. 5 и таблица 1). Устройство J _sc существенно зависит от Sb ₂ S ₃ толщина d. Генерация и диссоциация носителей заряда являются ключевыми процессами для генерации фототока. Во-первых, видимый свет будет проходить через TiO ₂ слой из-за его свойства окна видимого света (рис. 4) и начинает поглощаться из TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ интерфейс. Сб ₂ S ₃ доказал высокий коэффициент поглощения α около 10 ⁵ см ⁻¹ в видимой области [27]. Здесь мы берем α =10 ⁵ см ⁻¹ для Sb ₂ S ₃ . Глубина освещения в зависимости от толщины изображена на рис. 6 в соответствии с законом Бера-Ламберта I . ( x ) = Я ₀ e ^-ax , в котором I ₀ - падающий поток фотонов, а I ( x ) - поток фотонов в Sb ₂ S ₃ . Очевидно, что падающие фотоны не могут полностью поглощаться, когда Sb ₂ S ₃ имеет толщину 100 нм или 200 нм (рис. 6б). d отношение поглощенного фотона (N _a ) / падающих фотонов (N _i ) можно рассчитать путем интегрирования площади заштрихованной области по координате. Как показано на рис. 6b (см. Также рис. 7b), N _a / N _я составляет 61%, когда d =96 нм и N _a / N _я увеличивается до 82%, когда d =175 нм. Можно полагать, что дальнейшее поглощение 21% фотонов может вызвать увеличение Дж _sc от 5,50 до 6,64 мА / см ² . Когда d увеличивается до 280 нм, дополнительные 11% фотонов поглощаются и N _a / N _я увеличивается до 93%, что показывает, что больше фотонов может быть дополнительно поглощено и затем может генерировать больше электронов. Однако устройство J _sc снизился до 5,06 мА / см ² что ниже, чем в случае d =96 нм. Когда d увеличивается до 373 нм, N _a / N _я близка к 100%, а устройство J _sc резко снижается до 2,64 мА / см ² . Следовательно, абсорбция - не единственный фактор, влияющий на J . _sc .

Иллюстрация Sb ₂ S ₃ толщина d -зависимая глубина освещения x и E _в

а Полугарифмические графики J – V характеристика в темноте солнечных батарей с разной CBD t для Sb ₂ S ₃ фильм. б Зависимости V _в , Дж _sc , N _а / N _я , E _ke , и E _кх на Sb ₂ S ₃ толщина d

Полулогарифмические графики J – V Кривая солнечных элементов в темноте обычно демонстрирует три различных режима: ( i) линейное увеличение для тока с преобладанием утечки, (ii) экспоненциальное увеличение для тока с преобладанием диффузии и (iii) квадратичное увеличение для тока, ограниченного пространственным зарядом. Встроенное напряжение ( В _в ) обычно можно оценить в поворотной точке, где темная кривая начинает следовать квадратичной кривой (рис. 7a). Зависимости V _в , Дж _sc , N _а / N _я , E _ke , и E _кх на CBD t показаны на рис. 7б. Когда d увеличился с 96 до 175 нм, N _а / N _я увеличился на 34,44%; однако J _sc увеличился только на 20,72%, что означает, что есть еще один фактор, ограничивающий J _sc приращение. Было сделано предположение, что это могло быть связано с уменьшением внутреннего электрического поля в Sb ₂ S ₃ слой, который ослаблял дрейф электронов и дырок, генерируемый фотонами [16]. Поэтому мы рассчитали внутреннее электрическое поле E _в пересечь Sb ₂ S ₃ на основе отношения E _в = V _в / d (Таблица 2). Кроме того, дрейфовая скорость электрона v _e и отверстие v _e , кинетическая энергия электрона E _ke , и отверстие E _кх во внутреннем электрическом поле E _в также были рассчитаны (таблица 2 и рис. 7б). Когда d составляет 96 нм, E _ke составляет 296,56 мэВ, а E _кх составляет 53,25 мэВ. Когда d увеличился до 175 нм, E _ke значительно уменьшается до 95,29 мэВ и E _кх снизилась до 17,12 мэВ, что ниже, чем тепловая энергия при температуре окружающей среды ( E _{тыс. тонн} , 26 мэВ). Этот результат показывает, что внутреннее электрическое поле мало влияет на дрейф дырок, когда Sb ₂ S ₃ толщина не менее 175 нм. Очевидно, приведенное E _ke и E _кх с более толстым Sb ₂ S ₃ должна быть причиной, ограничивающей приращение J _sc . Дальнейшее увеличение d от 175 до 280 нм, N _а / N _я повышен до 13,84%; однако J _sc стать уменьшенным. Это может быть связано с уменьшением E _ke что близко к E _{тыс. тонн} ( г =280 нм), но намного ниже, чем E _кх ( г =373 нм), что означает E _в постепенно оказывает незначительное влияние на дрейф электронов, когда d > 280 нм, как показано в этой работе. Следовательно, E _в дрейф электронов, связанный с декрементом, может быть ответственным за J _sc уменьшение при d увеличился с 175 до 280 нм. Однако когда d увеличился до 373 нм, E _в мало влияет на дрейф электронов и дырок, но J _sc по-прежнему в значительной степени снизился, что означает, что E _в также не единственный фактор, влияющий на J _sc .

Мы использовали KPFM для характеристики фотогенерируемых электронов и поверхностного потенциала (SP), связанного с концентрацией дырок в Sb ₂ S ₃ / P3HT. Образец для измерения KPFM был приготовлен путем капельного литья раствора прекурсора P3HT на часть FTO / TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ поверхность пленки (рис. 8). В качестве Sb ₂ S ₃ толщина увеличивается с 96 до 373 нм, СП на поверхности Sb ₂ S ₃ постепенно становится меньше, что означает уровень Ферми на Sb ₂ S ₃ поверхность становится ниже [28]. Это демонстрирует, что количество электронов, которые могли бы диффундировать к верхней поверхности, постепенно уменьшаются, указывая на то, что в более толстом Sb ₂ существует нижняя область для фотогенерированных электронов. S ₃ пленку, как показано на рис. 6. Мы также исследовали SP детали P3HT. Изменения SP P3HT отличаются от Sb ₂ S ₃ . P3HT может быть возбужден светом для генерации экситонов, а затем разделен на электроны и дырки [29, 30], когда Sb ₂ S ₃ очень тонкий (<200 нм). Когда Sb ₂ S ₃ становится толще, P3HT действует только как слой переноса дырок, потому что большая часть фотонов поглощается Sb ₂ S ₃ (Рис. 3). Следовательно, при толщине Sb ₂ S ₃ меньше 280 нм, P3HT может подвергаться фотовозбуждению, в результате уровень Ферми P3HT постепенно снижается как Sb ₂ S ₃ толщина постепенно увеличивается (уменьшается фотоэкситон). В случае 280 нм SP P3HT быстро падает, потому что нет фотоэкситона, и P3HT работает просто как слой переноса дырок для сбора дырок. В качестве Sb ₂ S ₃ толщина увеличивается до 373 нм, что намного больше, чем длина переноса дырок, сбор дырок также быстро падает, в результате чего уровень Ферми в P3HT снова повышается. Более того, изменения SP в P3HT намного больше, чем в Sb ₂ S ₃ в случае d =373 нм, что означает, что сбор дырок хуже, чем сбор электронов, и, следовательно, вероятно, приведет к значительному уменьшению J _sc .

Иллюстрация измерения SP Sb ₂ S ₃ / P3HT интерфейс от KPFM

Кроме того, IMPS и IMVS, как мощные динамические фотоэлектрохимические методы в сенсибилизированных красителями солнечных элементах [31] и перовскитных солнечных элементах [32], были применены для изучения динамики переноса заряда в этой работе. IMPS / IMVS измеряет реакцию фототока / фотоэдс на небольшое синусоидальное световое возмущение, наложенное на интенсивность фонового света в условиях короткого замыкания / разомкнутой цепи [31,32,33]. Измеренные отклики IMPS или IMVS появляются в четвертом квадранте комплексной плоскости в форме искаженного полукруга (рис. 10a, b). Постоянная времени τ определяется частотой ( f мин) наименьшего воображаемого компонента отклика IMPS или IMVS - это оценка времени прохождения τ _IMPS электроны достигают собирающего электрода в условиях короткого замыкания или время жизни электронов τ _IMVS связана с межфазной рекомбинацией зарядов в условиях холостого хода. Согласно соотношению τ =(2π f ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS и τ _IMVS в приборах рассчитывались (таблица 1). Увеличенный τ _IMPS предполагает более длинный путь переноса зарядов к собирающему электроду, тогда как неизменное τ _IMVS предполагает такую ​​же рекомбинацию межфазных зарядов [33]. Эффективность сбора межфазных зарядов η _c обычно рассматривается как η _c =1- τ _IMPS / τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Очевидно, чем больше время транспортировки τ _IMPS и короткое время рекомбинации межфазного заряда τ _IMVS приведет к худшему сбору заряда и наоборот. В этом исследовании τ _IMPS увеличивается с увеличением толщины Sb ₂ S ₃ а τ _IMVS без изменений. Следовательно, эффективность сбора межфазных зарядов η _c уменьшается с увеличением толщины Sb ₂ S ₃ , и изменения J _sc разной толщины Sb ₂ S ₃ солнечные элементы должны быть вызваны транспортным путем и эффективностью сбора заряда, а не рекомбинацией заряда.

Увеличение Sb ₂ S ₃ толщина может поглотить больше фотонов, что может увеличить фототок. Однако в более толстом Sb ₂ S ₃ слой, большая часть электронов и дырок генерируется около TiO ₂ сторона из-за экспоненциального поглощения фотонов (рис. 10в); следовательно, транспортный путь большинства электронов почти такой же. Тем не менее, большинство дырок необходимо рассеять по более длинному пути, чем электроны в более толстом Sb ₂ S ₃ слой, что демонстрируется более длинными τ _IMPS на рис. 10г. Когда толщина превышает диффузионную длину отверстия, нижняя область в Sb ₂ S ₃ из-за неэффективной генерации и транспортировки дырок уменьшился бы фототок и ослабил бы J _sc и EQE. Диффузионная длина отверстия в Sb ₂ S ₃ составляет около 180 нм [18]. Когда толщина Sb ₂ S ₃ превышает длину диффузии дырок, эффективность сбора дырок снижается, что также отражается спектрами EQE (рис. 5b), поскольку коэффициент поглощения длинной волны намного ниже, чем короткой волны, что приводит к большей глубине освещения для длинных волн ( Рис. 9) [35]. Отверстия, созданные на основе фотографий с длинной лентой, могут обеспечить более равномерное распределение в Sb ₂ S ₃ чем у короткой ленты (фотоданки из короткой ленты могут быть близки к TiO ₂ сторона), что приводит к более эффективному сбору отверстия с длинной ленты. Следовательно, EQE в длинноволновой части не получил такого большого уменьшения, как коротковолновая часть с Sb ₂ S ₃ толщиной 373 нм (рис. 5б).

КПФМ изображения Sb ₂ S ₃ от 1 часа ( a ), 1,5 ч ( b ), 2 ч. ( c ) и 3 часа ( д ) и P3HT на Sb ₂ S ₃ от 1 часа ( e ), 1,5 ч ( е ), 2 ч ( г ) и 3 ч ( ч ) под белую подсветку из стекла FTO соответственно. я , j Соответствующие распределения SP для Sb ₂ S ₃ и P3HT

Как показано на рис. 10d, легко понять, что меньшее значение τ _IMPS сопровождается более тонким Sb ₂ S ₃ (т.е. более короткий путь переноса заряда); однако τ _IMVS в основном остается таким же, когда Sb ₂ S ₃ толщина увеличилась с 96 до 373 нм в этом эксперименте, что означает отсутствие прямой зависимости J _sc и V _oc на τ _IMVS (т.е. межфазная рекомбинация), когда Sb ₂ S ₃ толщина меняется. Хорошо известно, что V _oc TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT солнечных элементов обычно определяется разницей между квазиуровнями Ферми электронов в TiO ₂ и дыры в P3HT [36]. Поскольку набор отверстий уменьшается в P3HT, когда толщина Sb ₂ S ₃ больше, чем длина диффузии дырок, это увеличило бы разницу между квазиуровнями Ферми электронов и дырок при меньшем V _oc . Кроме того, более толстый Sb ₂ S ₃ увеличило бы более высокое последовательное сопротивление и худшую эффективность сбора заряда; эти неблагоприятные факторы могут привести к более низкому FF в более толстом Sb ₂ S ₃ устройство.

а IMPS и b IMVS-характеристики солнечных элементов с различным CBD t для Sb ₂ S ₃ фильм. c Иллюстрация области диффузии электронов и дырок для коротковолнового и длинноволнового освещения. г Зависимость τ _IMPS и τ _IMVS на CBD t

Хотя эффективность планарного TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p солнечных элементов очень низок, и вопрос о том, как еще больше повысить эффективность устройства, является сложной задачей. Тем не менее, наши результаты по-прежнему демонстрируют, что некоторые дальнейшие улучшения могут быть выполнены. Например, усиление встроенного электрического поля за счет использования какого-либо другого слоя переноса электронов или слоя переноса дырок может улучшить перенос и сбор заряда. Кроме того, следует рассмотреть вопрос о том, как улучшить способность к диффузии дырок; возможно, вам пригодятся некоторые проводящие добавки. Кроме того, интерфейсный инженер также важен для улучшения переноса заряда и диссоциации. И последнее, но не менее важное:метод, описанный в этой статье, может быть полезным справочным материалом для других относительно высокоэффективных солнечных элементов (например, органических солнечных элементов, перовскитных солнечных элементов).

Заключение

В данной работе механизм изменения фототока в TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p солнечные элементы с различной толщиной Sb ₂ S ₃ был изучен. Когда толщина меньше транспортной длины дырки, поглощение и внутреннее электрическое поле являются основными факторами, влияющими на фототок; когда толщина больше транспортной длины отверстия, нижняя область в Sb ₂ S ₃ неэффективная генерация и транспорт дырок является основной причиной декремента фототока. Результаты показали, что плотность тока короткого замыкания устройства ( Дж _sc ) увеличивается с увеличением поглощения фотонов, когда Sb ₂ S ₃ толщина меньше транспортной длины отверстия; однако, когда Sb ₂ S ₃ толщина больше транспортной длины отверстия, устройство J _sc резко снижается при дальнейшем увеличении абсорбции. Дрейф электронов, связанный с декрементом внутреннего электрического поля, может привести к уменьшению J _sc при толщине Sb ₂ S ₃ меньше транспортной длины отверстия. Однако при толщине Sb ₂ S ₃ больше транспортной длины дырки, внутреннее электрическое поле мало влияет на дрейф электронов и дырок, но J _sc по-прежнему в значительной степени снизился. Характеристики KPFM и IMPS / IMVS показали, что существует нижняя область для фотогенерированных электронов в более толстом Sb ₂ S ₃ фильм. Нижняя область в Sb ₂ S ₃ для уменьшения дырок, которые могут диффундировать в P3HT, когда Sb ₂ S ₃ толщина больше, чем диффузионная длина отверстия, что приводит к явно уменьшенному J _sc . Более того, уменьшенное количество отверстий в P3HT с увеличенной толщиной Sb ₂ S ₃ увеличило бы разницу между квазиуровнями Ферми электронов и дырок при более низком V _oc .

Сокращения

CBD:

Осаждение в химической ванне

E _в :

Внутреннее электрическое поле

E _ke :

Кинетическая энергия электрона

E _кх :

Кинетическая энергия отверстия

E _{тыс. тонн} :

Тепловая энергия при температуре окружающей среды

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

FF:

Коэффициент заполнения

IMPS:

Спектры фототока с модуляцией интенсивности

IMVS:

Спектры фотоэдс с модуляцией интенсивности

J - V :

Плотность тока – напряжение

J _sc :

Ток короткого замыкания

КПФМ:

Зондовый силовой микроскоп Кельвина

N _a :

Поглощенный фотон

N _i :

Падающие фотоны

P3HT:

Поли (3-гексилтиофен-2,5-диил

PCE:

Эффективность фотоэлектрического преобразования

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SP:

Поверхностный потенциал

UV-vis:

Ultraviolet-visible spectroscopy

v _e :

Drift velocity of the electron

v _h :

Drift velocity of the hole

V _в :

Built voltage

V _oc :

Напряжение холостого хода

XRD:

Рентгеновская дифракция