Effiziente TiO2-Oberflächenbehandlung mit Cs2CO3 für lösungsverarbeitete planare Sb2S3-Solarzellen

Hintergrund

In letzter Zeit wurden viele anorganische Metallchalkogenide auf der Basis von in der Erde reichlich vorhandenen Elementen wie Kupfer-Zink-Zinn-Selenid (CZTS), Bleisulfid (PbS), Kupfer (I)-Sulfid (Cu₂ .) S), Zinnsulfid (SnS) und Antimonsulfid (Sb₂ .) S₃ ) wurden als Absorbermaterialien in kostengünstigen Dünnschichtsolarzellen untersucht, um die gängigen lösungsverarbeitbaren Absorber wie Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Cadmium-Tellurid (CdTe) zu ersetzen [1]. Die Verwendung von CZTS und PbS in der Industrie hat jedoch schwerwiegende Nachteile, da CZTS das giftige und schädliche Hydrazin (N₂ H₄ ) und erfordert die komplexe Kontrolle von Multi-Compound [2] und PbS enthält Pb, das ebenfalls toxisch und gefährlich ist. Andere potenzielle Materialien wie Cu₂ S und SnS haben im Vergleich zu CIGS und CdTe relativ niedrige Wirkungsgrade. Sb₂ S₃ hat jedoch aufgrund seiner geeigneten Bandlücke (~ 1,65 eV) und seines hohen Absorptionskoeffizienten (> 10 ⁵ cm ⁻¹ ) für eine effiziente Lichtabsorption, eine hohe Dielektrizitätskonstante für die Exzitonendissoziation und eine gute Bandausrichtung mit verschiedenen Lochtransportschichten (HTLs) für einen effizienten Ladungsträgertransfer, zusätzlich zu seiner Kosteneffizienz, geringen Toxizität und ausgezeichneten Luftstabilität [3,4, 5,6].

Es gibt zwei Arten von Sb₂ S₃ Solarzellen basierend auf den Bauelementstrukturen:sensibilisierte Solarzelle oder Solarzelle vom planaren Typ. Sensibilisierte Solarzellen stammen aus farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) und haben ein F-dotiertes Zinnoxid (FTO)/kompaktes TiO₂ (c-TiO₂ )/mesoporöses TiO₂ (m-TiO₂ )/Sb₂ S₃ /HTL/Au-Struktur, während Solarzellen vom Planartyp ein FTO/c-TiO₂ . aufweisen /Sb₂ S₃ /HTL/Au-Struktur [7].

In Bezug auf die Geräteeffizienz:sensibilisiertes Sb₂ S₃ Solarzellen haben aufgrund ihrer verbesserten lichtabsorbierenden Grenzfläche aufgrund des m-TiO₂ . einen höheren Wert als planare Typen Struktur. Der Faktor, der über die Leistung sensibilisierter Solarzellen entscheidet, ist ihre Grenzflächenqualität innerhalb des Geräts, wo Ladungsträgertrennung und -übertragung stattfinden. Daher wurden erhebliche Anstrengungen zur Optimierung der Grenzflächeneigenschaften, einschließlich derjenigen von m-TiO₂ ., unternommen /Sb₂ S₃ Schnittstelle, Sb₂ S₃ /HTL-Schnittstelle und HTL-Material selbst [8]. Verschiedene Arten von HTL-Materialien, wie 2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amin]-9,9'-Spirobifluoren (Spiro-OMeTAD) [9]; CuSCN, ein anorganisches Material vom p-Typ [10]; Poly(3-hexylthiophen) (P3HT), ein leitfähiges Polymer [11]; und Poly(2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b,3,4-b']dithiophen)-alt-4,7(2,1, 3-Benzothiadiazol)) (PCPDTBT), ein neu entwickeltes konjugiertes Polymer [12], wurden verwendet, um den Sb₂ . einzustellen S₃ /HTL-Schnittstelle und Lochtransporteigenschaften, die zu einem hohen Füllfaktor (FF) und einer erhöhten Kurzschlussstromdichte (J _SC ).

Mehrere Studien, die sich auf die Verbesserung des m-TiO₂ . konzentrieren /Sb₂ S₃ Schnittstelleneigenschaften wurden ebenfalls gemeldet. Tsujimotoet al. modifiziertes m-TiO₂ Oberfläche mit Mg ²⁺ , Ba ²⁺ , und Al ³⁺ , die die Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von allen anorganischen Sb₂ . effektiv erhöhen S₃ Solarzellen mit FTO/c-TiO₂ /m-TiO₂ /Sb₂ S₃ /CuSCN/Au-Struktur [13]. Lanet al. verwendetes Li-dotiertes m-TiO₂ um die Elektronentransporteigenschaften zu verbessern und das Fermi-Energieniveau zu ändern [14]. Fukumotoet al. berichtete über die Oberflächenbehandlung des Sb₂ S₃ /HTL-Schnittstelle mit 1-Decylphosphonsäure (DPA), die sowohl an ein unbedecktes m-TiO₂ . gebunden werden kann Oberfläche und Sb₂ S₃ Oberfläche, um die Rekombination zu reduzieren und die Leerlaufspannung zu erhöhen (V _OK ) und FF [15].

Im Gegensatz zu sensibilisierten Solarzellen hängt der Ladungsträgertransport von der Ladungsträgermobilität und der Diffusionslänge innerhalb des Sb₂ . ab S₃ Schicht, die stark mit der Morphologie, Korngröße und Kristallinität der Schicht korrelieren. Daher konzentrierten sich die meisten Forschungen zu Solarzellen vom planaren Typ auf die Verbesserung des Sb₂ . S₃ Dünnfilmqualität, um eine große Korngröße und eine hohe Kristallinität zu erreichen, indem verschiedene Abscheidungstechniken verwendet werden. Zum Beispiel konventionelle chemische Badabscheidung (CBD) [16], thermische Verdampfung (TE) [17], schnelle thermische Verdampfung (RTE) [18, 19], Atomlagenabscheidung (ALD) [20] und Nanopartikel-Tintenbeschichtung [ 21] wurden angewendet, um Sb₂ . herzustellen S₃ dünne Filme. Kürzlich haben Wang et al. berichteten über einen schnellen chemischen Ansatz (FCA), der verwendet werden kann, um sehr große Korngrößen über einen einstufigen Schleuderbeschichtungsprozess und anschließenden Glühprozess unter Verwendung einer metallorganischen Vorläuferlösung auf Basis von Butyldithiocarbaminsäure (BDCA) zu erzeugen [22]. Viele Arten von Metalloxiden oder -hydroxiden können in BDCA gelöst werden, das relativ ungiftig, kostengünstig und thermisch abbaubar ist und leicht über die Reaktion von 1-Butylamin (CH₃ .) synthetisiert werden kann (CH₂ )₃ NH₂ ) und Schwefelkohlenstoff (CS₂ ) [23].

Obwohl sensibilisierte Solarzellen einen höheren PCE (3–7,5 %) als planare Solarzellen (2,5–5,8 %) aufweisen, sind ihre Bauelementstruktur und ihr Herstellungsprozess kompliziert. Darüber hinaus enthalten sie ein hohes Maß an Grenzflächendefekten. Ein planarer Sb₂ S₃ Gerät hätte mehr Potenzial für den Einsatz in Solarzellen im industriellen Maßstab mit hohem Wirkungsgrad und geringen Kosten, da es konzeptionell einfacher und leichter skalierbar ist und sehr gut reproduzierbar ist [24, 25].

Hier berichten wir über die Oberflächenbehandlung eines c-TiO₂ Ebene mit Cs₂ CO₃ Lösung zur Verbesserung der Leistung von Sb₂ . vom planaren Typ S₃ Solarzellen. Die Sb₂ S₃ Schicht wurde über einen einfachen FCA-Spin-Coating-Prozess abgeschieden, um eine große Korngröße zu erzielen, über die zuvor von Wang et al. berichtet wurde.

Cs₂ CO₃ wurde umfassend für die Anwendung in der organischen Photovoltaik (OPV) [26,27,28], in organischen lichtemittierenden Bauelementen (OLEDs) [29] und Perowskit-Solarzellen (PSCs) [30, 31] untersucht, um den Elektronentransport aufgrund von seine Eigenschaft mit niedriger Austrittsarbeit. Obwohl Cs₂ CO₃ wird normalerweise bei 550–600°C zersetzt, Liao et al. berichtet, dass Cs₂ CO₃ kann durch ein thermisches Glühverfahren bei niedriger Temperatur (150–170 °C) in Cäsiumoxid mit niedriger Austrittsarbeit zerlegt werden [26]. Nach unserem besten Wissen gibt es jedoch keine Studie zur Anwendung von Cs₂ CO₃ zu Sb₂ S₃ Solarzellen.

Oberflächenbehandlung mit Cs₂ CO₃ kann nicht nur die Energiebarriere durch Änderung der Austrittsarbeit von c-TiO₂ . reduzieren , sondern reduzieren auch den Serienwiderstand des Geräts, indem die Oberflächenrauheit von c-TiO₂ . verringert wird . Die Behandlung führte zu verbesserten Geräteparametern wie dem V _OK , J _SC , und FF, und der PCE stieg von 2,83 auf 3,97 %. Wir glauben, dass diese Oberflächenbehandlung von c-TiO₂ mit Cs₂ CO₃ Lösung kann eine einfache und effektive Möglichkeit bieten, die Geräteleistung in anorganischen Metallchalkogenid-Solarzellen vom planaren Typ zu verbessern.

Methoden/Experimental

Verwendete Materialien und Synthese des Sb-Komplexes

Antimon(III)-oxid (Sb₂ .) O₃ , 99,99 %, CS₂ (> 99,9%), n-Butylamin (CH₃ (CH₂ )₃ NH₂ , n-BA, 99,5%), Cäsiumcarbonat (Cs₂ CO₃ , 99,9%), 2-Methoxyethanol (CH₃ OCH₂ CH₂ OH, 99,8%), Titan(IV)isopropoxid (Ti(OCH(CH₃ .) )₂ )₄ , TTIP, 97%), Poly(3-hexylthiophen) (P3HT, Mw 50–70K, Regioregularität 91–94%, Rieke Metals), 1,2-Dichlorbenzol (o-DCB, 99%) und Ethanol (CH₃ CH₂ OH, wasserfrei) wurden von Sigma-Aldrich Co. bezogen und wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet.

Der Sb-Komplex wurde nach einem bekannten Verfahren synthetisiert [22]. Sb₂ O₃ (1,0 mmol) wurde mit einer Lösung aus Ethanol (2,0 ml) und CS₂ . gemischt (1,5 ml) mit Magnetrührer bei Raumtemperatur. Dann wurde n-Butylamin (2,0 ml) langsam unter fortgesetztem Rühren für mindestens 30 Minuten zu der Lösung gegeben, um eine homogene Lösung von Antimonbutyldithiocarbamaten (Sb(S₂ CNHC₄ H₉ )₃ ). Danach wurden 2 ml dieser Lösung mit 1 ml Ethanol verdünnt, um den Sb-Komplex zu bilden.

Geräteherstellung

Der planare Sb₂ S₃ Solarzellen in dieser Studie haben eine typische Struktur von FTO/c-TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT/Au, wobei P3HT als HTL verwendet wird. Das c-TiO₂ Die Schicht wurde auf einer gereinigten FTO-Oberfläche durch Schleuderbeschichtung einer gemischten Lösung aus 2 ml TTIP, 60 ml Ethanol, 0,225 ml destilliertem Wasser und 0,03 ml HNO₃ . abgeschieden bei 3000 U/min für 30 s, gefolgt von Tempern bei 500 °C für 60 min in Luft.

Zur Oberflächenmodifikation mit Cs₂ CO₃ , Cs₂ CO₃ gelöst in einem CH₃ OCH₂ CH₂ OH-Lösung mit bestimmten Konzentrationen (1, 3, 5 und 10 mg/mL) wurde auf ein 10-min UV-Ozon behandeltes c-TiO₂ . aufgeschleudert Schicht bei 6000 U/min für 45 s. Die Filme wurden dann 10  min lang bei 150°C wärmebehandelt, bevor die Sb₂ S₃ Schicht wurde aufgeschleudert.

Für die Sb₂ S₃ dünne Filme wurde die Sb-Komplexlösung bei einer Geschwindigkeit von 6000 U/min für 30 s schleuderbeschichtet, wonach die Filme auf einem N₂ . getempert wurden -gespülte Heizplatte bei 200 °C für 1 min und 350 °C für 2 min.

P3HT-Lösung (10 mg in 1 ml o-DCB) wurde auf Sb₂ . schleuderbeschichtet S₃ /c-TiO₂ /FTO-Substrat bei einer Geschwindigkeit von 3000 U/min für 60 s, das dann auf einer Heizplatte bei 100° C für 30 min an Luft erhitzt wurde. Schließlich wurde die Au-Gegenelektrode unter Verwendung eines thermischen Verdampfers unter einem Druck von 5.0 × 10 ^–6 . abgeschieden Torr. Jedes Gerät hatte eine aktive Fläche von 0,16 cm ² . .

Messung und Analyse

Oberfläche und Querschnitte des Sb₂ S₃ dünne Filme wurden unter Verwendung von Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, S-4800, Hitachi) charakterisiert. Die Oberflächenmorphologie wurde mit Rasterkraftmikroskopie (AFM, Park NX10, Park Systems) untersucht. Die optischen Eigenschaften von c-TiO₂ wurden mit einem UV-Vis (Lambda 750, Perkin Elmer) bestimmt. Die Stromdichte–Spannung (J –V ) wurden unter Verwendung eines speziellen Solarzellenmesssystems bestimmt, das mit einem Elektrometer (Modell 2400, Keithley) und einem Sonnensimulator (91192, Newport) mit einer 1-kW-Xenon-Bogenlampe (Oriel) ausgestattet war. Die Lichtintensität wurde auf eine Sonne eingestellt (100 mW/cm ² ) unter AM 1,5G-Solarstrahlungsbedingungen unter Verwendung eines Strahlungsleistungsenergiemessers (Modell 70260, Oriel). Der Serienwiderstand (R _S ) und Shunt-Widerstand (R _SH ) wurden aus der Steigung des entsprechenden J . berechnet –V Kurven jenseits von V _OK und J _SC , bzw. Die externe Quanteneffizienz (EQE) wurde mit einem QuantX-300-Quanteneffizienz-Messsystem (Newport) gemessen, das mit einer 100 W-Xenonlampe ausgestattet war. Die Strukturinformationen von FTO/c-TiO₂ (/Cs₂ CO₃ ) Probe wurde durch ein Mehrzweck-Röntgenbeugungssystem (XRD) (Empyrean, PANalytical) mit θ . charakterisiert -2θ Modus mit einer Scanrate von 0,05°/Sek. Der elektronische Zustand und das Energieniveau wurden unter Verwendung von Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) in einer Ultrahochvakuumumgebung (ESCALAB 250Xi, Thermo Scientific) analysiert. UPS- und XPS-Spektren wurden unter Verwendung der He I-Linie (hν = 21,2 eV) bzw. der Al Kα-Strahlungsquelle (hν = 1486.6 eV) erhalten. Das XPS-Tiefenprofil wurde mit Ar ⁺ . erstellt -Cluster-Ionenkanone und Ätzrate von 1 Å/Sek.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung der Gerätestruktur. Die untere Schicht besteht aus c-TiO₂ Schichten auf einem Glas/FTO-Substrat, die als Elektronentransport dienen. Licht wird von Sb₂ . absorbiert S₃ Schicht, während Löcher von der P3HT HTL transportiert und an der Au-Gegenelektrode gesammelt werden.

a Schema der Gerätestruktur des planaren Sb₂ S₃ Solarzellen. b Sb₂ S₃ Dünnschicht-Herstellungsprozess mit FCA-Methode

Die Sb₂ S₃ absorbierende Schicht wurde über den FCA unter Verwendung des Sb-Komplex-Vorläufers abgeschieden, um sehr große Korngrößen zu realisieren. Die Vorstufe wurde bei 200 °C 1 Minute lang thermisch in den amorphen Zustand und 2 Minuten lang bei 350 °C in den kristallinen Zustand zersetzt (Abb. 1b). Das in Abb. 2 gezeigte REM-Bild zeigt eine sehr große Korngröße, die fast der von Sb₂ . entspricht S₃ Dünnfilmmorphologie, die von Wang et al. [22].

a Ansicht von oben und b REM-Querschnittsbilder von Sb₂ S₃ absorbierende Schicht nach dem Tempern bei 350 °C für 2 min

Die Effizienz des planaren Sb₂ S₃ Solarzelle wurde durch Oberflächenbehandlung mit Cs₂ . verbessert CO₃ des c-TiO₂ Schicht.

Die Geräteeigenschaften basierend auf der Konzentration von Cs₂ CO₃ Lösung wurden durchgeführt, um das optimale Cs₂ . zu bestimmen CO₃ Konzentration. Abbildung 3a und Tabelle 1 zeigen das J –V Eigenschaften der Geräte mit unterschiedlichen Konzentrationen von Cs₂ CO₃ Lösung unter AM 1,5G Beleuchtung (100 mW/cm ² ). Wenn die Konzentration zu niedrig ist (1 mg/ml), besteht ein Problem bei der vollständigen Abdeckung des c-TiO₂ Oberfläche mit Cs₂ CO₃ . Wenn es jedoch zu hoch ist (5 und 10 mg/ml), wirkt es als dielektrisches Material, was zu einer Erhöhung des Serienwiderstands und einer Verringerung der Geräteeffizienz führt. Die optimale Konzentration von Cs₂ CO₃ Es wurde ein Wert von 3 mg/ml gefunden. (Im Folgenden „mit Cs₂ CO₃ Behandlung“ bedeutet eine Behandlung mit einer Konzentration von 3 mg/ml Cs₂ CO₃ sofern nicht anders angegeben.)

a Stromdichte–Spannung (J –V ) Eigenschaften und b EQE-Spektren von planarem Sb₂ S₃ Solarzellen mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung von c-TiO₂

Als Ergebnis hatte das Gerät einen PCE von 2,83%, V _OK von 0,549 V, J _SC von 10,71 mA/cm ² , und FF von 48,14 % vor der Behandlung. Nach der Behandlung mit 3 mg/ml Lösung stiegen jedoch alle diese Parameter signifikant an, d.h. auf ein V _OK von 0,596 V, J _SC von 11,71 mA/cm ² , und FF von 56,89 %, was zu einem PCE von 3,97 % führt. Diese Behandlung führte zu einer Verbesserung des PCE um ~~40%. Der höhere EQE über den gesamten Spektralbereich, wie in Abb. 3b gezeigt, zeigt an, dass das Licht effizienter in Strom umgewandelt wird, was zu einem Anstieg von J . führt _SC dadurch Cs₂ CO₃ Behandlung. Aus den EQE-Spektren können wir auch sehen, dass der Beginn der EQE bei 750 nm gut einer Bandlücke von 1,65 eV für Sb₂ . entspricht S₃ Schicht und eine Abnahme des EQE von 500 auf 650  nm wird der Absorption der P3HT HTL-Schicht zugeschrieben.

Wir haben die XRD-Muster von c-TiO₂ . gemessen auf FTO-Glassubstraten mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung, um zu untersuchen, ob Cs₂ CO₃ hat Auswirkungen auf die Kristallisation des c-TiO₂ Schicht und/oder die Bildung einer neuen Sekundärphase durch diffundierte Cs-verwandte Spezies. Es gab keine Änderung des XRD-Peaks nach Cs₂ CO₃ Behandlung wie in Abb. 4 gezeigt. Dies weist darauf hin, dass Cs₂ CO₃ Behandlung hat wenig Einfluss auf die Kristallstruktur von c-TiO₂ und schafft auch keine neue Phase. Darüber hinaus gab es keine Hinweise auf eine zersetzte Cs-bezogene Phase (Cäsiumoxid, Cäsiumsuboxid oder Cs-Element) nach der thermischen Behandlung von Cs₂ CO₃ , was bedeutet, dass die Dicke des Cs₂ CO₃ ist sehr dünn. Wie in Abb. 5d gezeigt, betrug die Dicke der Cs-verwandten Spezies etwa 2~3 nm, was durch XPS-Tiefenprofilanalyse für die Probe von FTO/c-TiO₂ . bestimmt wurde /Cs₂ CO₃ (3 µg/ml). Die gemessene Dicke von Cs₂ CO₃ (2~3 nm) stimmt gut mit der AFM-Analyse überein, die eine verbesserte Oberflächenrauheit durch Cs₂ . zeigt CO₃ Behandlung von 9,89 bis 8,03 nm (siehe Abb. 6a).

XRD-Muster von c-TiO₂ auf FTO-Glassubstraten mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung

XPS-Spektren von a Vermessungsscan und Cs-3D-Peak, b Ti 2p-Peak, c O 1 s-Peak für c-TiO₂ Oberfläche mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung und d Tiefenprofil für Cs-3d-Peak für FTO/c-TiO₂ /Cs₂ CO₃ Probe zur Bestimmung der Dicke der Cs-bezogenen Schicht

a AFM-Bilder (2 μm × 2 μm) der Oberflächenmorphologie und b UV-Vis-Absorptions- und Transmissionsspektren von c-TiO₂ mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung

Wir haben den Oberflächenzustand von c-TiO₂ . untersucht Schicht mit XPS-Messungen. Die XPS-Spektren in Abb. 5 zeigen, dass sowohl der Survey-Scan als auch der Cs-3d-Peak-Scan eindeutig die Existenz von Cs auf dem c-TiO₂ . anzeigen Oberfläche. Die Peaks von Ti 2p und O 1 s wurden aufgrund des Cs₂ . zu niedrigeren Bindungsenergien verschoben CO₃ Behandlung, was darauf hindeutet, dass die Cs₂ CO₃ Behandlung beeinflusste die elektronische Struktur von c-TiO₂ Schicht. Das Auftreten einer leichten Schulter bei ~ 531 eV im O 1 s-Spektrum könnte dem aus Cs₂ . erzeugten Cäsiumoxid zugeschrieben werden CO₃ Zersetzung durch Glühen bei 150°C, die eine niedrige Austrittsarbeit hat [26].

Die AFM-Bilder in Abb. 6a zeigen einen Unterschied in der Oberflächenmorphologie von c-TiO₂ Schicht vor und nach Cs₂ CO₃ Behandlung. Die Oberfläche wurde glatter und der quadratische Mittelwert der Rauhigkeit (Rg) nahm nach der Behandlung von 9,89 auf 8,03 nm ab. Diese glatte Oberfläche war nützlich, um den physischen Kontakt zwischen dem c-TiO₂ . zu erhöhen (/Cs₂ CO₃ ) Schicht und die Sb₂ S₃ Schicht, was zu einer Abnahme des R _S Wert ab 11,14 Ω cm ² (ohne Cs₂ CO₃ ) bis 8,82 Ω cm ² (mit Cs₂ CO₃ ) (siehe Tabelle 1). Das verringerte R _S könnte dazu beigetragen haben, den FF von 48,14 auf 56,89 % zu erhöhen [5].

Die UV-Vis-Transmissionsspektren des c-TiO₂ Filme mit und ohne Cs₂ CO₃ sind in Abb. 6b dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass sich die optische Transmission zwischen den Wellenlängen von 300 und 800  nm nur geringfügig ändert, was bestätigt, dass Cs₂ CO₃ Behandlung hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Intensität des Lichts, das den Sb₂ . erreicht S₃ Schicht.

UPS wurde verwendet, um die Änderung der Austrittsarbeit des c-TiO₂ . zu bestimmen Schicht vor und nach Cs₂ CO₃ Behandlung zur Untersuchung der Wirkung von Cs₂ CO₃ auf V _OK . Die Ergebnisse sind in Abb. 7a dargestellt. Die Austrittsarbeit von c-TiO₂ sinkt um 0,3 eV nach Cs₂ CO₃ Behandlung. Cs₂ CO₃ wird häufig als effizientes Elektronentransportmaterial in vielen optoelektronischen Geräten durch thermisches Verdampfen oder Lösungsverfahren verwendet. Die genaue Analyse des Elektronentransportmechanismus und der Art der zersetzten Cs-verwandten Spezies, die für die Elektronentransporteigenschaften verantwortlich sind, ist jedoch noch ungewiss und umstritten. Unter früheren Berichten zu lösungsverarbeiteten Cs₂ CO₃ , Liaoet al. zeigte, dass Cs₂ CO₃ zerlegbar in einen dotierten Halbleiter mit niedriger Austrittsarbeit in Form von Cs₂ O dotiert mit Cs₂ O₂ nach thermischem Tempern bei 150°C mittels XPS-Analyse [26]. Diese Form von dotiertem Cäsiumoxid kann als n-Halbleiter mit intrinsisch niedriger Austrittsarbeit wirken, was zur Reduzierung der Austrittsarbeit von c-TiO₂ . beitragen könnte in unserem System. Darüber hinaus gab es keine Änderung des Absorptionsbeginns, wie in Fig. 6b gezeigt, was auf eine geringe Änderung der optischen Bandlücke von c-TiO₂ . hinweist nach der Behandlung.

a USV-Spektren von c-TiO₂ , b Energieniveaudiagramm und c vorgeschlagenes Funktionsprinzip des planaren Sb₂ S₃ Solarzellen mit und ohne Cs₂ CO₃ Behandlung

Das Energiebanddiagramm in Abb. 7b zeigt, dass das Leitungsbandenergieniveau von c-TiO₂ um 0,3 eV zu einer niedrigeren Energie verschoben. Diese Verschiebung führt nicht nur zu einem verbesserten V _OK aufgrund einer Erhöhung des eingebauten Potentials (V _BI ) in den Geräten, aber auch ein erhöhtes J _SC aufgrund der Ausrichtung des Energieniveaus zwischen c-TiO₂ und Sb₂ S₃ um die Ladungstransportbarriere an der Grenzfläche zu reduzieren. Das vorgeschlagene Funktionsprinzip ist in Abb. 7c dargestellt. Im Leerlaufzustand ist das verschobene Leitungsband des c-TiO₂ Schicht um Cs₂ CO₃ Behandlung führt zu einem erhöhten V_BI , was zum verbesserten V . beiträgt _OK . Gleichzeitig ist der erhöhte V_BI führt zu einer größeren Energiebandverbiegung des Sb₂ S₃ Schicht unter Kurzschlussbedingungen, und somit können sich die photogenerierten Elektronen schnell in Richtung des c-TiO₂ . bewegen Schicht. Dieser schnelle Elektronentransport wird als Ursache für das verstärkte J _SC und FF. Somit ist die Cs₂ CO₃ Behandlung auf c-TiO₂ Schicht könnte sowohl V . erhöhen _OK und J _SC gleichzeitig, was zu einem verbesserten PCE führt. Daher Cs₂ CO₃ ist ein vielversprechendes Material für c-TiO₂ Oberflächenmodifikation, da sie die Geräteleistung durch Änderung der Austrittsarbeit und Verbesserung der Elektronentransporteigenschaften verbessert.

Schlussfolgerungen

Cs₂ CO₃ erwies sich als wirksamer Oberflächenmodifizierer zur Verbesserung der Ladungstransportfähigkeit von c-TiO₂ Elektronentransportschicht (ETL) für Sb₂ . vom planaren Typ S₃ Solarzellen. Die UPS-Daten zeigen, dass Cs₂ CO₃ Behandlung kann die Austrittsarbeit von c-TiO₂ . verschieben nach oben, wodurch möglicherweise das eingebaute Potenzial des Geräts erhöht und die Energiebarriere für den Ladungstransport verringert wird. Das c-TiO₂ Oberfläche wurde glatter nach Cs₂ CO₃ Behandlung, was zu einem erhöhten körperlichen Kontakt mit dem Sb₂ . führt S₃ Absorber. Die Solarzellenleistung wurde in allen Parametern gleichzeitig deutlich verbessert, einschließlich V _OK , J _SC , und FF. Dies führte zu einem Anstieg des PCE von 2,83 auf 3,97%, fast 40%. Diese Studie zeigt, dass die Oberflächenbehandlung mit anorganischen Verbindungen wie Cs₂ CO₃ wird eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von hocheffizientem Sb₂ . vom planaren Typ spielen S₃ Solarzellen.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

c-TiO₂ :

Kompaktes TiO₂

EQE:

Externe Quanteneffizienz

ETLs:

Elektronentransportschichten

FCA:

Schneller chemischer Ansatz

FF:

Füllfaktor

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

HTLs:

Lochtransportschichten

J _SC :

Kurzschlussstromdichte

J –V :

Stromdichte–Spannung

m-TiO₂ :

Mesoporöses TiO₂

P3HT:

Poly(3-hexylthiophen)

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

R _S :

Serienwiderstand

R _SH :

Shunt-Widerstand

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

USV:

Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbares Spektrometer

V _BI :

Eingebautes Potenzial

V _OK :

Leerlaufspannung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung