Взгляд на фотоэлектрические свойства сульфида индия как материала для переноса электронов в перовскитных солнечных элементах

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9076 (2023) Цитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Согласно недавним отчетам, солнечные элементы из металлоорганических перовскитов с плоской структурой (OPSC) достигли замечательной эффективности преобразования энергии (PCE), что делает их очень конкурентоспособными по сравнению с более традиционными кремниевыми фотоэлектрическими элементами. Полное понимание OPSC и их отдельных частей по-прежнему необходимо для дальнейшего совершенствования PCE. В данной работе были предложены и смоделированы с помощью программы SCAPS (a Solar Cell Capacitance Simulator)-1D планарные гетеропереходы OPSC на основе сульфида индия (In2S3). Первоначально производительность OPSC была откалибрована с помощью экспериментально изготовленной архитектуры (FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au) для оценки оптимальных параметров каждого слоя. Численные расчеты показали существенную зависимость ПКЭ от толщины и плотности дефектов материала поглотителя МАПбИ3. Результаты показали, что по мере увеличения толщины слоя перовскита PCE постепенно улучшался, но впоследствии достигал максимума при толщинах более 500 нм. Более того, было признано, что параметры, включающие последовательное сопротивление, а также сопротивление шунта, влияют на работу OPSC. Самое главное, что в оптимистичных условиях моделирования был получен чемпионский PCE более 20%. В целом, OPSC работал лучше при температуре от 20 до 30 °C, а его эффективность быстро снижается при превышении этой температуры.

The scientific community has shown a great deal of interest in researching perovskite solar cells (OPSCs), which are mainly comprised of organic–inorganic metal halide compounds and are used to produce high-efficiency and inexpensive photovoltaic (PV) technologies1,2,3. These semiconductors have a number of important characteristics, including high charge carrier mobility, long carrier diffusion length, adjustable bandgaps, and a high absorption coefficient4,5,6,7. Due to such exceptional properties, photoconversion efficiency (PCE) values spiked substantially, from 3.8% in 2009 to over 25% in 20218, 25% conversion efficiency. Joule 5, 1033–1035 (2021)." href="#ref-CR9" id="ref-link-section-d8458561e671_1"> 9,10,11. По порядку OPSC имеет передний электрод, материал для переноса электронов (ETM), светособирающий слой, материал для переноса дырок (HTM) и задний электрод. Материал сборщика OPSC генерирует носители заряда под воздействием солнечного света12,13,14,15. Эти фотоносители доставляются к соответствующим электродам с помощью ЭТМ и НТМ. Актуальность материалов для переноса заряда имеет решающее значение для всех фотоэлектрических характеристик OPSC, в дополнение к роли перовскитного слоя. Например, диоксид титана (TiO2), распространенный ЭТМ, не подходит для изготовления крупных устройств, поскольку требует рабочей температуры более 400 °C. Использование TiO2 в высокоэффективных OPSC дополнительно ограничено плохой подвижностью электронов (µe) и УФ-нестабильностью материала16,17,18. Это подчеркивает необходимость поиска слоя-кандидата ETM с соответствующими свойствами, такими как высокий µe, хорошая электропроводность (σ) и возможность производства при низких температурах.

Компактные планарные PSC на базе ЭТМ имеют упрощенную компоновку и проще в изготовлении. TiO2 и ZnO широко использовались в качестве ЭТМ для OPSC с плоским контактом19,20,21,22,23. Тем не менее, планарные OPSC на основе компактированных TiO2 и ZnO часто демонстрируют низкую стабильность из-за ограниченной подвижности носителей материалов, выравнивания энергетических уровней с перовскитами и ловушек дефектов на поверхности24,25,26,27,28. В результате важно предоставить передовые компоненты ETM для OPSC. Сульфид индия (In2S3) представляет собой полупроводник n-типа с превосходной подвижностью носителей, нетоксичностью, достаточной запрещенной зоной, регулируемыми электрическими свойствами и хорошей термической стойкостью29,30, все из которых идеально подходят для использования в качестве ЭТМ в солнечных элементах31,32. Установив период химического осаждения в ванне до 2 часов, Hou et al. смогли построить массив наночешуек In2S3 в качестве ETM для OPSC CH3NH3PbI3, достигнув производительности 18,22%. Однако долговременная стабильность In2S3-OPSC в этой работе не исследовалась30. Год спустя Сюй и др. подготовили листы In2S3 в качестве ЭТМ для устройств CH3NH3PbI3, используя сольвентно-термический подход в течение 2 часов, и достигли эффективности 18,83%33. Впоследствии Ян и др. предпринял дальнейшие усилия по использованию пленки In2S3 и разработал метод осаждения распылением в качестве ETM для полупрозрачных OPSC CsPbIBr2. Оптимизированные устройства получили производительность 5,59% при улучшенной стабильности окружающей среды34. Между тем, насколько мы можем судить, о теоретических исследованиях, касающихся использования In2S3 в качестве ЭТМ в перовскитных солнечных элементах, не сообщалось.