Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Повышение эффективности планарных Sb₂S₃ солнечных элементов с Cs₂CO₃-модифицированным TiO₂ электронно-транспортным слоем

Аннотация

Мы демонстрируем простой раствористый метод поверхностной модификации компактного TiO₂ (c-TiO₂) с Cs₂CO₃, который повышает его работу функцию, снижает шероховатость поверхности и увеличивает КПД планарных Sb₂S₃ солнечных элементов с 2,83% до 3,97% — улучшение на 40%. Эта работа устанавливает Cs₂CO₃ как простой, масштабируемый маршрут для улучшения электронно-транспортных слоев для высокопроизводительных absorber материалов из распространенных элементов.

Введение

В поиске низкозатратных, нетоксичных тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей, халькогениды из распространенных элементов, такие как CuZnSnSe₂, PbS, Cu₂S, SnS и Sb₂S₃, исследуются как альтернативы CIGS и CdTe. В то время как CuZnSnSe₂ и PbS страдают от токсичных предшественников или сложного стехиометрического контроля, Sb₂S₃ выделяется подходящей запрещенной зоной (~1,65 эВ), высоким коэффициентом поглощения (>10⁵ см−1), высокой диэлектрической постоянной, облегчающей диссоциацию экзитонов, и отличной стабильностью и низкой токсичностью.

Планарные Sb₂S₃ устройства (FTO/c-TiO₂/Sb₂S₃/HTL/Au) привлекательны для промышленного масштабирования благодаря их более простой архитектуре по сравнению с сенсибилизированными устройствами, использующими мезопористый TiO₂. Однако планарные ячейки сейчас отстают в эффективности (2,5–5,8%), потому что зарядовый транспорт внутри Sb₂S₃ слоя зависит от размера зерен, кристалличности и интерфасного контакта.

Предыдущие усилия фокусировались на оптимизации морфологии Sb₂S₃ пленки через химическое осаждение из раствора, термическое испарение, ALD или наночастичные чернила. Быстрый химический подход (FCA) с предшественником бутилдитиокарбаминовой кислоты недавно достиг больших зерен в один спин-коатинг шаг, давая высококачественные абсорберы.

В электронно-транспортных слоях поверхностная инженерия может снизить энергетический барьер и улучшить извлечение зарядов. Cs₂CO₃ доказала свою эффективность в органических фотоэлементах, OLED и перовскитных ячейках за счет снижения работы функции TiO₂. Однако ее применение к Sb₂S₃ устройствам не сообщалось.

Методы/Экспериментальная часть

Материалы и синтез Sb комплекса

Все реагенты использовались как полученные от Sigma-Aldrich. Sb комплекс готовился реакцией Sb₂O₃ с CS₂, n-бутиламином и этанолом, давая предшественник аنتimoine бутилдитиокарбамата, который разбавлялся для спин-коатинга.

Фабрикация устройств

Планарные устройства следовали стеку FTO/c-TiO₂/Sb₂S₃/P3HT/Au. c-TiO₂ осаждался спин-коатингом TTIP/этанол раствора и отжигался при 500 °C. Cs₂CO₃ (1–10 мг/мл) растворенный в метаноле спин-коатингался на UV-озон обработанный c-TiO₂, затем отжигался при 150 °C перед Sb₂S₃ осаждением. Sb₂S₃ пленки спин-коатингались из FCA предшественника и отжигались при 200 °C/1 мин и 350 °C/2 мин. P3HT (10 мг/мл o-DCB) спин-коатингался и отжигался при 100 °C, за которым следовала термическая Au депониция под 5 × 10−6 Торр. Активная площадь: 0,16 см2.

Характеризация

Морфология: FE-SEM (Hitachi S-4800) и AFM (Park NX10). Оптические свойства: UV-Vis (Lambda 750). Фотоэлектрическая характеристика: J-V кривые под AM 1.5G (100 мВт/см2) с Keithley 2400 и Newport 91192. EQE: Newport QuantX-300. XRD: PANalytical Empyrean. XPS и UPS: Thermo Scientific ESCALAB 250Xi с He I (21,2 эВ) и Al Kα (1486,6 эВ). XPS глубинный профилирование использовало Ar+ кластеры при 1 Å/с.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a показывает схему устройства: компактный TiO₂ слой на FTO выступает электронно-транспортным слоем, Sb₂S₃ поглощает свет, и P3HT транспортирует дыры к Au электроду.

a Схема планарных Sb₂S₃ солнечных элементов. b Процесс фабрикации SBA через FCA.

FCA предшественник дает высококристаллическую Sb₂S₃ пленку с большими зернами, как подтверждается SEM (Рис. 2). Зерна сопоставимы с сообщенными Wang et al., указывая на высокое качество пленки.

a Вид сверху и b поперечное сечение SEM Sb₂S₃ после отжига при 350 °C.

Оптимизация концентрации Cs₂CO₃ критична: 1 мг/мл приводит к неполному покрытию, в то время как 5–10 мг/мл ведет себя как диэлектрик, повышая последовательное сопротивление. Оптимум, 3 мг/мл, дает лучшую производительность (Рис. 3a, Таблица 1).

a J-V кривые и b EQE спектры для устройств с/без Cs₂CO₃ обработки.

Без обработки ячейка показывает VOC = 0,549 В, JSC = 10,71 мА/см2, FF = 48,14% (КПД = 2,83%). После 3 мг/мл Cs₂CO₃, VOC растет до 0,596 В, JSC до 11,71 мА/см2, FF до 56,89%, повышая КПД до 3,97% (≈ 40% прирост). Улучшения EQE по всему спектру подтверждают более эффективное преобразование света в ток.

XRD не показывает новых фаз после Cs₂CO₃ обработки, указывая, что кристалличность c-TiO₂ остается неизменной (Рис. 4). XPS глубинный профилирование раскрывает Cs₂CO₃ слой толщиной 2–3 нм (Рис. 5d). AFM демонстрирует снижение среднеквадратичной шероховатости с 9,89 нм до 8,03 нм, что коррелирует со снижением последовательного сопротивления (11,14 Ом·см2 → 8,82 Ом·см2) и более высоким FF (48,14% → 56,89%) (Рис. 6a).

XRD паттерны c-TiO₂ с/без Cs₂CO₃ обработки.

a XPS обзор и Cs 3d пик. b Ti 2p пик. c O 1s пик. d Cs 3d глубинный профиль, показывающий 2–3 нм толщину.

a AFM изображения (2 мкм × 2 мкм). b UV-Vis поглощение и пропускание c-TiO₂ с/без Cs₂CO₃.

UPS измерения раскрывают падение работы функции c-TiO₂ на 0,3 эВ после Cs₂CO₃ обработки (Рис. 7a). Этот сдвиг выравнивает зону проводимости c-TiO₂ ближе к зоне проводимости Sb₂S₃, повышая встроенный потенциал (VBI) и снижая барьер извлечения электронов. Следовательно, и VOC, и JSC увеличиваются. Энергетическая диаграмма (Рис. 7b) и предложенный принцип работы (Рис. 7c) иллюстрируют, как Cs₂CO₃-индуцированное изгибание зон улучшает сбор зарядов.

a UPS спектры c-TiO₂. b Энергетическая диаграмма уровней. c Работа устройства с/без Cs₂CO₃.

Заключение

Поверхностная модификация c-TiO₂ Cs₂CO₃ эффективно снижает его работу функцию, сглаживает поверхность и улучшает физический контакт с Sb₂S₃. Эти изменения снижают последовательное сопротивление, повышают VOC, JSC и FF, кульминацией чего является 40% улучшение КПД (2,83% → 3,97%). Это исследование демонстрирует, что неорганические поверхностные модификаторы, такие как Cs₂CO₃, могут играть ключевую роль в продвижении планарных Sb₂S₃ солнечных элементов к более высоким эффективностям и масштабируемому производству.

Аббревиатуры

AFM:
Атомно-силовая микроскопия
c-TiO₂:
Компактный TiO₂
EQE:
Внешняя квантовая эффективность
ETLs:
Электронно-транспортные слои
FCA:
Быстрый химический подход
FF:
Коэффициент заполнения
FTO:
Фторированный окись олова
HTLs:
Дырочно-транспортные слои
JSC:
Ток короткого замыкания
J-V:
Ток-Напряжение
m-TiO₂:
Мезопористый TiO₂
P3HT:
Поли(3-гекилтиофен)
PCE:
Коэффициент преобразования энергии
RS:
Последовательное сопротивление
RSH:
Шунтирующее сопротивление
SEM:
Сканирующая электронная микроскопия
UPS:
Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия
UV-Vis:
Ультрафиолетово-видимый спектрометр
VBI:
Встроенный потенциал
VOC:
Разомкнутое напряжение
XPS:
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
XRD:
Рентгеновская дифракция

Наноматериалы

  1. Нано-деревья из ZnO нанопроводников усиливают эффективность красительно-сенсибилизированных солнечных элеме…
  2. Нано-гетеропереходы: усиление эффективности солнечных элементов коллоидными квантовыми точками
  3. S,N-ко-легированные графеновые квантовые точки/TiO₂ композиты для высокоэффективной фото каталитической генера…
  4. Метанол-усиленный PEDOT:PSS как дырочный транспортный слой повышает КПД кремниевых/органических гибридных солне…
  5. Улучшенное фотоэлектрохимическое окисление воды с помощью CdS-модифицированных α-Fe₂O₃/TiO₂ наностержневых масси…
  6. Проектирование InP нанопроводников для превосходного сбора солнечной энергии
  7. Высокоэффективные планарные перовскитные солнечные элементы через последовательные паровые гибридные перо…
  8. Оптимизация титановых предшественников для высокопроизводительных компактных слоев TiO₂ в перовскитных солн…
  9. Экологичные перовскитные солнечные элементы с полярным растворителем-добавкой 1,3-диметил-2-имидазолидон
  10. Продвинутые методы обработки поверхности для высокоточных авиационных деталей