Високопроизводителна паралелна тандемна MoTe2/перовскитна слънчева клетка, базирана на редуциран графенов оксид като слой за транспортиране на дупки

Органично-неорганичните метални хибридни перовскити последователно предизвикват изключителен изследователски интерес във фотоволтаичната общност поради техните изключителни полупроводникови свойства като напр.лесен производствен процес,дълга дифузионна дължина1, дълъг живот на носителя2, панхроматично поглъщане на светлина3и т.н. Към днешна дата максималната ефективност на преобразуване на енергия (PCE), постигната в перовскитни слънчеви клетки с един преход (PSC), достига 25,5 процента1. За да се подобри допълнително PCE, ограничен от ограничението на Shockley-Queisser (SQ), бяха преследвани някои различни стратегии, а именно ефектът на умножаване на носителя за събиране на допълнителната енергия (hυ-Eg) на фотони с енергия, по-голяма от ширината на лентата (Eg)4 и многопреходни абсорбери за събиране на фотони с енергия, по-малка от Eg5. Въпреки че все още е непрактично и неуловимо да се спечели PCE чрез явления на умножаване на носители, многопреходните (тандемни) PSC успешно постигнаха PCE до 29,15 процента6. Въпреки това, вдъхновени от постиженията на колеги на тандемни PSC, базирани на GaAs и GaInP многопреходни слънчеви клетки, които са достигнали максимален PCE от 38,8 процента7, все още иманарастващ интерес към по-нататъшното подобряване на производителността на PSC с много преходни точки. Това стимулира търсенето нанови материали и архитектури за многопреходни PSC. 

Щракнете тук, за да научите антиокислителните свойства на Cistanche

Полупроводниковите дихалкогениди на преходни метали (TMDs), включително MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 и WSe2, се очертават като изключително впечатляващи абсорбери за слънчеви клетки благодарение на техните свръхвисоки коефициенти на поглъщане8, механична гъвкавост9, висока подвижност на носителите10, заедно с идеална ширина на лентата за фотоволтаични приложения8. Трябва да се отбележи, че TMD слой, по-тънък от 20 nm, е в състояние да абсорбира светлина дори десет пъти по-голяма от добре познатите полупроводници с директна забранена лента8. Докато TMDs, особено MoS2, са били широко използвани като носещи транспортни слоеве (HTLs) в PSCs 11, 12, няма доклад за извличане на полза от абсорбционния капацитет на TMDs, за да се подобри ефективността на абсорбция на светлина в PSCs. Въпреки че повечето TMDs имат почти същата величина на забранената лента като перовскитите, обемният MoTe2 с ширина на обхвата от около 1 eV би бил допълнителен абсорбиращ материал за перовскит за събиране на близкия инфрачервен (NIR) диапазон на слънчева светлина. Силната способност за поглъщане на NIR на MoTe2, заедно с липсата на висящи връзки на повърхността му, свойство на TMDs, което произтича от тяхното слабо взаимодействие между слоевете на ван дер Ваалс (vdW), подкрепят MoTe2 като подходящ кандидат да бъде хетеро структуриран с перовскитни материали за тандемни слънчеви клетки13,14. Експериментално, наличните рентабилни химични и механични методи за ексфолиране позволяват получаване на равномерен и хомогенен тънък MoTe2 филм15,16. По този начин би било по-ценно да се проучи използването на материали MoTe2 като поддържащ абсорбиращ слой, за да се извлече полза от абсорбцията на MoTe2.

Тук ние числено представяме и предлагаме планарен тип паралелни многопреходни PSC с абсорбираща област, направена от тънък MoTe2 и CH3NH3PbI3. Основното устройство е съставено от слоеве ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/ Spiro-OMeTAD/Ag, конфигурация, която също е произведена с MoS2 16. Отлично желаното подравняване на лентата на MoTe2 с други слоеве, заедно с неговия висок капацитет на абсорбция в NIR, забележително проправя пътя за постигане на по-висока фотоволтаична ефективност. В сравнение с PSC с едно кръстовище, предложеното устройство води до увеличение на PCE от 14,01 до 18,52 процента. Чрез извършване на точен числен анализ на производителността на устройството, зависимо от дебелината на MoTe2, беше получена оптимална дебелина от 25 nm, което е с няколко порядъка по-тънка амплитуда от предишните поддържащи абсорбиращи слоеве, докладвани досега в многопреходни PSCs17.

Независимо от това, добре установен факт е, че използването на абсорбер с ниска ширина на лентата е вредно за напрежението на отворена верига (VOC) на слънчевите клетки поради ограниченото разделяне на нивата на квазиферми на електрони и дупки. По същия начин наблюдавахме намаляване на Voc след превръщането на структурата в устройство с множество преходни връзки. За да компенсираме тези загуби на фотоволтаж, ние заменяме редуциран графенов оксид (rGO) лист със Spiro-OMeTAD като HTL, за да подобрим извличането и транспортирането на дупки. Изключително, rGO листът подобрява VOC и PCE на устройството съответно до 0.928 и 20.32 процента. Трябва да се отбележи, че ефикасното представяне на rGO слоя като междинен слой и слой за транспортиране на заряд е добре доказано в PSCs18–23.

Основни уравнения и модели

В тази работа ние използваме хибриден оптичен и електрически модел за изчисляване и оценка на представените структури. Представяме тяхната традиционна формулировка (т.е. в честотната област) и след това обсъждаме разширението към времевата област. Методът на крайните елементи (FEM) се използва за решаване на частични диференциални уравнения (PDE).

Оптичен модел.

Фигура 1А изобразява схематичната диаграма на нашата основна планарна PSC схема. Отгоре надолу структурата е подредена от прозрачен индиев калайоксид(ITO) електрод, компактен титановдиоксид(TiO2), слой от метиламониев оловен йодид перовскит (CH3NH3PBI3), слой N, N-di(4-methoxyphenyl) amino]-9,9′-спиробифурен (spiro-OMeTAD) и сребърен (Ag) заден електрод. Падащата светлина навлиза в клетката от ITO слоя и до известна степен се абсорбира от перовскитния филм. Също така, входящата светлина изпитва многоотразяване поради задния рефлектор от Ag, което води до подобряване на абсорбцията. За количеството, взаимодействието между електромагнитните вълни и слоевете, както и разпределението на електрическото поле (E), беше решено уравнението на Хелмхолц (представено както следва):

на структурата. Формулата на Gopt е следната,

където ℏ е редуцираната константа на Планк, а ε" е въображаемата част от относителната диелектрична проницаемост. Както формулата очевидно показва, Gopt е пропорционален на квадрата на интензитета на E при определена дължина на вълната. Общата скорост на генериране (Gtot) може да бъде изчислено чрез интегриране на Gopt върху честотната лента на падаща светлина с дължина на вълната.

Електрически модел. Следната добре известна J–V връзка се използва за описание на електрическите характеристики на настоящите PSC:

за да се изчислят токовете, трябва да се решат следните уравнения на Поасон и уравнения за непрекъснатост в устройството:

Резултати и дискусия

Както бе споменато по-рано, референтният PSC е направен от ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, спиро-OMeTAD, Ag слоеве, както е показано на Фиг. 1а. Слоевете Te ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, спиро-OMeTAD и Ag действат съответно като преден прозрачен електрод, слой за транспортиране на електрони (ETL), слой за абсорбиране, слой за транспортиране на дупки (HTL) и заден електрод. В целия този ръкопис дебелината на слоевете ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, спиро-OMeTAD и Ag са фиксирани съответно на 50, 90, 200, 100 и 100 nm. Фигура 1b показва диаграмата на енергийната лента на компонентите в структурата, одобрявайки благоприятно подреждане на лентата за преноса на електрони и дупки през устройството. Строго погледнато, значителната валентна лента между перовскит (−5,48 eV) и ETL (−7,45 eV) ефективно блокира инжектирането на дупка, докато тяхната проводяща лента е добре подравнена за събиране на възбудените електрони в перовскитния филм. Обратно, подравняването на лентата между CH3NH3PBI3 (-3.93 eV) и Spiro-OMeTAD (-1.95 eV) прави адекватно осъществим прехвърлянето на дупки във валентната лента, докато възпрепятства преноса на електрони в зоната на проводимост. Входните параметри, стойностите на забранената енергийна зона (Eg) и електронния афинитет (χ) на всички компоненти са избрани според литературата 17, 24, 25 и техните стойности са индексирани спрямо нивото на вакуума. Черната крива на фиг. 1с показва общата абсорбция в референтния PSC. Данните за индекса на пречупване на TiO2, CH3NH3PBI3 и

spiro-OMeTAD е взет от препратки 26–28. Синята сенчеста област на Фиг. 1с показва абсорбционните спектри на PSK в структурата. Ясно е, че перовскитният слой може да абсорбира слънчева светлина само над 300–800 nm поради неговата ширина на лентата (1,55 eV), така че цялата NIR светлина се губи. За да се изтласка абсорбцията на светлина извън видимия диапазон, под перовскитния филм е поставен ултратънък слой MoTe2. Масовият полупроводник MoTe2, снабден с малка индиректна ширина на лентата от около 1,0 eV29, е в състояние да разшири абсорбцията на светлина до дължини на вълните до 1200 nm, както е показано от розовата щрихована област на Фиг. 1c. Освен непряка ширина на лентата, обемният MoTe2 се радва на две доминиращи директни екситонни празнини, наречени A и B, около 1,2 и 1,5 eV, съответно 30, 31, които определят неговите пикове на абсорбция, както е показано на Фиг. 1c. Впоследствие черната крива на фиг. 1d показва общия Gopt в устройството. Той потвърждава, че ефективното поглъщане на светлина води до генериране на носители в NIR обхвата. Сините и розово оцветените зони на Фиг. 1d разкриват приноса на слоевете PSK и MoTe2, съответно, към общия Gopt. Количествено, слоевете PSK и MoTe2 допринасят съответно за около 61 процента и 39 процента от генерирането на носители. Това подобрение на генерирането на носители от слоя MoTe2 може да бъде обещаващо за подобряване на производителността на клетката. Освен това, слоят MoTe2, подобно на други TMD материали, може да играе допълнителни полезни роли за повишаване на производителността на устройството. Полезността на TMD в PSC е разширена, за да се улесни ефективен транспорт на носителя32, да се удължи стабилността16 и така нататък33. Следователно, тези предимства са придружени от тяхната ниска цена и лесен процес на приготвяне - механично ексфолиране и прехвърляне в устройство, потвърждаващи тяхната ефективност при повишаване на ефективността на PSK.

В тази симулация индексът на пречупване на обемния MoTe2 е получен от Ref34. Освен това при всички изчисления входният източник на светлина е съобразен със спектъра AM1.5G. Ширината на честотната лента на дължината на вълната се избира от 300 до 1200 nm с разделителна способност до 20 nm. Периодичното гранично условие (PBC) се използва за всяка страна на изолационния участък в структурите и страните на слоя Au са настроени на перфектен електрически проводник (PEC). Долният и горният контакт се считат за идеални омични и Шотки със скорост на повърхностна рекомбинация съответно 107 cm/s. Освен това, за по-прецизно разделяне на полетата около тънкия слой е приложена размахана мрежа. Таблица 1 включва всички оптични и електрически входни стойности, използвани в симулациите. Тук εr е диелектричната константа, NC и NV са ефективната плътност на състоянията на проводимостта и валентните ленти, μn и μp са подвижността на електрони и дупки, χ е афинитетът към електрони, Eg е енергията на забранената лента, NA и ND са акцепторни и донорни плътности , а τn и τp са живот на електрони и дупки, съответно. Известно е, че Te MoTe2 материалите са естествено легирани с P35. В допълнение, в границата на обема, полупроводниковите TMD носят фотогенериран живот на носителя до няколко наносекунди 36, 37.

Характеристиките на плътността на тока и напрежението (J–V) на нашия референтен PSC при едно слънчево състояние са показани на Фиг. 2а. Te PSC показва PCE от 14.{8}}1 процента, с Jsc от 15,20 mA/cm2, Voc от 1,14 V и FF от 0,81. Възползвайки се от NIR светлината, абсорбирана в слоя MoTe2, Jsc значително се увеличава с 26,2 mA/cm2 в многопреходния PSC с оптимизирана дебелина на MoTe2. Но Voc пада до 0,84 V поради разделянето на нивата на квазиферми на електроните и дупките сега е ограничено от ширината на лентата MoTe2. Като цяло, независимо от това, че Voc се унищожава след вмъкване на слоя MoTe2, подобряването на Jsc е силно доминирано над намаляването на Voc, което води до забележимо увеличение на PCE от 14,01 процента до 18,52 процента. Това увеличение на PCE също се допринася от подходящо подреждане на лентата между MoTe2 и перовскитния слой и HTL, както е показано на Фиг. 2b. Наистина, желаното подравняване на лентата между абсорбиращите слоеве може ефективно да смекчи загубата на Voc в многопреходни PSC в резултат на подобряване на транспортирането на заряда и намаляване на рекомбинацията на заряда38. За да предоставим по-широка перспектива върху способността на TMD за абсорбция на светлина, ние сравняваме спектъра на абсорбция на настоящата структура с времето, когато слоят MoTe2 беше заменен от три други TMD, WSe2, MoSe2 и MoS2, както е илюстрирано на Фиг. 2c. Показателят на пречупване и параметрите на лентовата структура на WSe2, MoSe2 и MoS2 са получени от литературата34,39–41. Въпреки че всички TMD показват силно взаимодействие светлина-материя при светлинно осветяване, техните лентови пропуски покриват широк диапазон от 1–2 eV42. Тук WSe2 и MoSe2 с ширина на лентата от около 1,3 eV могат да абсорбират по-широк спектър от светлина в сравнение с MoS2 с ширина на лентата от 1,45 eV. От тях MoTe2 очевидно е по-способен да абсорбира NIR светлина, което го прави най-добрият избор за каскадно свързване с PSK. Фигура 2d, e показва взаимодействието между леките електрически полета и различни слоеве при дължина на вълната от 600 и 1000 nm. Може да се види, че слоят MoTe2 взаимодейства със светлината, когато дължината на вълната е настроена на 1000 nm, докато неговият принос към абсорбцията на светлина във видимата дължина на вълната от 600 nm е незначителен. Също така си струва да знаете, че използването на TMD в PSC е показало успешни резултати за повишаване на стабилността16,43. От друга страна, TMD във всяка дебелина могат лесно да бъдат приготвени чрез нечувствителни към околната среда и неразрушителни подходи, като суха или течнофазова ексфолиация16, след което да се прехвърлят чрез сухи или мокри методи. По този начин, комбинация от PSK материали и TMD може потенциално да подобри производителността на PSC, не само при фотоволтаична работа, но и нестабилност

За постигане на пиковата производителност на многопреходния PSC е извършен анализ на зависимостта на производителността на клетката от дебелината на MoTe2, докато други входни параметри в таблица 1 са оставени непроменени. Съгласно Фигура 3, абсорбцията, генерирането на носители и фотоволтаичните параметри на клетката се променят с увеличаване на дебелината на MoTe2 от 5 до 100 nm. Фигура 3а показва абсорбционните спектри на четири различни дебелини на слоя MoTe2 вътре в PSC с много прехода. Както се очаква, колкото по-дебел е слоят MoTe2, толкова по-голяма е абсорбцията на светлина в слоя MoTe2. Скоростта на поглъщане на светлина обаче става по-бавна с увеличаване на дебелината на MoTe2, докато достигне насищане при определена дебелина. Въпреки че твърде много светлина се абсорбира от MoTe2 при по-дълги дължини на вълните около 1100 nm, генерирането на носител е лошо при такива дължини на вълните, както е показано на фиг. 3b. Това може да се припише на ефекта на резонансната кухина и интерференцията, които играят роля в абсорбционните спектри, но не оказват никакво влияние върху генерирането на носители. Както е показано на фиг. 3c, d, фотоволтаичните параметри на клетката, PCE, Jsc, Voc и FF варират в зависимост от дебелината на MoTe2. С увеличаване на дебелината на слоя MoTe2, Jsc постепенно се увеличава, докато достигне точка на насищане. Обратно, Voc намалява с увеличаване на дебелината на MoTe2. Първоначално Te Voc изпитва бързо намаляване и след това скоростта на намаляване става по-бавна с увеличаване на дебелината на MoTe2. Намаляващата стойност на Voc може да се припише на увеличаване на рекомбинацията на носители на заряд в по-дебелия абсорбиращ слой и на увеличеното серийно съпротивление44. Когато дебелината на абсорбиращия слой е по-малка от дължината на дифузия на носителя, скоростта на рекомбинация на носителя значително намалява, което води до рязко увеличение на voc. От друга страна, след разстояние, колкото дължината на дифузията на носителя, настъпва редукция на Voc, произтичаща от увеличаването на рекомбинацията на носителя. Също така, заслужава да се отбележи, че параметърът FF има незначителна зависимост от дебелината на MoTe2. Следователно, както е показано на Фиг. 3d, PCE първоначално претърпява сравнително интензивно увеличение в отговора както на Voc, така и на JSC резки промени в по-тънките дебелини на MoTe2 и след това достига максимум (~18,52 процента) при дебелина на MoTe2 от 25 nm и впоследствие спада, когато увеличението на Jsc се насити.

За да компенсираме разрушителния ефект от паралелното подреждане на материали с ниска и голяма ширина на лентата, ние заместваме спиро слоя с 60 nm rGO слой, за да подобрим преноса на носителя. Може да се каже, че графеновият оксид (GO) и rGO могат да осигурят множество ползи за PSC, а именно подобряване на стабилността, електрическата и топлопроводимостта45. Следователно, материалите бяха широко използвани за различни функции в PSC, като транспортни слоеве на носители, междинни слоеве ипрозрачни проводими оксиди. Тук слоят GO е избран за вмъкване като HTL поради неговата добре подравнена лентова структура с ръбовете на лентите на съседните слоеве. Параметрите на електронната енергийна лента на rGO са получени от Ref46. Както е показано на фиг. 4а, полезността на rGO като HTL значително подобрява както FF, така и Voc до

{{0}}.89 и 0.928, съответно, в сравнение с многопреходния PSC без rGO слоя. Следователно, той дава PCE до 20,32, около 1,77 процента по-голям от PSC с множество преходни точки със spiro HTL. Значителното подобрение на фотоволтаичната производителност в RGO-базиран многопреходен PSC е посветено на по-ефективен транспорт на заряда и по-добро подравняване на енергийната лента, заедно с намаляване на увеличеното серийно съпротивление поради очакваното намаляване на рекомбинацията на заряда в интерфейса.

Фигура 4b сравнява фотоволтаичната производителност на многопреходния PSC с различни HTL, включително Spiro, PTAA, rGO и CuS материали. Входните параметри на тези материали са представени в таблица в таблица 2. Слоят rGO действа като HTL по-добре от други материали поради високата си подвижност на отворите47, заедно с хубавото подравняване на лентата с MoTe2. Обратно, CuS не е добре енергийно подравнен с MoTe2, което води до намаляване на VOC. Диаграмата на лентата на многопреходния PSC с различни HTL е показана на Фиг. 4c.

Питай за още:

Имейл:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/телефон: плюс 86 15292862950