Sb2S3-Dicken-bezogene Photostrom- und optoelektronische Prozesse in TiO2/Sb2S3/P3HT-Planar-Hybrid-Solarzellen

Einführung

Sb₂ S₃ wird wegen seiner moderaten Bandlücke von 1,7 eV und einem Absorptionskoeffizienten von 1,8 × 10 ⁵ . zunehmend für feste Dünnschichtsolarzellen verwendet cm ⁻¹ [1, 2]. Sb₂ S₃ Dünnschichten können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, einschließlich Sprühpyrolyse [3], Elektroabscheidung [4], chemische Abscheidung [5] und thermische Vakuumverdampfungstechnik [6]. In Sb₂ S₃ -basierte photovoltaische Geräte hat der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad (PCE) durch verbesserte Technologie und verbessertes Gerätedesign 5,7–7,5 % erreicht [1, 2, 7,8,9,10]. Die Stromeffizienzen von Festkörperbauelementen bleiben jedoch im Vergleich zu anderen photovoltaischen Bauelementen, wie farbstoffsensibilisierten Solarzellen [11] und Perowskit-Solarzellen [12], immer noch gering. Gegenwärtig konzentrieren sich die meisten Arbeiten normalerweise darauf, die beste Technologie zu finden, um eine bessere optoelektronische Leistung in Festkörperbauelementen zu erzielen [7,8,9,10, 13,14,15]. In dieser Hinsicht ist es zwingend erforderlich, die photoelektronischen Prozesse in Sb₂ . zu studieren S₃ -basierte Solarzellen zur Anleitung des Gerätedesigns und der Optimierung. Dies beinhaltet ein umfassendes Verständnis des Gleichgewichts zwischen Absorption, internem elektrischem Feld und Transportweg sowie relativer Kinetik auf Sb₂ S₃ Photovoltaikleistung, die für die Optimierung des Sb₂ . wichtig ist S₃ -basierte Hybridsolarzellen. In dieser Arbeit wird das konventionelle TiO₂ /Sb₂ S₃ /Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl(P3HT)-n-i-p-Bauelementstruktur wurde verwendet, um die dynamischen Prozesse der Ladungsträgererzeugung und -dissoziation für verschiedene Dicken von Sb₂ . zu untersuchen S₃ .

Es ist offensichtlich, dass die unterschiedliche Dicke von Sb₂ S₃ in TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Solarzellen können (i) die Menge an Photon Harvesting ändern, die die Photonen-erzeugte Elektronen/Loch-Konzentration beeinflusst; (ii) die Größe des internen elektrischen Felds über dem Sb₂ S₃ Schicht, die die durch Photonen erzeugte Elektron/Loch-Drift beeinflusst; (iii) Elektronen/Loch-Transportentfernung zu der jeweiligen Elektrode; und (iv) Elektron/Loch-Rekombination [16, 17]. Der Grund für die Sb₂ S₃ die dickenabhängige Leistung in der Spaltstruktur ist immer noch mehrdeutig, was einfach den Problemen mit dem Volumenwiderstand, der Photonenabsorption, der Erzeugung/Rekombination von Ladungsträgern und dem internen elektrischen Feld zugeschrieben wurde [16,17,18,19,20,21] , aber die detaillierte und quantifizierte Analyse für die dickenabhängigen photovoltaischen Parameter ist noch nicht klar. Um einen Einblick in die Veränderung von J zu erhalten _sc und V _oc auf der Sb₂ S₃ Dicke, TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Solarzellen wurden hergestellt (Abb. 1), und die Dicke von Sb₂ S₃ -bezogene photonengenerierte Elektronen- und Lochtransportprozesse, die zu den unterschiedlichen Photoströmen führen, wurden in dieser Arbeit untersucht. Darüber hinaus führten wir dynamische intensitätsmodulierte Photostrom-/Photospannungsspektren (IMPS/IMVS) und die Charakterisierung des Kelvin-Sondenkraftmikroskops (KPFM) ein, um Photon-zu-Elektron-Prozesse zu untersuchen und die Schlüsselfaktoren zu untersuchen, die die Geräteleistung in verschiedenen Dicken von Sb<. bestimmen sub>2 S₃ Solarzellen.

Illustration von TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Solarzellenarchitektur.h ⁺ bezeichnet das Loch und e ⁻ bezeichnet das Elektron

Methoden

Reagenzien

Geätzte FTO-beschichtete Glassubstrate wurden von Huanan Xiangcheng Co., Ltd., China, bezogen. SbCl₃ (99%), Na₂ S₂ O₃ (99%) und Titandiisopropoxid (75% in Isopropylalkohol) wurden von Adamas-beta bezogen. P3HT wurde bei Xi’an Polymer Company, China, und Ag (99,999 %) bei Alfa bestellt.

Geräteherstellung

Die Substrate wurden durch Ultraschall in Seifenwasser, Aceton und Isopropanol für jeweils 60 min gereinigt, gefolgt von einer Behandlung mit UV-Ozon für 30 min. Eine dünne Schicht kompakten TiO₂ (0,15 &mgr;M Titandiisopropoxid in Ethanol) wurde 60 s lang bei 4500 Upm schleuderbeschichtet, gefolgt von einem Tempern bei 125 °C für 5 min und 450 °C für 30 min. Ablagerung von Sb₂ S₃ auf der Oberseite des TiO₂ Dünnschicht wurde durch ein chemisches Badabscheidungsverfahren (CBD) durchgeführt [5, 10, 22]. Eine Acetonlösung mit SbCl₃ (0,3 M) wurde tropfenweise in Na₂ . gegeben S₂ O₃ (0,28 M) unter Rühren in einem Eisbad (~ 5 °C). Das FTO-Substrat wurde mit einer dünnen Schicht aus TiO₂ . bedeckt und dann kopfüber in der wässrigen Lösung suspendiert, als sich die Farbe der Lösung nach orange änderte. Nach 1 h, 1,5 h, 2 h und 3 h des CBD-Prozesses entsteht ein glattes und gleichmäßiges amorphes Sb₂ S₃ Schicht wurde auf dem TiO₂ . abgeschieden -beschichtete FTO-Substrate, und die Probe wurde gründlich mit entionisiertem Wasser gespült und unter N₂ . getrocknet fließen. Das Substrat wurde 30 min in einer Glovebox weiter getempert (O₂ :0,1 ppm, H₂ O:0,1 ppm) unter einem N₂ Atmosphäre. Die Herstellung des n-i-p-Heteroübergangs wurde durch Schleudergießen (1500 U/min für 60 Sekunden) eines P3HT-Films (15 mg/ml) auf Sb2S3 in einer Glovebox (O₂ .) abgeschlossen :0,1 ppm, H₂ O:0,1 ppm) unter einem N₂ Atmosphäre. Schließlich das MoO₃ (10 nm) und Ag (100   nm) Elektrode wurde durch Aufdampfen durch eine Lochmaske abgeschieden.

Instrumente und Charakterisierung

Röntgenbeugungsmuster (XRD) des Films wurden mit einem MXP18AHF-Röntgendiffraktometer mit Cu Kα-Bestrahlung (λ = 1,54056 Å). Rasterelektronenmikroskopische (REM) Messungen wurden an einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (ZEISS, GeminiSEM 300) durchgeführt. Die Absorptionsspektren wurden mit einem Shimadzu UV-2600-Spektrophotometer aufgenommen. Stromdichte–Spannung (J –V ) Eigenschaften wurden unter AM 1,5 Beleuchtung mit einer Intensität von 100 mW/cm ² . gemessen unter Verwendung eines 94023A Oriel Sol3A Sonnensimulators (Newport Stratford, Inc.). Die Lichtintensität einer 450 W-Xenonlampe wurde mit einer Standard-Solarzelle aus kristallinem Silizium kalibriert. Die J–V Kurven wurden unter Verwendung einer Oriel I-V-Teststation (Keithley 2400 Source Meter, Newport) gesammelt. Die Spektren der externen Quanteneffizienz (EQE) der Solarzellen wurden unter Verwendung eines QE/IPCE-Messkits (Zolix Instruments Co., Ltd.) im Spektralbereich von 300–900 nm gemessen. Intensitätsmodulierte Photostromspektren (IMPS) und intensitätsmodulierte Photospannungsspektren (IMVS) wurden unter Verwendung einer elektrochemischen Workstation (IviumStat.h, Niederlande) unter Umgebungsbedingungen mit einer Hintergrundintensität von 28,8 mW/cm ² . gemessen von einer weißen Leuchtdiode mit einer kleinen sinusförmigen Störtiefe von 10 %. Das Kelvin-Sondenkraftmikroskop (KPFM) wurde mit einem Agilent SPM 5500 Rasterkraftmikroskop mit einem MAC III-Controller (bestehend aus drei Lock-in-Verstärkern) zur Abbildung des Oberflächenpotentials (SP) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Ablagerung und Charakterisierung von Sb₂ S₃ /TiO₂ Film

FE-REM-Bilder (Abb. 2a) zeigen deutlich, dass unterschiedliche Dicken von Sb₂ S₃ Film werden auf TiO₂ . abgeschieden schichtbeschichtete Glassubstrate mit der unterschiedlichen CBD-Zeit t (1,0 h, 1,5 h, 2,0 h, 3,0 h). Es ist zu erkennen, dass das einheitliche Sb₂ S₃ Schichten wurden erfolgreich durch CBD-Techniken erhalten. Die durchschnittliche Dicke des Sb₂ S₃ Der aus den Querschnitts-FE-SEM-Bildern geschätzte Film ist in Fig. 2b als Funktion der CBD-Zeit aufgetragen. Die durchschnittliche Dicke d von Sb₂ S₃ Film steigt linear mit t (Abb. 2b). Die durchschnittliche Dicke stieg fast linear von 96 auf 373 nm, indem die CBD-Zeit von 1 auf 3 h geändert wurde. Die XRD-Muster von Sb₂ S₃ Film mit unterschiedlicher Dicke von Sb₂ S₃ Film auf FTO-Glas sind in Abb. 3 dargestellt. Das gemessene XRD-Spektrum ist auf orthorhombisches Sb₂ . indiziert S₃ (JCPDS PCPDFWIN #42-1393) [23].

a FE-REM-Querschnittsbilder von Sb₂ S₃ Filme auf TiO₂ dichtschichtbeschichtete Glassubstrate. b Durchschnittlicher Sb₂ S₃ Dicke d aufgetragen als Funktion der CBD-Reaktionszeit t für die Sb₂ S₃ Filmabscheidung. Die Werte wurden durch die FE-REM-Querschnittsbilder geschätzt

XRD-Muster des so synthetisierten Sb₂ S₃ Film auf FTO mit unterschiedlicher Abscheidungszeit. Probe 1 ist das reine FTO-Glassubstrat und die Proben 2–5 sind Sb₂ S₃ Filme mit t von 1 h, 1,5 h, 2 h bzw. 3 h

Wie in Abb. 4 gezeigt, ist das TiO₂ Proben zeigen den Absorptionsbeginn bei 386 nm (3,21 eV) entsprechend der Bandlücken-Absorption von TiO₂ [24]. Das gesamte abgeschiedene TiO₂ /Sb₂ S₃ Schichten mit verschiedenen t von CBD weisen eine Absorptionskante bei ca. 750 nm [25]. Die Absorptionsintensität von Sb₂ S₃ auf dem TiO₂ Oberflächen ist eindeutig in der Reihenfolge 3 h > 2 h > 1.5 h > 1 h. Dieses Ergebnis zeigt auch, dass die Sb₂ S₃ Film wird mit längerem CBD allmählich dicker t , die auch mit den REM-Ergebnissen übereinstimmt.

Die UV-Vis-Absorption von TiO₂ und TiO₂ /Sb₂ S₃ Filme mit t von jeweils 1–3 h

Solarzellen

J -V Eigenschaften von Solarzellen mit unterschiedlicher Dicke d (d. h. CBD t ) werden in Abb. 5a verglichen. Tabelle 1 zeigt die Photovoltaik-Gesamtleistung dieser Geräte. Zunehmende Dicke d (d. h. CBD-Zeit t ) beeinflusst die Geräteleistung erheblich. Der PCE steigt mit d steigt von 96 auf 175 nm (d. h. t von 1,0 auf 1,5 h erhöht) und nimmt danach ab, insbesondere nimmt sie stark nach d . ab> 280 nm (d. h. t> 2 h). Optimales Sb₂ S₃ Dicke von 175 nm kann durch Vergleich der Gerätewirkungsgrade bestimmt werden, an welchem ​​Punkt ein maximaler PCE von 1,65%, J _sc von 6,64 mA cm ⁻² , V _oc von 0,61  V und FF von 40,81 % erreicht werden. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit den Berichten der anderen [16, 26]. Liuet al. untersucht hybrides ZnO/Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Zellen mit Sb₂ S₃ Schichten mit drei unterschiedlichen Dicken (50, 100 und 350 nm) durch thermisches Verdampfen, die den höchsten PCE (~ 2%) mit dem 100 nm dicken Sb₂ . erreichen S₃ [12]. Kamruzzamanet al. untersucht TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Zellen mit Sb₂ S₃ Dicken von 45–120 nm durch ein thermisches Verdampfungsverfahren, und der Absorber Sb₂ S₃ und Lochtransportschicht P3HT wurden unter atmosphärischen Bedingungen getempert. In ihren Studien zeigte die Dicke von 100–120 nm eine bessere Leistungsumwandlungseffizienz von 1,8–1,94% [26]. Offensichtlich ist die Dicke von Sb₂ S₃ wirkt sich tatsächlich stark auf die Geräteleistung aus, selbst durch unterschiedliche Abscheidungsstrategien von Sb₂ S₃ Film- oder Glühbedingung.

a J–V Kurven und b EQE-Spektren der Solarzellen mit unterschiedlichem CBD t für Sb₂ S₃ Film

Transport berechnen

Das Gerät J _sc steigt merklich mit steigendem Sb₂ S₃ Dicke d von 96 auf 175 nm und sinkt dann mit dem d erhöht (Abb. 5 und Tabelle 1). Das Gerät J _sc hängt stark vom Sb₂ . ab S₃ Dicke d. Die Ladungsträgererzeugung und -dissoziation sind Schlüsselprozesse für die Photostromerzeugung. Erstens wird sichtbares Licht durch das TiO₂ . hindurchtreten Schicht aufgrund ihrer Fenstereigenschaft für sichtbares Licht (Abb. 4) und beginnen, von TiO₂ . absorbiert zu werden /Sb₂ S₃ Schnittstelle. Sb₂ S₃ hat sich als hoher Absorptionskoeffizient erwiesen α etwa 10 ⁵ cm ⁻¹ im sichtbaren Bereich [27]. Hier nehmen wir α = 10 ⁵ cm ⁻¹ für Sb₂ S₃ . Die dickenabhängige Beleuchtungstiefe ist in Abb. 6 nach dem Lambert-Beer-Gesetz I . dargestellt (x ) = Ich ₀ e ^-ax , in dem das Ich ₀ ist der einfallende Photonenfluss und das I (x ) ist der Photonenfluss in Sb₂ S₃ . Offensichtlich können die einfallenden Photonen nicht vollständig absorbiert werden, wenn Sb₂ S₃ hat eine Dicke von 100 nm oder 200 nm (Abb. 6b). Die d -bezogener Anteil absorbierter Photonen (N_a )/einfallende Photonen (N_i ) kann durch Integration der Fläche der schattierten Fläche in die Koordinate berechnet werden. Wie in Abb. 6b gezeigt (siehe auch Abb. 7b), ist die N_a /N_i beträgt 61 %, wenn die d = 96 nm und N_a /N_i wird auf 82 % erhöht, wenn das d = 175 nm. Es kann angenommen werden, dass die weiteren 21% der absorbierten Photonen den Anstieg von J . verursachen könnten _sc von 5,50 bis 6,64 mA/cm ² . Wenn das d auf 280 nm ansteigt, werden die zusätzlichen 11% Photonen absorbiert und die N_a /N_i wird weiter auf 93% erhöht, was zeigt, dass mehr Photonen weiter absorbiert werden könnten und dann mehr Elektronen erzeugen könnten. Das Gerät J _sc verringert auf 5,06 mA/cm ² was niedriger ist als im Fall von d = 96 nm. Wenn das d steigt auf 373 nm an, die N_a /N_i liegt nahe 100 % und das Gerät J _sc ist stark auf 2,64 mA/cm ² . gesunken . Daher ist die Absorption nicht der einzige Faktor, der J . beeinflusst _sc .

Die Illustration des Sb₂ S₃ Dicke d -abhängige Beleuchtungstiefe x und E _in

a Semilogarithmische Darstellungen von J–V charakteristisch im Dunkeln der Solarzellen mit unterschiedlichem CBD t für Sb₂ S₃ Film. b Abhängigkeiten von V _in , J _sc , N _a /N _ich , E _ke , und E _kh auf Sb₂ S₃ Dicke d

Die halblogarithmischen Diagramme der J–V Die Kurve von Solarzellen im Dunkeln weist normalerweise drei verschiedene Regime auf:( i) linearer Anstieg für leckagedominierten Strom, (ii) exponentieller Anstieg für diffusionsdominierten Strom und (iii) quadratischer Anstieg für raumladungsbegrenzten Strom. Die eingebaute Spannung (V _in ) kann normalerweise an dem Wendepunkt geschätzt werden, an dem die dunkle Kurve beginnt, einem quadratischen Verhalten zu folgen (Abb. 7a). Abhängigkeiten von V _in , J _sc , N _a /N _ich , E _ke , und E _kh zu CBD t sind in Abb. 7b dargestellt. Wenn d von 96 auf 175 nm erhöht, die N _a /N _ich verbessert 34,44 %; jedoch die J _sc nur um 20,72 % gestiegen, was bedeutet, dass es einen weiteren Faktor gibt, der das J . begrenzt _sc Zuwachs. Es wurde gefolgert, dass dies auf das verringerte interne elektrische Feld über dem Sb₂ . zurückzuführen sein könnte S₃ Schicht, die die durch Photonen erzeugte Elektron/Loch-Drift schwächte [16]. Daher haben wir das interne elektrische Feld E . berechnet _in überqueren Sie die Sb₂ S₃ basierend auf der Beziehung von E _in = V _in /d (Tabelle 2). Darüber hinaus ist die Driftgeschwindigkeit des Elektrons v _e und Loch v _e , kinetische Energie des Elektrons E _ke , und Loch E _kh unter internem elektrischem Feld E _in wurden ebenfalls berechnet (Tabelle 2 und Abb. 7b). Wenn das d ist 96 nm, das E _ke beträgt 296,56 meV und E _kh beträgt 53,25 meV. Wenn das d auf 175 nm erhöht, das E _ke sinkt weitgehend auf 95,29 meV und E _kh auf 17,12 meV verringert, was niedriger ist als die Wärmeenergie bei Umgebungstemperatur (E _kt , 26 meV). Dieses Ergebnis zeigt, dass das interne elektrische Feld geringe Auswirkungen auf die Lochdrift hat, wenn Sb₂ S₃ Dicke ist oder größer als 175 nm. Offensichtlich ist das reduzierte E _ke und E _kh mit dem dickeren Sb₂ S₃ sollte der Grund sein, der das Inkrement von J . begrenzt _sc . d . weiter erhöhen von 175 bis 280 nm, die N _a /N _ich erhöht auf 13,84 %; jedoch die J _sc abgenommen bekommen. Dies könnte an der Abnahme von E . liegen _ke das ist in der Nähe des E _kt (d = 280 nm), aber viel niedriger als das E _kh (d = 373 nm), was das E . bedeutet _in hat allmählich geringe Auswirkungen auf die Elektronendrift, wenn d> 280 nm, wie in dieser Arbeit beobachtet. Daher E _in dekrementbedingte Elektronendrift könnte für das J . verantwortlich sein _sc Reduzierung wenn d von 175 auf 280 nm erhöht. Wenn jedoch das d auf 373 nm erhöht, das E _in hat geringe Auswirkungen auf die Elektronen- und Lochdrift, aber J _sc immer noch stark zurückgegangen, was darauf hindeutet, dass E _in ist auch nicht der einzige Faktor, der die J beeinflusst _sc .

Wir haben KPFM verwendet, um die photogenerierten Elektronen und das lochkonzentrationsbezogene Oberflächenpotential (SP) in Sb₂ . zu charakterisieren S₃ /P3HT. Die Probe für die KPFM-Messung wurde durch Tropfengießen der P3HT-Vorläuferlösung auf einen Teil des FTO/TiO₂ . hergestellt /Sb₂ S₃ Filmoberfläche (Abb. 8). Als Sb₂ S₃ Dicke steigt von 96 auf 373 nm, der SP auf der Oberseite von Sb₂ S₃ wird allmählich kleiner, was bedeutet, dass das Fermi-Niveau auf dem Sb₂ S₃ Oberfläche wird niedriger [28]. Dies zeigt, dass Elektronen, die zur oberen Oberfläche diffundieren könnten, allmählich reduziert werden, was darauf hindeutet, dass es in dickerem Sb₂ . einen minderwertigen Bereich für photogenerierte Elektronen gibt S₃ Film wie in Abb. 6 gezeigt. Wir haben auch den SP des P3HT-Teils untersucht. Die Änderungen von SP des P3HT unterscheiden sich von denen von Sb₂ S₃ . P3HT könnte durch Licht angeregt werden, um Exzitonen zu erzeugen und sich dann in Elektronen und Löcher aufzuspalten [29, 30], wenn Sb₂ S₃ ist sehr dünn (< 200 nm). Wenn Sb₂ S₃ dicker wird, wirkt P3HT nur noch als Lochtransportschicht, da die meisten Photonen von Sb₂ . absorbiert werden S₃ (Abb. 3). Wenn die Dicke von Sb₂ S₃ kleiner 280 nm ist, könnte P3HT photoangeregt sein, was dazu führt, dass der Fermi-Wert von P3HT allmählich abnimmt, wenn Sb₂ S₃ die Dicke nimmt allmählich zu (verringerte Photoexzitonen). Im Fall von 280 nm fällt der SP von P3HT schnell ab, da keine Photoexzitonen vorhanden sind und P3HT nur als Lochtransportschicht zum Sammeln von Löchern dient. Als Sb₂ S₃ Die Dicke steigt auf 373 nm an, was viel größer ist als die Lochtransportlänge, die Lochsammlung sinkt ebenfalls schnell, wodurch das Fermi-Niveau in P3HT wieder ansteigt. Darüber hinaus sind die Änderungen von SP in P3HT viel größer als die in Sb₂ S₃ im Fall von d = 373 nm, was bedeutet, dass die Lochsammlung schlechter ist als die Elektronensammlung und daher wahrscheinlich zu einem stark verringerten J . führen würde _sc .

Illustration der SP-Messung von Sb₂ S₃ /P3HT-Schnittstelle von KPFM

Darüber hinaus wurden IMPS und IMVS als leistungsfähige dynamische photoelektrochemische Methoden in farbstoffsensibilisierten Solarzellen [31] und Perowskit-Solarzellen [32] in dieser Arbeit zur Untersuchung der Ladungstransportdynamik eingesetzt. IMPS/IMVS misst die Photostrom-/Photospannungsantwort auf eine kleine sinusförmige Lichtstörung, die der Hintergrundlichtintensität überlagert ist, unter Kurzschluss-/Unterbrechungsbedingungen [31,32,33]. Die gemessenen IMPS- oder IMVS-Antworten erscheinen im vierten Quadranten der komplexen Ebene mit einer Form des verzerrten Halbkreises (Abb. 10a, b). Die Zeitkonstante τ definiert durch die Frequenz (f min) der niedrigsten imaginären Komponente der IMPS- oder IMVS-Antwort ist eine Bewertung der Laufzeit τ _IMPS damit die Elektronen die Sammelelektrode im Kurzschlusszustand erreichen oder die Elektronenlebensdauer τ _IMVS im Zusammenhang mit der Grenzflächenladungsrekombination unter der Bedingung des offenen Stromkreises. Nach der Beziehung τ = (2πf ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS und τ _IMVS in den Geräten berechnet (Tabelle 1). Die erhöhte τ _IMPS schlägt einen längeren Transportweg der Ladungen zur Sammelelektrode vor, während das unveränderte τ _IMVS folgert die gleiche Grenzflächenladungsrekombination [33]. Die Effizienz der Ladungssammlung an der Grenzfläche η _c wird typisch als η . angesehen _c = 1-τ _IMPS /τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Offensichtlich ist die längere Transportzeit der τ _IMPS und die kurze Grenzflächenladungsrekombinationslebensdauer des τ _IMVS würde zu einer schlechteren Gebührenerhebung führen und umgekehrt. In dieser Studie wurden die τ _IMPS steigt mit dem dickeren Sb₂ S₃ während die τ _IMVS ist unverändert. Daher ist die Grenzflächenladungssammeleffizienz η _c nimmt mit dem dickeren Sb₂ . ab S₃ , und die Änderungen von J _sc in unterschiedlicher Dicke von Sb₂ S₃ Solarzellen sollten durch den Transportweg und die Ladungssammlungseffizienz verursacht werden, nicht durch Ladungsrekombination.

Der Anstieg von Sb₂ S₃ Dicke könnte mehr Photonen absorbieren, was den Photostrom verstärken könnte. Allerdings in dickerem Sb₂ S₃ Schicht werden die meisten Elektronen und Löcher in der Nähe des TiO₂ . erzeugt Seite aufgrund exponentieller Photonenabsorption (Abb. 10c); daher ist der Transportweg der meisten Elektronen fast gleich. Die meisten Löcher müssen jedoch auf einem längeren Weg diffundiert werden als Elektronen im dickeren Sb₂ S₃ Schicht, was durch längeres τ . demonstriert wird _IMPS in Abb. 10d. Wenn die Dicke die Lochdiffusionslänge überschreitet, wird der untere Bereich in Sb₂ S₃ für eine ineffiziente Locherzeugung und -transport würde den Photostrom verringern und das J . schwächen _sc und EQ. Die Lochdiffusionslänge in Sb₂ S₃ liegt bei etwa 180 nm [18]. Wenn die Dicke von Sb₂ S₃ die Lochdiffusionslänge überschreitet, wird die Sammelleistung von Löchern reduziert, was auch durch EQE-Spektren (Abb. 5b) beantwortet wird, da der Absorptionskoeffizient der Langwelle viel niedriger ist als der der Kurzwelle, was zu einer längeren Beleuchtungstiefe für Langwellen führt ( Abb. 9) [35]. Fotogenerierte Löcher aus einem langen Band könnten sich gleichmäßiger in Sb₂ . verteilen S₃ als die aus dem kurzen Band (photoerzeugte Löcher aus dem kurzen Band könnten nahe an TiO₂ . sein Seite), was zu einer effizienteren Sammlung des Lochs aus dem langen Band führt. Daher wurde die EQE im langwelligen Teil nicht so stark verringert wie im kurzwelligen Teil mit Sb₂ S₃ Dicke von 373 nm (Abb. 5b).

KPFM-Bilder von Sb₂ S₃ von 1 h (a ), 1,5 h (b ), 2 h (c ) und 3 h (d ) und P3HT auf Sb₂ S₃ von 1 h (e ), 1,5 h (f ), 2 h (g ) und 3 h (h ) jeweils unter Weißlichtbeleuchtung aus FTO-Glas. ich , j Die entsprechenden SP-Verteilungen von Sb₂ S₃ und P3HT

Wie in Abb. 10d gezeigt, ist leicht zu verstehen, dass ein kleineres τ _IMPS wird von einem dünneren Sb₂ . begleitet S₃ (d. h. ein kürzerer Ladungstransportweg); jedoch τ _IMVS bleibt im Wesentlichen gleich, wenn Sb₂ S₃ Dicke in diesem Experiment von 96 auf 373 nm erhöht, was bedeutet, dass es keine direkte Abhängigkeit von J . gibt _sc und V _oc auf τ _IMVS (d. h. Grenzflächenrekombination), wenn Sb₂ S₃ Dickenänderungen. Es ist bekannt, dass die V _oc des TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT-Solarzellen wird normalerweise durch die Differenz zwischen den Quasi-Fermi-Niveaus der Elektronen im TiO₂ . bestimmt und die Löcher im P3HT [36]. Da die Ansammlung von Löchern in P3HT reduziert wird, wenn die Dicke von Sb₂ S₃ größer als die Lochdiffusionslänge ist, würde dies den Unterschied zwischen den Quasi-Fermi-Niveaus von Elektronen und Löchern für ein niedrigeres V . erhöhen _oc . Außerdem ein dickeres Sb₂ S₃ würde den höheren Serienwiderstand und die schlechtere Ladungssammlungseffizienz erhöhen; diese ungünstigen Faktoren können zu einem niedrigeren FF in dickerem Sb₂ . führen S₃ Gerät.

a IMPS und b IMVS-Charakterisierungen von Solarzellen mit unterschiedlichem CBD t für Sb₂ S₃ Film. c Illustration des Elektronen- und Lochdiffusionsbereichs für kurz- und langwellige Beleuchtung. d Abhängigkeit von τ _IMPS und τ _IMVS zu CBD t

Obwohl die Effizienz von planarem TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p-Solarzellen ist sehr niedrig, und die weitere Verbesserung der Geräteeffizienz ist eine Herausforderung. Unsere Ergebnisse zeigten jedoch immer noch, dass einige weitere Verbesserungen durchgeführt werden könnten. Beispielsweise könnte das Verstärken des eingebauten elektrischen Felds durch Verwenden einer anderen Elektronentransportschicht oder Lochtransportschicht den Ladungstransport und die Ladungssammlung verbessern. Darüber hinaus sollte in Betracht gezogen werden, wie die Lochdiffusionsfähigkeit verbessert werden kann; vielleicht sind einige leitfähige Zusätze hilfreich. Darüber hinaus ist der Grenzflächeningenieur auch wichtig, um die Ladungsübertragung und -dissoziation zu verbessern. Nicht zuletzt könnte die in diesem Artikel beschriebene Methode eine hilfreiche Referenz für andere relativ hocheffiziente Solarzellen bieten (z. B. organische Solarzellen, Perowskit-Solarzellen).

Conclusion

In this paper, the mechanism of photocurrent changes in TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p solar cells with different thickness of Sb₂ S₃ was studied. When the thickness is less than the hole transport length, the absorption and internal electric field are the main factors that affect the photocurrent; when the thickness is larger than the hole transport length, the inferior area in Sb₂ S₃ for an inefficient hole generation and transport is the main reason for photocurrent decrement. Results showed that device short-circuits’ current density (J _sc ) is increased with the enhanced photon absorption when the Sb₂ S₃ thickness is less than the hole transport length; however, when the Sb₂ S₃ thickness is larger than the hole transport length, device J _sc is sharply decreased with further increased absorption. Internal electric field decrement-related electron drift could lead to the reduction in the J _sc when the thickness of Sb₂ S₃ is less than the hole transport length. However, when the thickness of Sb₂ S₃ is larger than the hole transport length, the internal electric field has little effects on electron and hole drift, but J _sc still largely decreased. KPFM and IMPS/IMVS characterization demonstrated that there is an inferior region for photo-generated electrons in thicker Sb₂ S₃ film. The inferior area in Sb₂ S₃ for a reduction of holes that can diffuse into the P3HT when the Sb₂ S₃ thickness is larger than the hole diffusion length, leading to the obviously decreased J _sc . Moreover, the reduced collection of holes in P3HT with the increased thickness of Sb₂ S₃ would increase the difference between the quasi-Fermi levels of electrons and holes for a lower V _oc .

Abkürzungen

CBD:

Chemical bath deposition

E _in :

Internal electric field

E _ke :

Kinetic energy of the electron

E _kh :

Kinetic energy of the hole

E _kt :

Thermal energy at ambient temperature

EQE:

Externe Quanteneffizienz

FF:

Fill factor

IMPS:

Intensity-modulated photocurrent spectra

IMVS:

Intensity-modulated photovoltage spectra

J –V :

Current density–voltage

J _sc :

Kurzschlussstrom

KPFM:

Kelvin probe force microscope

N_a :

Absorbed photon

N_i :

Incident photons

P3HT:

Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl

PCE:

Photoelectric conversion efficiency

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

SP:

Surface potential

UV-Vis:

Ultraviolet-visible spectroscopy

v _e :

Drift velocity of the electron

v _h :

Drift velocity of the hole

V _in :

Built voltage

V _oc :

Leerlaufspannung

XRD:

Röntgenbeugung