Блог

May 09, 2023

AgSCN как новый материал, транспортирующий дырки, для инвертированных перовскитных солнечных элементов

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7939 (2023) Цитировать эту статью

1071 Доступов

85 Альтметрика

Подробности о метриках

Новый HTM на основе тиоцианата серебра (AgSCN) был разработан для использования в штыревых перовскитных солнечных элементах (PSC). AgSCN с массовым выходом был синтезирован в лаборатории и определен методами XRD, XPS, рамановской спектроскопии, UPS и TGA. Производство тонких высококонформных пленок AgSCN, которые позволяют быстро извлекать и собирать носители, стало возможным благодаря быстрому удалению растворителя. Эксперименты по фотолюминесценции показали, что добавление AgSCN улучшает способность переноса зарядов между HTL и слоем перовскита по сравнению с PEDOT:PSS на границе раздела. Кристаллографические несоответствия в пленке поликристаллического перовскита обнаружены при дальнейшем исследовании микроструктуры и морфологии пленки, что указывает на развитие темплатного перовскита на поверхности AgSCN. По сравнению с устройствами на основе известного PEDOT:PSS, AgSCN с его высокой работой выхода увеличивает напряжение холостого хода (VOC) на 0,1–1,14 В (1,04 В для PEDOT:PSS). При эффективности преобразования энергии (PCE) 16,66% высокопроизводительные PSC эффективно генерируются с использованием перовскита CH3NH3PbI3 по сравнению с 15,11% для управляемых устройств PEDOT:PSS. Неорганический HTL, обработанный в растворе, был продемонстрирован с помощью простого использования для создания прочных и эффективных модулей PSC с гибкими штырями или их использования в качестве передней ячейки в гибридных тандемных солнечных элементах.

За последнее десятилетие исследования перовскитных солнечных элементов (PSC) прошли долгий путь. PSC достигла высокой степени эффективности преобразования энергии (PCE), более 25,7%; тем не менее, различные проблемы, в том числе низкая стабильность и высокая стоимость, продолжают препятствовать его практическому развертыванию1,2,3,4. Традиционный стандартный PSC состоит из проводящей подложки TCO (ITO или FTO), слоя переноса/экстракции электронов (ETL), слоя поглотителя из перовскита, слоя переноса/экстракции дырок (HTL) и заднего контакта в качестве электрода5,6. . Из-за их успешной способности переноса/извлечения дырок и настройки интерфейса, которые препятствуют переносу электронов от слоя поглотителя (перовскита) к металлическим анодам (материалам для транспорта дырок (HTM) или HTL), важны для эффективных PSC7. Усовершенствованные HTM, такие как PTAA, Spiro-MeOTAD и PEDOT: PSS, доступны для коммерциализации уже сегодня8,9,10. Однако ограниченная кристалличность, плохая мобильность, высокая стоимость и потенциальное ухудшение качества воздуха из-за влажности — это лишь некоторые проблемы этих органических HTM11,12. Неорганические, термически и химически совместимые альтернативы при низких температурах обработки и очень стабильные встречаются крайне редко13,14. Создание обновленных, недорогих и удобных в использовании альтернатив HTM для высокоэффективных PSC, безусловно, является обязательным. Соответствующие НТМ требуют высокой подвижности, наивысшей степени энергии занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) и стабильных химических/физических свойств14,15. Учитывая их высокую мобильность, стабильность, простоту синтеза и низкую стоимость, неорганические полупроводники p-типа являются лучшим вариантом, чем органические HTM13,14,16.

Органический дырочный проводник PEDOT:PSS17 заменен неорганическим материалом HTM p-типа на основе инвертированных плоских PSC. Поскольку VOC плоского гетероперехода PSC в значительной степени определяется через границу раздела перовскиты/переносящие заряд промежуточные слои, возможные потери энергии на границе между PEDOT: PSS и CH3NH3PbI3 приводят к снижению VOC18. Например, по сравнению с PEDOT:PSS CuSCN отличается энергетическими уровнями VB = - 5,3 эВ и CB = - 1,8 эВ, что соответствует CH3NH3PbI3 (VB = - 5,4 эВ). Более того, CuSCN обеспечивает лучшую прозрачность во всем диапазоне УФ-Вид-БИК с широкой запрещенной зоной (Eg) 3,6 эВ, что позволяет фотоактивным материалам поглощать больше света в инвертированной структуре для генерации более высокого фототока19. В этом исследовании AgSCN используется в качестве замены CuSCN20 неорганическим HTM. Примечательно, что, за исключением их использования в качестве источника легирования Cu и Ag в дополнительном солнечном элементе на основе дихалькогенида металла (CdTe)21, CuSCN и AgSCN, обработанные в растворе, не были зарегистрированы как неорганические PSC на основе HTL. Преимущества CuSCN заключаются в том, что он может служить как дырочно-транспортным слоем, так и источником легирования Cu, тогда как AgSCN, обладая большим удельным сопротивлением, может служить просто источником легирования Ag с более медленной скоростью диффузии21. В Таблице S1 (SI) мы суммировали фотоэлектрические параметры инвертированных PSC на основе CuSCN как неорганического HTM за период 2015–2020 гг., Чтобы обеспечить эффективность по сравнению с новыми результатами AgSCN. Известно, что CuSCN состоит из Cu+, который менее стабилен, чем Cu2+, и нежелателен по химической стабильности. Структура зависит от энтальпии ионов, когда они связываются с другими молекулами (энергия гидратации). Ион Cu2+ имеет более высокую плотность заряда, чем ион Cu+, создавая гораздо более прочные связи, которые выделяют дополнительную энергию22,23,24.