Високопродуктивна паралельна тандемна сонячна батарея MoTe2/перовскіт на основі відновленого оксиду графену як транспортний шар дірок

Органіко-неорганічні металеві гібридні перовскіти постійно викликають надзвичайний дослідницький інтерес у фотоелектричній спільноті завдяки своїм винятковим напівпровідниковим властивостям, таким якпростий процес виготовлення,велика довжина дифузії1, тривалий термін служби носія2, панхроматичне поглинання світла3і т. д. На сьогоднішній день максимальна ефективність перетворення електроенергії (PCE), досягнута в одноперехідних перовскітових сонячних елементах (PSC), становить 25,5 відсотка.1. Для подальшого посилення PCE, обмеженого обмеженням Шоклі–Квейссера (SQ), використовувалися деякі інші стратегії, а саме ефект множення носіїв для збору додаткової енергії (hυ-Eg) фотонів з енергією, більшою за ширину забороненої зони (Eg)4 і багатоперехідні поглиначі для збору фотонів з енергією, меншою за Eg5. У той час як отримати PCE за допомогою множення несучих все ще є непрактичним і важкодосяжним, багатоперехідні (тандемні) PSC успішно досягли PCE до 29,15 відсотка.6. Однак, натхненні досягненнями аналогів тандемних PSC, багатоперехідних сонячних елементів на основі GaAs і GaInP, які досягли максимального PCE 38,8 відсотка7, ще єзростаючий інтерес до подальшого вдосконалення продуктивності багатоперехідних PSC. Це підштовхнуло пошукинові матеріали та архітектури для багатоперехідних PSC. 

Натисніть тут, щоб дізнатися про властивості Cistanche проти окислення

Напівпровідникові дихалькогеніди перехідних металів (TMD), включаючи MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 та WSe2, стають надзвичайно вражаючими поглиначами для сонячних елементів завдяки своїм надвисоким коефіцієнтам поглинання8, механічній гнучкості9, високій мобільності носіїв10, а також ідеальній забороненій зоні для фотоелектричних програми8. Примітно, що шар TMD товщиною менше 20 нм здатний поглинати світло навіть у десять разів більше, ніж добре відомі прямозонні напівпровідники8. Хоча TMDs, особливо MoS2, широко використовуються як несучі транспортні шари (HTL) у PSC 11, 12, немає жодних повідомлень про отримання переваг від поглинальної здатності TMDs для підвищення ефективності поглинання світла в PSC. Хоча більшість TMD мають майже таку саму величину забороненої зони, що й перовскіти, об’ємний MoTe2 із шириною забороненої зони близько 1 еВ буде додатковим поглинаючим матеріалом для перовскіту для збору ближнього інфрачервоного (NIR) діапазону сонячного світла. Сильна здатність MoTe2 до поглинання в ближньому інфрачервоному випромінюванні разом із відсутністю висячих зв’язків на його поверхні, властивістю TMD, яка походить від їхньої слабкої міжшарової взаємодії Ван-дер-Ваальса (vdW), є основою MoTe2 як відповідного кандидата для гетероструктурування з перовскітними матеріалами. для тандемних сонячних батарей13,14. Експериментально, економічно ефективні доступні методи хімічного та механічного відлущування дозволяють отримати однорідну та однорідну тонку плівку MoTe215,16. Таким чином, було б більш цінним вивчити використання матеріалів MoTe2 як опорного поглинаючого шару, щоб отримати вигоду від поглинання MoTe2.

Тут ми чисельно представляємо та пропонуємо плоский тип паралельних багатоперехідних PSC з поглинаючою областю, виготовленою з тонкого MoTe2 та CH3NH3PbI3. Основний пристрій складається з шарів ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/ Spiro-OMeTAD/Ag, конфігурація, яка також була виготовлена ​​з MoS2 16. Надзвичайно бажане вирівнювання смуг MoTe2 з іншими шарами разом із його високою здатністю поглинання в ближньому інфрачервоному випромінюванні чудово відкриває шлях для досягнення вищої фотоелектричної ефективності. Порівнюючи з одноперехідними PSC, запропонований пристрій дає збільшення PCE з 14,01 до 18,52 відсотка. Виконуючи точний чисельний аналіз продуктивності пристрою MoTe2, що залежить від товщини, було отримано оптимальну товщину 25 нм, що на кілька порядків амплітуди тонше, ніж попередні допоміжні поглинаючі шари, про які досі повідомлялося в багатоперехідних PSC17.

Тим не менш, добре встановленим фактом є те, що використання поглинача з низькою шириною забороненої зони шкодить напрузі холостого ходу (VOC) сонячних елементів через обмежене розділення рівнів квазіфермі електронів і дірок. Подібним чином ми спостерігали зменшення Voc після перетворення структури на багатоперехідний пристрій. Щоб компенсувати ці втрати фотоелектричної напруги, ми замінюємо лист із відновленим оксидом графену (rGO) на Spiro-OMeTAD як HTL для покращення вилучення та транспортування дірок. Надзвичайно те, що аркуш rGO підвищує VOC і PCE пристрою до 0.928 і 20.32 відсотків відповідно. Слід зазначити, що ефективність шару rGO як проміжного шару та шару транспортування заряду була добре доведена в PSC18–23.

Основні рівняння та моделі

У цій роботі ми використовуємо гібридну оптико-електричну модель для розрахунку та оцінки представлених структур. Ми представляємо їх традиційне формулювання (тобто в частотній області), а потім обговорюємо розширення на часову область. Метод скінченних елементів (FEM) використовується для вирішення диференціальних рівнянь у частинних похідних (PDE).

Оптична модель.

На малюнку 1A зображено принципову діаграму нашої базової планарної схеми PSC. Зверху вниз конструкція укладена прозорою індієвою банкоюоксид(ITO) електрод, компактний титандвоокис(TiO2), плівка перовскіту йодиду свинцю метиламонію (CH3NH3PBI3), шар N,N-ді(4-метоксифеніл)аміно]-9,9′-спіробіфуорену (спіро-OMeTAD) і срібний (Ag) задній електрод. Падаюче світло потрапляє в клітину з шару ITO і певною мірою поглинається плівкою перовскіту. Крім того, вхідне світло зазнає багаторазового відбиття через задній Ag-рефлектор, що сприяє посиленню поглинання. Для вимірювання кількості, взаємодії між електромагнітними хвилями та шарами, а також розподілу електричного поля (E) було вирішено рівняння Гельмгольца (представлене таким чином):

структури. Формула Гопт виглядає наступним чином:

де ℏ — приведена стала Планка, а ε" — уявна частина відносної діелектричної проникності. Як очевидно з формули, Gopt пропорційний квадрату інтенсивності E на певній довжині хвилі. Загальна швидкість генерації (Gtot) може бути розраховується шляхом інтегрування Gopt по смузі пропускання довжини хвилі падаючого світла.

Електрична модель. Наступне добре відоме співвідношення J–V використовується для опису електричних характеристик сучасних PSC:

щоб обчислити струми, слід розв’язати наступні рівняння Пуассона та рівняння безперервності на пристрої:

Результати і обговорення

Як згадувалося раніше, еталонний PSC складається з шарів ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, Ag, як показано на рис. 1a. Шари Te ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD і Ag діють як передній прозорий електрод, шар для транспортування електронів (ETL), шар для поглинання, шар для транспортування дірок (HTL) і задній електрод відповідно. У цьому рукописі товщина шарів ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD і Ag зафіксована на 50, 90, 200, 100 і 100 нм відповідно. На малюнку 1b показано енергетичну зонну діаграму компонентів у структурі, що підтверджує сприятливе вирівнювання зон для перенесення електронів і дірок через пристрій. Строго кажучи, значна валентна зона між перовскітом (–5,48 еВ) і ETL (–7,45 еВ) ефективно блокує ін’єкцію дірок, тоді як їхня зона провідності добре вирівняна для збору збуджених електронів у плівці перовскіту. І навпаки, вирівнювання смуг між CH3NH3PBI3 (–3,93 еВ) і Spiro-OMeTAD (–1,95 еВ) робить адекватно можливим перенесення дірок у валентній зоні, тоді як це перешкоджає переносу електронів у зоні провідності. Вхідні параметри, значення ширини забороненої зони (Eg) і спорідненості до електрона (χ) всіх компонентів вибираються відповідно до літератури17,24,25, а їх значення індексуються до рівня вакууму. Чорна крива на рис. 1c показує повне поглинання в еталонному PSC. Дані показника заломлення TiO2, CH3NH3PBI3 та

spiro-OMeTAD взято з посилань 26–28. Заштрихована блакитним кольором ділянка рис. 1c демонструє спектри поглинання PSK у структурі. Зрозуміло, що шар перовскіту може поглинати сонячне світло лише понад 300–800 нм через ширину забороненої зони (1,55 еВ), тому все світло NIR витрачається даремно. Щоб вивести поглинання світла за межі видимого діапазону, під плівкою перовскіту розміщують ультратонкий шар MoTe2. Об’ємний напівпровідник MoTe2, наділений малою непрямою забороненою зоною приблизно 1,0 еВ29, здатний розширити поглинання світла до довжин хвиль до 1200 нм, як показано заштрихованою рожевою областю на рис. 1c. Крім непрямої забороненої зони, об’ємний MoTe2 має дві домінуючі прямі екситонні щілини, які називаються A і B, приблизно 1,2 і 1,5 еВ відповідно30,31, які визначають його піки поглинання, як показано на рис. 1c. Згодом чорна крива на рис. 1d показує загальний Gopt у пристрої. Це підтверджує, що ефективне поглинання світла призвело до генерації носіїв у діапазоні NIR. Сині та рожеві області на рис. 1d показують внесок шарів PSK і MoTe2 у загальну Gopt. У кількісному відношенні шари PSK і MoTe2 забезпечують приблизно 61 відсоток і 39 відсотків генерації носіїв відповідно. Це покращення генерації носіїв за допомогою шару MoTe2 може бути перспективним для покращення продуктивності клітини. Крім того, шар MoTe2, як і інші матеріали TMD, може відігравати додаткові переваги в підвищенні продуктивності пристрою. Корисність TMD у PSC була розширена для полегшення ефективного транспортування носіїв32, продовження стабільності16 тощо33. Отже, ці переваги супроводжуються їх низькою вартістю та легким процесом приготування — механічним відлущуванням і перенесенням у пристрій, що підтверджує їх ефективність у підвищенні ефективності PSK.

У цьому моделюванні показник заломлення масового MoTe2 було отримано з Ref34. Крім того, у всіх розрахунках вхідне джерело світла відповідає спектру AM1.5G. Смуга пропускання довжини хвилі вибирається від 300 до 1200 нм з роздільною здатністю до 20 нм. Періодичні граничні умови (PBC) використовуються для кожної сторони ізоляційної області в структурах, а сторони шару Au встановлюються на ідеальний електричний провідник (PEC). Нижній і верхній контакти вважаються ідеальними омічними і Шотткі зі швидкістю поверхневої рекомбінації 107 см/с відповідно. Крім того, застосована розгорнута сітка для більш точного визначення полів навколо тонкого шару. Таблиця 1 містить усі оптичні та електричні вхідні значення, використані в моделюванні. Тут εr – діелектрична проникність, NC і NV – ефективна густина станів зони провідності та валентної зони, μn і μp – рухливість електронів і дірок, χ – спорідненість до електрона, Eg – ширина забороненої зони, NA і ND – густини акцепторів і донорів , а τn і τp – час життя електрона і дірки відповідно. Відомо, що матеріали Te MoTe2 природно леговані P35. Крім того, в об’ємному обмеженні напівпровідникові TMD мають час життя фотогенерованих носіїв до кількох наносекунд36,37.

Характеристики густини струму й напруги (J–V) нашого еталонного PSC в умовах одного сонця продемонстровані на рис. 2a. Te PSC показує PCE 14.01 відсоток, з Jsc 15,20 мА/см2, Voc 1,14 В і FF 0,81. Завдяки ближньому інфрачервоному світлу, поглиненому шаром MoTe2, Jsc значно збільшується на 26,2 мА/см2 у багатоперехідному PSC з оптимізованою товщиною MoTe2. Але Voc падає до 0,84 В через поділ квазіфермі-рівнів електронів і дірок тепер обмежений забороненою зоною MoTe2. Загалом, незважаючи на те, що Voc руйнується після введення шару MoTe2, посилення Jsc значно переважає над зниженням Voc, що призводить до помітного збільшення PCE з 14,01 відсотка до 18,52 відсотка. Цьому збільшенню PCE також сприяє відповідне вирівнювання смуг між MoTe2 і шаром перовскіту та HTL, як показано на рис. 2b. Дійсно, бажане вирівнювання смуг між поглинаючими шарами може ефективно пом’якшити втрати Voc у багатоперехідних PSC в результаті покращення транспортування заряду та зменшення рекомбінації заряду38. Щоб забезпечити ширшу перспективу щодо здатності TMD до поглинання світла, ми порівнюємо спектр поглинання поточної структури з тим, коли шар MoTe2 було замінено трьома іншими TMD, WSe2, MoSe2 і MoS2, як показано на рис. 2c. Показник заломлення та параметри зонної структури WSe2, MoSe2 та MoS2 отримані з літератури34,39–41. Хоча всі TMD демонструють сильну взаємодію світло-матерія під світловим освітленням, їх заборонена зона охоплює широкий діапазон від 1–2 еВ42. Тут WSe2 і MoSe2 із шириною забороненої зони близько 1,3 еВ можуть поглинати ширший спектр світла порівняно з MoS2 із шириною забороненої зони 1,45 еВ. З них MoTe2 явно більш здатний поглинати NIR світло, що робить його найкращим вибором для каскадного з’єднання з PSK. 2d,e демонструє взаємодію між світловими електричними полями та різними шарами на довжині хвилі 600 та 1000 нм. Можна побачити, що шар MoTe2 взаємодіє зі світлом, коли довжина хвилі встановлена ​​на 1000 нм, тоді як його внесок у поглинання світла у видимій довжині хвилі 600 нм є незначним. Варто також знати, що використання TMD в PSC показало успішні результати для підвищення стабільності16,43. З іншого боку, TMD будь-якої товщини можна легко підготувати за допомогою нечутливих до навколишнього середовища та неруйнівних підходів, таких як суха або рідкофазна ексфоліація16, а потім перенести сухими або вологими методами. Таким чином, поєднання матеріалів PSK і TMD може потенційно покращити продуктивність PSC не тільки в режимі фотоелектричної роботи, але й нестабільності

Для досягнення пікової продуктивності багатоперехідного PSC було проведено аналіз залежності продуктивності комірки від товщини MoTe2, тоді як інші вхідні параметри в таблиці 1 залишено без змін. Згідно з рис. 3, поглинання, генерація носіїв і фотоелектричні параметри комірки змінюються зі збільшенням товщини MoTe2 від 5 до 100 нм. На малюнку 3а показано спектри поглинання чотирьох різних товщин шару MoTe2 всередині багатоперехідного PSC. Як і очікувалося, чим товщі шар MoTe2, тим більше поглинання світла в шарі MoTe2. Однак швидкість поглинання світла зменшується зі збільшенням товщини MoTe2, поки не досягне насичення при певній товщині. Незважаючи на те, що MoTe2 поглинає надто багато світла на довгих хвилях близько 1100 нм, генерація носіїв на таких довжинах хвиль погана, як показано на рис. 3b. Це можна пояснити ефектом резонансної порожнини та інтерференцією, які відіграють роль у спектрах поглинання, але не роблять жодного впливу на генерацію носіїв. Як показано на рис. 3c, d, фотоелектричні параметри комірки, PCE, Jsc, Voc і FF змінюються залежно від товщини MoTe2. Зі збільшенням товщини шару MoTe2 Jsc поступово зростає, поки не досягне точки насичення. І навпаки, Voc зменшується зі збільшенням товщини MoTe2. Te Voc спочатку відчуває швидке зменшення, а потім швидкість зменшення стає меншою зі збільшенням товщини MoTe2. Зменшення значення Voc можна пояснити збільшенням рекомбінації носіїв заряду в більш товстому поглинаючому шарі та збільшенням послідовного опору44. Коли товщина поглинаючого шару менша за довжину дифузії носія, швидкість рекомбінації носія значно зменшується, що призводить до різкого збільшення voc. З іншого боку, після відстані, що дорівнює довжині дифузії носія, відбувається зменшення Voc, що виникає внаслідок збільшення рекомбінації носія. Також варто зазначити, що параметр FF має незначну залежність від товщини MoTe2. Отже, як показано на рис. 3d, PCE спочатку зазнає відносно інтенсивного збільшення реакції на різкі зміни як Voc, так і JSC у більш тонких товщинах MoTe2, а потім досягає максимуму (~18,52 відсотка) при товщині MoTe2 25 нм , а згодом він падає, коли збільшення Jsc насичується.

Щоб компенсувати руйнівний ефект паралельного укладання матеріалів з низькою та високою забороненою зоною, ми замінюємо спірошар шаром rGO 60 нм для покращення перенесення носія. Можна стверджувати, що оксид графену (GO) і rGO можуть забезпечити багато переваг PSC, а саме покращення стабільності, електричної та теплопровідності45. Отже, матеріали широко використовувалися для різних функцій у PSC, таких як транспортні шари носія, проміжні шари тапрозорі електропровідні оксиди. Тут шар GO вибрано для вставки як HTL через його добре вирівняну структуру смуг із краями смуг суміжних шарів. Параметри електронної енергетичної зони rGO отримані з Ref46. Як показано на рис. 4a, корисність rGO як HTL помітно покращує як FF, так і Voc до

{{0}}.89 і 0.928, відповідно, у порівнянні з багатоперехідним PSC без шару rGO. Отже, це дає PCE до 20,32, приблизно на 1,77 відсотка більше, ніж багатоперехідний PSC із spiro HTL. Значне покращення фотоелектричних характеристик у багатоперехідному PSC на основі rGO пов’язане з більш ефективним транспортуванням заряду та кращим вирівнюванням енергетичних зон, а також зменшенням підвищеного послідовного опору через очікуване зменшення рекомбінації зарядів на межі розділу.

На малюнку 4b порівнюються фотоелектричні характеристики багатоперехідного PSC з різними HTL, включаючи матеріали Spiro, PTAA, rGO та CuS. Вхідні параметри цих матеріалів наведено в таблиці 2. Шар rGO діє як HTL краще, ніж інші матеріали, завдяки високій рухливості дірок47, а також гарному вирівнюванню смуги з MoTe2. І навпаки, CuS погано енергетично вирівнюється з MoTe2, що призводить до зменшення ЛОС. Смугова діаграма багатоперехідного PSC з різними HTL показана на рис. 4c.

Запитуйте ще:

Електронна адреса:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/телефон: плюс 86 15292862950