Градиентно-инженерированный светопоглощающий слой повышает разделение носителей и эффективность в перовскитных солнечных элементах

Аннотация

Поведение переноса носителей в перовскитном светопоглощающем слое значительно влияет на производительность перовскитных солнечных элементов (PSCs). В этой работе сниженные потери рекомбинации носителей достигнуты за счет проектирования зонной структуры в перовскитных материалах. Ультротонкая (PbI₂/PbBr₂)ₙ пленка с градиентным отношением толщин осаждена как предшественник свинцовых галогидов методом термического испарения, и PSCs с градиентной зонной структурой в перовскитном поглощающем слое изготовлены двухстадийным методом в атмосфере окружающей среды. Для сравнения также изготавливались PSCs с однородными перовскитными материалами MAPbI₃ и MAPbIₓBr₃₋ₓ. Обнаружено, что градиентная тип-II зонная структура значительно сокращает время жизни носителей и повышает эффективность разделения носителей. В результате PSCs с градиентной зонной структурой демонстрируют среднюю эффективность преобразования энергии 17,5 %, что на 1-2 % выше традиционных PSCs. Эта работа предоставляет новый метод разработки высокоэффективных PSCs.

Введение

За последние 10 лет перовскитные солнечные элементы (PSCs) стали фокусом внимания в энергетической сфере из-за их высокой эффективности и низкой стоимости. Многие усилия сосредоточены на улучшении производительности элементов или эффективности преобразования энергии (PCE). Как известно, производительность элемента по сути зависит от эффективности преобразования инцидентных фотонов в электроны (IPCE) и эффективности поглощения света, тогда как эффективное разделение носителей — ключ к улучшению IPCE. Следовательно, становится критически важным контроль транспорта фотосгенерированных носителей в перовскитных материалах. В традиционных планарных PSCs носители (или пары электрон-дырка) разделяются на границе между электронно-транспортным слоем (ETL) и перовскитным материалом, и только носители, диффундирующие к границе разделения, могут влиять на производительность элемента. Поэтому много работы посвящено снижению рекомбинации носителей во время их диффузии. Различные методы, такие как растворительный отжиг, аддитивная инженерия, поверхностная пассивация и др., применялись для улучшения кристаллического качества перовскита. На самом деле, контроль зонного выравнивания — альтернативный метод снижения потерь рекомбинации. Например, Цзян Чжан и соавт. вводили подвижные ионы Li⁺/I⁻ в MAPbI₃, и агрегация Li⁺/I⁻ настраивала энергетический уровень перовскита, что делало извлечение зарядов из перовскитных материалов в оба ETL и дырочно-транспортный слой (HTL) в PSCs весьма эффективным. Интересно, что зонная структура органометаллических галогенперовскитов может быть легко настроена изменением компонента или содержания галогенного элемента в перовскитных материалах. Например, Чжан и соавт. изготовили MAPbI₃/MAPbIₓBr₃₋ₓ гетероструктуру с тип-II зонной структурой и достигли HTL-свободных PSCs. По сути, идеальный подход — напрямую снизить потери рекомбинации через проектирование градиентной зонной структуры в перовскитном светопоглощающем слое, что поддерживает разделение носителей максимально быстро. Однако, на наш лучший знание, доселе не сообщалось о фабрикации перовскитных материалов с градиентной зонной структурой.

В этой работе ультротонкие PbI₂ и PbBr₂ пленки чередовано осаждали на подложку как предшественники свинцовых галогидов методом термического испарения, и PSCs с градиентно-инженерированным перовскитным поглощающим слоем изготавливали путем постепенной настройки отношения толщин PbI₂ к PbBr₂ пленок. Для сравнения также изготавливались PSCs с однородными перовскитными материалами MAPbI₃ и MAPbIₓBr₃₋ₓ. SEM, EDS, XRD, поглощения спектры, PL спектры и TRPL спектры выполнялись для исследования морфологий, распределения элементов, кристаллических структур, химических составов, оптических свойств и времени жизни носителей перовскитных материалов. Обнаружено, что градиентная зонная структура в перовскитном светопоглощающем слое значительно сокращает время жизни носителей и повышает эффективность разделения носителей. В результате PSCs с градиентной зонной структурой демонстрируют среднюю эффективность преобразования энергии 17,5 %, что на 1-2 % выше традиционных PSCs.

Экспериментальная секция

Ступенчатое изменение толщины канала повышает эффективность DG TFET: симуляционное исследование Высокопроизводительная многоуровневая резистивная память на KCl-усиленных пленках MAPIC на ITO-стекле