Visokoučinkovita paralelna tandemska MoTe2/perovskitna solarna ćelija temeljena na reduciranom grafen oksidu kao transportni sloj rupa

Organsko-anorganski metalni hibridni perovskiti neprestano izazivaju izniman istraživački interes u fotonaponskoj zajednici zahvaljujući svojim iznimnim svojstvima poluvodiča kao što sulak proces izrade,duga difuzijska duljina1, dug životni vijek nosača2, pankromatska apsorpcija svjetlosti3, itd. Do danas je maksimalna učinkovitost pretvorbe energije (PCE) postignuta u jednospojnim perovskitnim solarnim ćelijama (PSC) bila čak 25,5 posto1. Kako bi se dodatno poboljšao PCE ograničen Shockley-Queisserovim (SQ) ograničenjem, slijedile su se neke različite strategije, naime, učinak umnožavanja nositelja za prikupljanje dodatne energije (hυ-Eg) fotona s energijom većom od razmaka (Eg)4 i višespojni apsorberi za prikupljanje fotona s energijom manjom od Npr5. Dok je još uvijek nepraktično i nedostižno dobiti PCE putem fenomena umnažanja nositelja, multijunkcijski (tandemski) PSC-ovi uspješno su postigli PCE od čak 29,15 posto6. Međutim, nadahnute postignućima analognih tandemskih PSC-ova, višespojnih solarnih ćelija temeljenih na GaAs i GaInP koje su dosegle maksimalni PCE od 38,8 posto7, još uvijek postojirastuće zanimanje za daljnje poboljšanje performansi multijunction PSC. To je potaknulo potragu zanovi materijali i arhitekture za multijunction PSC. 

Kliknite ovdje da biste saznali svojstva Cistanche protiv oksidacije

Poluvodički dihalkogenidi prijelaznih metala (TMD), uključujući MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 i WSe2, pojavljuju se kao vrlo impresivni apsorberi za solarne ćelije zahvaljujući svojim ultravisokim koeficijentima apsorpcije8, mehaničkoj fleksibilnosti9, visokoj mobilnosti nositelja10, zajedno s idealnim razmakom pojasa za fotonaponske aplikacije8. Naime, TMD sloj tanji od 20 nm može apsorbirati svjetlost čak deset puta veću od dobro poznatih poluvodiča s izravnim razmakom8. Dok su TMD-ovi, posebno MoS2, naširoko korišteni kao nosivi transportni slojevi (HTL) u PSC-ima11,12, nema izvješća o izvlačenju koristi od kapaciteta apsorpcije TMD-a kako bi se poboljšala učinkovitost apsorpcije svjetla u PSC-ima. Iako većina TMD-a ima gotovo istu veličinu razmaka pojasa kao perovskiti, masovni MoTe2 s razmakom pojasa od oko 1 eV bio bi komplementarni apsorbirajući materijal za perovskit za prikupljanje bliskog infracrvenog (NIR) raspona sunčeve svjetlosti. Snažna NIR apsorpcijska sposobnost MoTe2, zajedno s odsutnošću visećih veza na njegovoj površini, svojstvo TMD-a koje potječe iz njihove slabe van der Waalsove (vdW) međuslojne interakcije, podupire MoTe2 kao prikladnog kandidata za hetero strukturu s perovskitnim materijalima za tandem solarne ćelije13,14. Eksperimentalno gledano, dostupne isplative kemijske i mehaničke metode eksfolijacije omogućuju ujednačenu i homogenu pripremu tankog MoTe2 filma15,16. Stoga bi bilo vrijednije istražiti iskorištavanje MoTe2 materijala kao potpornog upijajućeg sloja, kako bi se iskoristila apsorpcija MoTe2.

Ovdje numerički predstavljamo i predlažemo planarni tip paralelnih višespojnih PSC s apsorbirajućim područjem napravljenim od tankog MoTe2 i CH3NH3PbI3. Glavni uređaj sastoji se od slojeva ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/ Spiro-OMeTAD/Ag, konfiguracije koja je također izrađena s MoS2 16. Izvrsno poželjno poravnanje vrpci MoTe2 s drugim slojevima, zajedno s njegovim visokim kapacitetom apsorpcije NIR, nevjerojatno utire put za postizanje veće fotonaponske učinkovitosti. U usporedbi s PSC-ovima s jednim spojem, predloženi uređaj daje povećanje PCE-a s 14,01 na 18,52 posto. Izvođenjem precizne numeričke analize performansi uređaja ovisnog o debljini MoTe2, dobivena je optimalna debljina od 25 nm, što je nekoliko redova amplitude tanje od prethodnih potpornih apsorbirajućih slojeva koji su do sada prijavljeni u multijunkcijskim PSC-ovima17.

Unatoč tome, dobro je utvrđena činjenica da je upotreba apsorbera s niskim rasponom pojasa štetna za napon otvorenog kruga (VOC) solarnih ćelija zbog ograničenog razdvajanja kvazi-fermijevih razina elektrona i šupljina. Isto tako, primijetili smo smanjenje Voc nakon pretvaranja strukture u uređaj s više spojeva. Kako bismo nadoknadili ove gubitke fotonapona, zamjenjujemo sloj smanjenog grafen oksida (rGO) sa Spiro-OMeTAD kao HTL kako bismo poboljšali izvlačenje rupa i transport. Izvanredno, rGO ploča poboljšava uređaj VOC i PCE do 0.928 odnosno 20.32 posto. Važno je napomenuti da je djelotvorna izvedba rGO sloja i kao međusloja i kao sloja za prijenos naboja dobro dokazana u PSC-ima18-23.

Osnovne jednadžbe i modeli

U ovom radu koristimo hibridni optički i električni model za izračun i procjenu predstavljenih struktura. Predstavljamo njihovu tradicionalnu formulaciju (tj. u frekvencijskoj domeni), a zatim raspravljamo o proširenju na vremensku domenu. Metoda konačnih elemenata (FEM) koristi se za rješavanje parcijalnih diferencijalnih jednadžbi (PDE).

Optički model.

Slika 1A prikazuje shematski dijagram naše osnovne planarne PSC sheme. Od vrha do dna, struktura je naslagana prozirnom indijskom kositromoksid(ITO) elektroda, kompaktni titandioksid(TiO2), sloj metilamonijevog olovo jodida perovskita (CH3NH3PBI3), sloj N, N-di(4-metoksifenil) amino]-9,9′-spirobifuorena (spiro-OMeTAD) i srebrna (Ag) stražnja elektroda. Upadno svjetlo ulazi u stanicu iz ITO sloja i perovskitni film je u određenoj mjeri apsorbira. Također, dolazna svjetlost doživljava višestruku refleksiju zbog stražnjeg Ag reflektora koji dovodi do povećanja apsorpcije. Za kvantitetu, međudjelovanje između elektromagnetskih valova i slojeva, kao i distribuciju električnog polja (E), riješena je Helmholtzova jednadžba (predstavljena kako slijedi):

strukture. Gopt formula je sljedeća,

gdje je ℏ reducirana Planckova konstanta, a ε" je imaginarni dio relativne permitivnosti. Kao što formula očito pokazuje, Gopt je proporcionalan kvadratu E intenziteta u određenoj valnoj duljini. Ukupna stopa generiranja (Gtot) može se izračunato integracijom Gopt-a preko propusnosti valne duljine upadne svjetlosti.

Električni model. Sljedeći dobro poznati J-V odnos koristi se za opisivanje električnih karakteristika sadašnjih PSC-ova:

kako bi se izračunale struje, treba riješiti sljedeće Poissonove jednadžbe i jednadžbe kontinuiteta preko uređaja:

Rezultati i rasprava

Kao što je ranije spomenuto, referentni PSC je napravljen od slojeva ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, Ag, kao što je prikazano na slici 1a. Slojevi ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag djeluju kao prednja prozirna elektroda, transportni sloj elektrona (ETL), apsorbirajući sloj, transportni sloj šupljina (HTL) i stražnja elektroda. Kroz ovaj rukopis, debljina slojeva ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag fiksna je na 50, 90, 200, 100 i 100 nm, redom. Slika 1b prikazuje dijagram energetskog pojasa komponenti u strukturi, odobravajući povoljno poravnanje pojasa za prijenos elektrona i šupljina preko uređaja. Strogo govoreći, znatan valentni pojas postavljen između perovskita (−5,48 eV) i ETL (−7,45 eV) učinkovito blokira ubrizgavanje rupa, dok je njihov vodljivi pojas dobro usklađen za prikupljanje pobuđenih elektrona u perovskitnom filmu. Nasuprot tome, poravnanje pojasa između CH3NH3PBI3 (−3,93 eV) i Spiro-OMeTAD (−1,95 eV) čini primjereno izvedivim prijenos šupljina u valentnom pojasu, dok sprječava prijenos elektrona u vodljivom pojasu. Ulazni parametri, vrijednosti zazora energetskog pojasa (Eg) i afiniteta prema elektronu (χ) svih komponenti odabrani su prema literaturi17,24,25, a njihove vrijednosti su indeksirane prema razini vakuuma. Crna krivulja na slici 1c prikazuje ukupnu apsorpciju u referentnom PSC. Podaci o indeksu loma TiO2, CH3NH3PBI3 i

spiro-OMeTAD preuzet je iz referenci 26–28. Plavo osjenčano područje na slici 1c prikazuje apsorpcijske spektre PSK u strukturi. Jasno je da sloj perovskita može apsorbirati sunčevu svjetlost samo preko 300–800 nm zbog svog pojasnog razmaka (1,55 eV), tako da se sva NIR svjetlost gubi. Kako bi se apsorpcija svjetla pomaknula izvan vidljivog raspona, ispod perovskitnog filma postavljen je ultratanki sloj MoTe2. Masovni MoTe2 poluvodič s malim neizravnim razmakom pojasa od oko 1,0 eV29 može proširiti apsorpciju svjetlosti na valne duljine do 1200 nm, kao što je naznačeno ružičasto osjenčanim područjem na slici 1c. Osim neizravnog razmaka, skupni MoTe2 ima dva dominantna izravna ekscitonska procjepa, nazvana A i B, oko 1,2 odnosno 1,5 eV30,31, koji određuju njegove apsorpcijske vrhove, kao što je prikazano na slici 1c. Nakon toga, crna krivulja na slici 1d prikazuje ukupni Gopt u uređaju. Potvrđuje učinkovitu apsorpciju svjetlosti koja je dovela do stvaranja nositelja u NIR rasponu. Plavo i ružičasto osjenčana područja na slici 1d otkrivaju doprinos PSK odnosno MoTe2 slojeva ukupnom Goptu. Kvantitativno, PSK i MoTe2 slojevi doprinose oko 61 posto odnosno 39 posto stvaranju nosača. Ovo poboljšanje generacije nositelja pomoću MoTe2 sloja moglo bi biti obećavajuće za poboljšanje performansi ćelije. Nadalje, MoTe2 sloj kao i drugi TMD materijali mogu igrati daljnje korisne uloge u poboljšanju performansi uređaja. Korisnost TMD-ova u PSC-ovima je proširena kako bi se olakšao učinkovit transport nosača32, produžila stabilnost16 i tako dalje33. Stoga su te prednosti popraćene njihovom niskom cijenom i jednostavnim postupkom pripreme—mehaničkim pilingom i prijenosom u uređaj, što potvrđuje njihovu učinkovitost u poboljšanju učinkovitosti PSK-a.

U ovoj simulaciji, indeks loma mase MoTe2 dobiven je iz Ref34. Također, u svim izračunima, ulazni izvor svjetlosti usklađen je sa spektrom AM1.5G. Širina pojasa valne duljine bira se od 300 do 1200 nm u rezoluciji od čak 20 nm. Periodični granični uvjet (PBC) koristi se za svaku stranu izolacijskog područja u strukturama, a strane sloja Au postavljene su na savršeni električni vodič (PEC). Donji i gornji kontakti smatraju se idealnim omskim i Schottkyjevim s površinskom rekombinacijskom brzinom od 107 cm/s. Nadalje, za preciznije razlučivanje polja oko tankog sloja primjenjuje se zamahnuta mreža. Tablica 1 uključuje sve optičke i električne ulazne vrijednosti korištene u simulacijama. Ovdje je εr dielektrična konstanta, NC i NV su efektivna gustoća stanja vodljivih i valentnih pojaseva, μn i μp su pokretljivosti elektrona i šupljina, χ je afinitet za elektrone, Eg je energija razmaka, NA i ND su gustoće akceptora i donora , a τn i τp su životni vijek elektrona i šupljine. Poznato je da su Te MoTe2 materijali prirodno dopirani P-om35. Osim toga, u masovnom ograničenju, poluvodički TMD nose životni vijek fotogeneriranih nositelja do nekoliko nanosekundi36,37.

Karakteristike gustoće struje i napona (J–V) našeg referentnog PSC-a pod uvjetima jednog sunca prikazane su na slici 2a. PSC pokazuje PCE od 14.01 posto, s Jsc od 15,20 mA/cm2, Voc od 1,14 V i FF od 0,81. Koristeći NIR svjetlost apsorbiranu u sloju MoTe2, Jsc se značajno povećava za 26,2 mA/cm2 u višespojnom PSC-u s optimiziranom debljinom MoTe2. No, Voc pada na 0,84 V zbog razdvajanja kvazi-fermijevih razina elektrona i rupa koje je sada ograničeno MoTe2 pojasnim razmakom. Sveukupno, bez obzira na to što je Voc uništen nakon umetanja MoTe2 sloja, poboljšanje Jsc uvelike prevladava nad smanjenjem Voc, što dovodi do primjetnog povećanja PCE s 14,01 posto na 18,52 posto. Ovom povećanju PCE također pridonosi odgovarajuće poravnanje trake između MoTe2 i sloja perovskita i HTL, kao što je prikazano na slici 2b. Doista, željeno poravnanje pojasa između apsorbirajućih slojeva može učinkovito ublažiti gubitak Voc-a u višespojnim PSC-ima kao rezultat poboljšanja prijenosa naboja i smanjenja rekombinacije naboja38. Kako bismo pružili širu perspektivu o sposobnosti TMD-a za apsorpciju svjetlosti, uspoređujemo apsorpcijski spektar sadašnje strukture s onim kada je sloj MoTe2 zamijenjen s tri druga TMD-a, WSe2, MoSe2 i MoS2, kao što je prikazano na slici 2c. Indeks loma i parametri vrpčne strukture WSe2, MoSe2 i MoS2 dobiveni su iz literature34,39–41. Dok svi TMD-ovi pokazuju snažnu interakciju svjetlost-materija pod svjetlosnim osvjetljenjem, njihovi pojasni razmaci pokrivaju širok raspon od 1-2 eV42. Ovdje WSe2 i MoSe2 s razmakom pojasa od oko 1,3 eV mogu apsorbirati širi spektar svjetlosti u usporedbi s MoS2 s razmakom pojasa od 1,45 eV. Od ovih, MoTe2 je očito sposobniji apsorbirati NIR svjetlost, što ga čini najboljim izborom za kaskadno povezivanje s PSK. Na slici 2d,e prikazana je interakcija između svjetlosnih električnih polja i različitih slojeva na valnoj duljini od 600 i 1000 nm. Može se vidjeti da sloj MoTe2 stupa u interakciju sa svjetlom kada je valna duljina postavljena na 1000 nm, dok je njegov doprinos apsorpciji svjetla u vidljivoj valnoj duljini od 600 nm zanemariv. Također je vrijedno znati da je korištenje TMD-a u PSC-ima pokazalo uspješne rezultate za povećanje stabilnosti16,43. S druge strane, TMD-ovi u svakoj debljini mogu se jednostavno pripremiti neosjetljivim na okoliš i nedestruktivnim pristupima kao što je suha ili tekuća faza eksfolijacije16, zatim prenijeti suhim ili mokrim metodama. Dakle, kombinacija PSK materijala i TMD-a može potencijalno poboljšati performanse PSC-a, ne samo u fotonaponskom radu, već i nestabilnosti

Kako bi se postigla vršna izvedba višespojnog PSC-a, provedena je analiza ovisnosti o izvedbi ćelije o debljini MoTe2, dok su ostali ulazni parametri u tablici 1. ostali nepromijenjeni. Prema slici 3, apsorpcija, stvaranje nositelja i fotonaponski parametri ćelije se mijenjaju kako se debljina MoTe2 povećava od 5 do 100 nm. Na slici 3a prikazani su apsorpcijski spektri četiriju različitih debljina sloja MoTe2 unutar višespojnog PSC-a. Kao što se i očekivalo, što je sloj MoTe2 deblji, to je veća apsorpcija svjetlosti u sloju MoTe2. Međutim, stopa apsorpcije svjetlosti postaje sporija kako se debljina MoTe2 povećava, sve dok ne dosegne zasićenje pri određenoj debljini. Iako MoTe2 apsorbira previše svjetlosti na dužim valnim duljinama oko 1100 nm, stvaranje nositelja je slabo na takvim valnim duljinama, kao što je prikazano na slici 3b. To se može pripisati efektu rezonantne šupljine i interferenciji koji igraju ulogu u apsorpcijskim spektrima, ali nemaju nikakav utjecaj na stvaranje nositelja. Kao što je prikazano na sl. 3c,d, fotonaponski parametri ćelije, PCE, Jsc, Voc i FF variraju s debljinom MoTe2. S povećanjem debljine MoTe2 sloja, Jsc postupno raste dok ne dosegne točku zasićenja. Suprotno tome, Voc se smanjuje kako se debljina MoTe2 povećava. Te Voc u početku doživljava brzi pad, a zatim stopa smanjenja postaje sporija s povećanjem debljine MoTe2. Opadajuća vrijednost Voc može se pripisati povećanju rekombinacije nositelja naboja u debljem apsorbirajućem sloju i povećanom serijskom otporu44. Kada je debljina apsorbirajućeg sloja manja od duljine difuzije nositelja, brzina rekombinacije nositelja značajno se smanjuje, što rezultira naglim povećanjem voc. S druge strane, nakon udaljenosti koja iznosi duljinu difuzije nositelja, dolazi do smanjenja Voc-a koje proizlazi iz povećanja rekombinacije nositelja. Također, vrijedi napomenuti da FF parametar ima zanemarivu ovisnost o debljini MoTe2. Posljedično, kao što je prikazano na slici 3d, PCE u početku prolazi kroz relativno intenzivno povećanje odgovora i na Voc i na JSC oštre promjene u tanjim debljinama MoTe2, a zatim doseže maksimum (~18,52 posto) pri debljini MoTe2 od 25 nm , a nakon toga pada kako je povećanje Jsc zasićeno.

Kako bismo kompenzirali destruktivni učinak paralelnog slaganja materijala s niskim i velikim razmakom između pojaseva, zamjenjujemo spiro sloj slojem rGO od 60 nm kako bismo poboljšali prijenos nositelja. Moguće je da grafen oksid (GO) i rGO mogu pružiti višestruku korist PSC-ima, naime poboljšanje stabilnosti, električne i toplinske vodljivosti45. Stoga su materijali naširoko korišteni za različite funkcije u PSC-ovima kao što su slojevi prijenosa nosača, međuslojevi iprozirni vodljivi oksidi. Ovdje je sloj GO odabran za umetanje kao HTL zbog svoje dobro usklađene vrpčaste strukture s rubovima vrpci susjednih slojeva. Parametri elektroničkog energetskog pojasa rGO dobiveni su iz Ref46. Kao što je prikazano na slici 4a, korisnost rGO kao HTL značajno poboljšava i FF i Voc do

{{0}}.89 odnosno 0.928 u usporedbi s multijunkcijskim PSC bez rGO sloja. Posljedično, daje PCE čak 20,32, oko 1,77 posto veći od višespojnog PSC-a sa spiro HTL-om. Značajno poboljšanje fotonaponske izvedbe u višespojnom PSC-u temeljenom na rGO-u posvećeno je učinkovitijem prijenosu naboja i boljem poravnanju energetskog pojasa, uz smanjenje povećanog serijskog otpora zahvaljujući očekivanom smanjenju rekombinacije naboja na sučelju.

Slika 4b uspoređuje fotonaponsku izvedbu višespojnog PSC-a s različitim HTL-ovima uključujući Spiro, PTAA, rGO i CuS materijale. Ulazni parametri ovih materijala prikazani su u tablici 2. rGO sloj djeluje kao HTL bolje od drugih materijala zbog svoje velike pokretljivosti rupa47, zajedno s lijepim poravnanjem trake s MoTe2. Suprotno tome, CuS nije dobro energetski usklađen s MoTe2, što dovodi do smanjenja HOS-a. Pojasni dijagram višespojnog PSC-a s različitim HTL-ovima prikazan je na slici 4c.

Pitajte za više:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950