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 V_OC = 0,549 В, J_SC = 10,71 мА/см², FF = 48,14% (КПД = 2,83%). После 3 мг/мл Cs₂CO₃, V_OC растет до 0,596 В, J_SC 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 (V_BI) и снижая барьер извлечения электронов. Следовательно, и V_OC, и J_SC 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 V_OC, J_SC 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

J_SC:

Ток короткого замыкания

J-V:

Ток-Напряжение

m-TiO₂:

Мезопористый TiO₂

P3HT:

Поли(3-гекилтиофен)

PCE:

Коэффициент преобразования энергии

R_S:

Последовательное сопротивление

R_SH:

Шунтирующее сопротивление

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

UPS:

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия

UV-Vis:

Ультрафиолетово-видимый спектрометр

V_BI:

Встроенный потенциал

V_OC:

Разомкнутое напряжение

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция