Cèl·lula solar paral·lela tàndem MoTe2/perovskita d'alt rendiment basada en òxid de grafè reduït com a capa de transport de forats

Les perovskites híbrides de metalls orgànics-inorgànics han despertat constantment un interès extraordinari de recerca en la comunitat fotovoltaica a causa de les seves propietats excepcionals de semiconductors, com araprocés de fabricació fàcil,llargada de difusió1, llarga vida útil del portador2, absorció pancromàtica de la llum3, etc. Fins ara, la màxima eficiència de conversió d'energia (PCE) aconseguida a les cèl·lules solars de perovskita d'unió única (PSC) ha arribat al 25,5 per cent.1. Per millorar encara més el PCE restringit pel límit de Shockley-Queisser (SQ), es van seguir algunes estratègies diferents, és a dir, l'efecte de multiplicació del portador per recollir l'energia addicional (hυ-Eg) dels fotons amb una energia més gran que el bandgap (Eg)4 i absorbents multiunió per recollir fotons amb energia més petita que per exemple5. Mentre que encara és poc pràctic i difícil d'obtenir el PCE mitjançant fenòmens de multiplicació de portadors, els PSC multijunction (tandem) han aconseguit amb èxit un PCE tan gran com el 29,15 per cent.6. No obstant això, inspirat en els assoliments dels homòlegs de cèl·lules solars multiunió basades en GaAs i GaInP que han arribat a un PCE màxim del 38,8 per cent.7, encara hi ha uninterès creixent en la millora addicional del rendiment del PSC multijunction. Això ha estimulat la recercanous materials i arquitectures per a PSC multiunió. 

Feu clic aquí per conèixer les propietats anti-oxidació de Cistanche

Els dicalcogenurs de metalls de transició (TMD) semiconductors, inclosos MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 i WSe2, estan sorgint com a absorbents molt impressionants per a cèl·lules solars a causa dels seus coeficients d'absorció ultraelevats8, flexibilitat mecànica9, alta mobilitat del portador10, juntament amb un bandgap ideal per a la fotovoltaica. aplicacions 8. En particular, una capa de TMD més prima de 20 nm és capaç d'absorbir la llum fins i tot deu vegades més gran que els coneguts semiconductors directes de bandgap8. Tot i que els TMD, especialment MoS2, s'han utilitzat àmpliament com a capes de transport portador (HTL) als PSC11,12, no hi ha cap informe que obtingui un benefici de la capacitat d'absorció dels TMD per millorar l'eficiència d'absorció de la llum en els PSC. Tot i que la majoria dels TMD tenen gairebé la mateixa magnitud de banda intercalada que les perovskites, el MoTe2 a granel amb un interval de banda d'al voltant d'1 eV seria un material absorbent complementari perquè la perovskita reculli el rang de llum solar de l'infraroig proper (NIR). La forta capacitat d'absorció de NIR de MoTe2, juntament amb l'absència d'enllaços penjants a la seva superfície, una propietat dels TMD que s'originen a partir de la seva feble interacció entre capes de Van der Waals (vdW), sustenten MoTe2 com a candidat adequat per ser heteroestructurat amb materials perovskites. per a cèl·lules solars en tàndem13,14. Experimentalment, els mètodes d'exfoliació químics i mecànics rendibles disponibles permeten una preparació uniforme i homogènia de pel·lícules primas de MoTe215,16. Per tant, seria més valuós explorar l'explotació dels materials MoTe2 com a capa absorbent de suport, per beneficiar-se de l'absorció de MoTe2.

Aquí, presentem i proposem numèricament un tipus Planar de PSC multiunió paral·lel amb una regió absorbent formada per un MoTe2 prim i CH3NH3PbI3. El dispositiu principal està format per capes ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/Spiro-OMeTAD/Ag, una configuració que també es va fabricar amb MoS2 16. L'alineació de banda excel·lentment desitjable de MoTe2 amb altres capes, juntament amb la seva alta capacitat d'absorció de NIR, obre el camí de manera notable per aconseguir una major eficiència fotovoltaica. En comparar-se amb els PSC d'unió única, el dispositiu proposat produeix un augment del PCE del 14,01 al 18,52 per cent. Mitjançant una anàlisi numèrica precisa del rendiment del dispositiu depenent del gruix de MoTe2, es va obtenir un gruix òptim de 25 nm, que és diversos ordres d'amplitud més prim que les capes absorbents de suport anteriors fins ara informades a les PSC multijunction17.

No obstant això, és un fet ben establert que la utilització d'un absorbidor de banda bretxa baixa és perjudicial per a la tensió de circuit obert (VOC) de les cèl·lules solars a causa de la limitada separació de nivell quasi fermi d'electrons i forats. Així mateix, hem observat una reducció de Voc després de convertir l'estructura en un dispositiu multiunió. Per compensar aquestes pèrdues de fotovoltatge, substituïm una làmina d'òxid de grafè reduït (rGO) per Spiro-OMeTAD com a HTL per millorar l'extracció i el transport del forat. De manera excepcional, el full rGO millora el VOC i el PCE del dispositiu fins a 0,928 i 20,32 per cent, respectivament. Cal destacar que el rendiment eficaç de la capa rGO tant com a capa intercapa com a capa de transport de càrrega ha estat ben demostrat a PSCs18–23.

Equacions i models bàsics

En aquest treball, utilitzem un model híbrid òptic i elèctric per calcular i avaluar les estructures presentades. Presentem la seva formulació tradicional (és a dir, en el domini de la freqüència) i després discutim l'extensió al domini del temps. S'utilitza un mètode d'elements finits (FEM) per resoldre les equacions en derivades parcials (PDE).

Model òptic.

La figura 1A mostra el diagrama esquemàtic del nostre esquema bàsic de PSC pla. De dalt a baix, l'estructura està apilada per una llauna d'indi transparentòxid(ITO), un elèctrode compacte de titanidiòxid(TiO2), una pel·lícula de perovskita de iodur de plom de metilamoni (CH3NH3PBI3), una capa de N, N-di(4-metoxifenil) amino]{-9,9′-espirobifuorè (espiro-OMeTAD) i una capa elèctrode posterior de plata (Ag). La llum incident entra a la cèl·lula des de la capa d'ITO i és absorbida per la pel·lícula de perovskita fins a cert punt. A més, la llum entrant experimenta una multirefecció a causa del reflector Ag posterior que dóna lloc a una millora de l'absorció. Quant a la quantitat, la interacció entre les ones electromagnètiques i les capes, així com la distribució del camp elèctric (E), es va resoldre l'equació de Helmholtz (representada de la següent manera):

de l'estructura. La fórmula de Gopt és la següent:

on ℏ és la constant de Planck reduïda i ε" és la part imaginària de la permitivitat relativa. Com la fórmula indica òbviament, Gopt és proporcional al quadrat de la intensitat E en una determinada longitud d'ona. La taxa de generació total (Gtot) pot ser calculat integrant Gopt sobre una amplada de banda de longitud d'ona de llum incident.

Model elèctric. La següent relació J-V coneguda s'utilitza per descriure les característiques elèctriques dels PSC actuals:

Per calcular els corrents, s'han de resoldre les equacions de Poisson i de continuïtat següents al dispositiu:

Resultats i discussió

Com s'ha esmentat anteriorment, el PSC de referència està format per capes d'ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, Ag, com es demostra a la figura 1a. Les capes ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag actuen com a elèctrode transparent frontal, capa de transport d'electrons (ETL), capa absorbent, capa de transport de forats (HTL) i elèctrode posterior, respectivament. Al llarg d'aquest manuscrit, el gruix de les capes d'ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag es fixa a 50, 90, 200, 100 i 100 nm, respectivament. La figura 1b mostra el diagrama de bandes d'energia dels components de l'estructura, aprovant una alineació de bandes favorable per a la transferència d'electrons i forats a través del dispositiu. En sentit estricte, la gran banda de valència del conjunt entre perovskita (−5,48 eV) i ETL (−7,45 eV) bloqueja eficaçment la injecció del forat, mentre que la seva banda de conducció està ben alineada per recollir els electrons excitats a la pel·lícula de perovskita. Per contra, l'alineació de la banda entre CH3NH3PBI3 (−3,93 eV) i Spiro-OMeTAD (−1,95 eV) fa adequadament factible la transferència de forats a la banda de valència, mentre que impedeix la transferència d'electrons a la banda de conducció. Els paràmetres d'entrada, els valors de la bretxa de banda d'energia (Eg) i l'afinitat electrònica (χ) de tots els components es trien segons la literatura17,24,25 i els seus valors s'indexen al nivell de buit. La corba negra de la figura 1c mostra l'absorció total en el PSC de referència. Les dades de l'índex de refracció de TiO2, CH3NH3PBI3 i

spiro-OMeTAD es pren de les referències 26-28. L'àrea blava de la figura 1c manifesta els espectres d'absorció de PSK a l'estructura. Està clar que la capa de perovskita només pot absorbir la llum solar més de 300–800 nm a causa de la seva banda intermitent (1,55 eV), de manera que es malgasta tota la llum NIR. Per empènyer l'absorció de la llum més enllà del rang visible, es col·loca una capa ultrafina de MoTe2 a sota de la pel·lícula de perovskita. El semiconductor MoTe2 a granel dotat d'un petit interval de banda indirecte d'uns 1, 0 eV29 és capaç d'estendre l'absorció de la llum a longituds d'ona de fins a 1200 nm, tal com indica la regió ombrejada rosa de la figura 1c. A més d'un bandgap indirecte, el MoTe2 a granel gaudeix de dos buits excitònics directes dominants, anomenats A i B, al voltant d'1, 2 i 1, 5 eV, respectivament30,31, que especifiquen els seus pics d'absorció, tal com apareix a la figura 1c. Posteriorment, la corba negra de la figura 1d mostra el Gopt total del dispositiu. Confirma una absorció eficient de la llum que va conduir a la generació de portadors en el rang NIR. Les àrees ombrejades en blau i rosa de la figura 1d revelen la contribució de les capes PSK i MoTe2, respectivament, al Gopt total. Quantitativament, les capes PSK i MoTe2 contribueixen al voltant del 61% i el 39% de la generació de portadors, respectivament. Aquesta millora de la generació de portadors per part de la capa MoTe2 podria ser prometedora per a la millora del rendiment cel·lular. A més, la capa MoTe2, com altres materials TMD, pot tenir altres funcions avantatjoses per augmentar el rendiment del dispositiu. La utilitat dels TMD en els PSC s'ha ampliat per facilitar el transport eficient del transportista32, allargar l'estabilitat16, etc.33. Per tant, aquests avantatges s'acompanyen del seu baix cost i un procés de preparació fàcil: exfoliació mecànica i transferència a un dispositiu, demostrant la seva eficàcia en una millora de l'eficiència de PSK.

En aquesta simulació, es va obtenir l'índex de refracció de MoTe2 a granel a partir de Ref34. A més, en tots els càlculs, la font de llum d'entrada s'ajusta a l'espectre AM1.5G. L'amplada de banda de la longitud d'ona es tria entre 300 i 1200 nm amb una resolució de fins a 20 nm. La condició de límit periòdica (PBC) s'utilitza per a cada costat de la regió aïllant de les estructures i els costats de la capa Au s'estableixen en un conductor elèctric perfecte (PEC). Els contactes inferior i superior es consideren ohmics i Schottky ideals amb una velocitat de recombinació superficial de 107 cm/s, respectivament. A més, s'aplica una malla escombrada per resoldre amb més precisió els camps al voltant de la capa fina. La taula 1 inclou tots els valors d'entrada òptics i elèctrics utilitzats en les simulacions. Aquí, εr és la constant dielèctrica, NC i NV són la densitat efectiva dels estats de conducció i les bandes de valència, μn i μp són mobilitats d'electrons i forats, χ és l'afinitat electrònica, Eg és l'energia de banda intercalada, NA i ND són densitats acceptors i donants. , i τn i τp són vides d'electrons i forats, respectivament. Se sap que els materials MoTe2 estan dopats amb P de manera natural35. A més, en el límit a granel, els TMD semiconductors tenen vides de portadora fotogenerades de fins a uns pocs nanosegons36,37.

Les característiques de densitat-tensió de corrent (J-V) del nostre PSC de referència sota una condició solar es mostren a la figura 2a. El PSC mostra un PCE de 14,01 per cent, amb Jsc de 15,20 mA/cm2, Voc d'1,14 V i FF de 0,81. Beneficiant la llum NIR absorbida a la capa de MoTe2, Jsc augmenta considerablement en 26,2 mA/cm2 al PSC multiunió amb un gruix optimitzat de MoTe2. Però, el Voc cau a 0,84 V a causa de la separació del nivell quasi fermi d'electrons i forats ara està restringida pel bandgap de MoTe2. En conjunt, malgrat que el Voc es destrueixi després d'inserir la capa MoTe2, la millora de Jsc predomina molt sobre la reducció de Voc, donant lloc a un augment notable del PCE del 14,01% al 18,52%. Aquest augment de PCE també ve contribuït per una alineació de banda adequada entre MoTe2 i la capa de perovskita i HTL, tal com s'indica a la figura 2b. De fet, l'alineació de la banda desitjada entre les capes absorbents pot mitigar eficaçment la pèrdua de Voc en les PSC multiunió com a resultat de la millora del transport de càrrega i la reducció de la recombinació de càrrega38. Per tal de proporcionar una perspectiva més àmplia sobre la capacitat d'absorció de llum del TMD, comparem l'espectre d'absorció de l'estructura actual amb quan la capa de MoTe2 va ser substituïda per altres tres TMD, WSe2, MoSe2 i MoS2, tal com es mostra a la figura 2c. Els paràmetres de l'índex de refracció i l'estructura de la banda de WSe2, MoSe2 i MoS2 s'obtenen de la literatura34,39-41. Tot i que tots els TMD mostren una forta interacció llum-matèria sota il·luminació lluminosa, els seus intervals de banda cobreixen un ampli rang d'1 a 2 eV42. Aquí, WSe2 i MoSe2 amb un interval de banda d'uns 1,3 eV poden absorbir un espectre de llum més ampli en comparació amb MoS2 amb un interval de banda d'1,45 eV. D'aquests, MoTe2 és clarament més capaç d'absorbir la llum NIR, per la qual cosa és la millor opció per ser en cascada amb el PSK. La figura 2d,e mostra la interacció entre els camps elèctrics lleugers i diferents capes a la longitud d'ona de 600 i 1000 nm. Es pot veure que la capa de MoTe2 interacciona amb la llum quan la longitud d'ona s'estableix a 1000 nm, mentre que la seva contribució a l'absorció de la llum a la longitud d'ona visible de 600 nm és insignificant. També val la pena saber que la utilització de TMD en PSC ha mostrat resultats satisfactoris per millorar l'estabilitat16,43. D'altra banda, els TMD de cada gruix es poden preparar fàcilment mitjançant enfocaments insensibles al medi ambient i no destructius, com ara l'exfoliació en fase seca o líquida16, i després transferir-se mitjançant mètodes secs o humits. Així, una combinació de materials PSK i TMD pot millorar potencialment el rendiment del PSC, no només en el funcionament fotovoltaic sinó també en la inestabilitat.

Per aconseguir el rendiment màxim del PSC multijunction, s'ha dut a terme una anàlisi de la dependència del rendiment de la cèl·lula del gruix de MoTe2, mentre que altres paràmetres d'entrada de la taula 1 es mantenen sense canvis. Segons la figura 3, els paràmetres d'absorció, generació de portadors i fotovoltaics de la cèl·lula canvien a mesura que el gruix de MoTe2 augmenta de 5 a 100 nm. La figura 3a mostra els espectres d'absorció de quatre gruixos diferents de la capa de MoTe2 dins del PSC multiunió. Com era d'esperar, com més gruixuda sigui la capa de MoTe2, més absorció de llum a la capa de MoTe2. No obstant això, la velocitat d'absorció de la llum es fa més lenta a mesura que augmenta el gruix de MoTe2, fins que s'arriba a la saturació a un determinat gruix. Tot i que el MoTe2 absorbeix massa llum a les longituds d'ona més llargues al voltant de 1100 nm, la generació de portadors és pobre a aquestes longituds d'ona, tal com es mostra a la figura 3b. Això es pot atribuir a l'efecte de la cavitat ressonant i la interferència que tenen un paper en els espectres d'absorció, però no exerceixen cap influència en la generació de portadors. Com es mostra a la figura 3c, d, els paràmetres fotovoltaics de la cèl·lula, PCE, Jsc, Voc i FF varien amb el gruix de MoTe2. Amb l'augment del gruix de la capa de MoTe2, el Jsc augmenta gradualment fins a arribar a un punt de saturació. Per contra, el Voc es redueix a mesura que augmenta el gruix de MoTe2. Te Voc experimenta inicialment una disminució ràpida i després la velocitat de disminució es fa més lenta amb l'augment del gruix de MoTe2. El valor decreixent de Voc es pot assignar a un augment de la recombinació del portador de càrrega a la capa absorbent més gruixuda i a l'augment de la resistència en sèrie44. Quan el gruix de la capa absorbent és menor que la longitud de difusió del portador, la taxa de recombinació del portador disminueix significativament, donant lloc a un fort augment del COV. D'altra banda, després d'una distància tant com la longitud de difusió del portador, es produeix una reducció de Voc derivada de l'augment de la recombinació del portador. A més, val la pena assenyalar que el paràmetre FF té una dependència insignificant del gruix de MoTe2. En conseqüència, tal com s'indica a la figura 3d, el PCE experimenta inicialment un augment relativament intens en la resposta a canvis bruscos tant de Voc com de JSC en els gruixos de MoTe2 més prims i després arriba a un màxim (~ 18,52 per cent) al gruix de MoTe2 de 25 nm. , i posteriorment, disminueix a mesura que l'augment de Jsc es satura.

Per compensar l'efecte destructiu de l'apilament paral·lel de materials de banda baixa i alta, substituïm la capa spiro per una capa rGO de 60 nm per millorar la transferència del portador. Sens dubte, l'òxid de grafè (GO) i rGO poden oferir múltiples beneficis als PSC, és a dir, la millora de l'estabilitat, la conductivitat elèctrica i tèrmica45. Per tant, els materials es van utilitzar àmpliament per a diferents funcions en PSC, com ara capes de transport de transportadors, capes intercalades iòxids conductors transparents. Aquí, la capa GO es selecciona per inserir-la com a HTL a causa de la seva estructura de banda ben alineada amb les vores de banda de les capes adjacents. Els paràmetres de banda d'energia electrònica de rGO s'obtenen a partir de Ref46. Com es mostra a la figura 4a, la utilitat de rGO com a HTL millora notablement tant FF com Voc fins a

{{0}},89 i 0,928, respectivament, en la comparació amb el PSC multiunió sense la capa rGO. En conseqüència, produeix un PCE tan alt com 20,32, al voltant d'un 1,77 per cent més gran que el PSC multiunió amb Spiro HTL. La millora significativa del rendiment fotovoltaic en el PSC multijunction basat en rGO es dedica a un transport de càrrega més eficient i una millor alineació de la banda d'energia, juntament amb una reducció de la resistència en sèrie augmentada a causa de la reducció esperada de recombinació de càrrega a la interfície.

La figura 4b compara el rendiment fotovoltaic del PSC multiunió amb diferents HTL, inclosos els materials Spiro, PTAA, rGO i CuS. Els paràmetres d'entrada d'aquests materials es mostren a la taula 2. La capa rGO actua com a HTL millor que altres materials a causa de la seva alta mobilitat de forats47, juntament amb una bona alineació de banda amb MoTe2. Per contra, CuS no està ben alineat energèticament amb MoTe2, la qual cosa condueix a una reducció de VOC. El diagrama de bandes del PSC multiunió amb diferents HTL es mostra a la figura 4c.

Demana més:

Correu electrònic:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: més 86 15292862950