Wysokowydajne równoległe tandemowe ogniwo słoneczne MoTe2/perowskit oparte na zredukowanym tlenku grafenu jako warstwie transportującej dziury

Organiczno-nieorganiczne hybrydowe metaliczne perowskity konsekwentnie wzbudzają niezwykłe zainteresowanie naukowców w społeczności fotowoltaicznej ze względu na ich wyjątkowe właściwości półprzewodnikowe, takie jak:łatwy proces wytwarzania,długa długość dyfuzji1, długa żywotność nośnika2, panchromatyczna absorpcja światła3itp. Do tej pory maksymalna wydajność konwersji energii (PCE) osiągnięta w jednozłączowych perowskitowych ogniwach słonecznych (PSC) wynosiła aż 25,5 procent1. Aby jeszcze bardziej zwiększyć PCE ograniczone limitem Shockleya-Queissera (SQ), zastosowano kilka różnych strategii, a mianowicie efekt mnożenia nośników w celu zebrania dodatkowej energii (hυ-Eg) fotonów o energii większej niż pasmo wzbronione (Eg)4 oraz wielozłączowe absorbery do zbierania fotonów o energii mniejszej niż np5. Podczas gdy wciąż niepraktyczne i nieuchwytne jest uzyskanie PCE poprzez zjawisko mnożenia nośników, wielozłączowe (tandemowe) PSC z powodzeniem osiągnęły PCE na poziomie 29,15 procent6. Jednak zainspirowany osiągnięciami odpowiedników tandemowych PSC, wielozłączowych ogniw słonecznych opartych na GaAs i GaInP, które osiągnęły maksymalny PCE na poziomie 38,8 proc.7, jest jeszcze Arosnące zainteresowanie dalszą poprawą wydajności wielozłączowego PSC. To zachęciło do poszukiwańnowe materiały i architektury wielozłączowych PSC. 

Kliknij tutaj, aby poznać właściwości przeciwutleniające Cistanche

Półprzewodnikowe dichalkogenki metali przejściowych (TMD), w tym MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 i WSe2, stają się bardzo imponującymi absorberami dla ogniw słonecznych ze względu na ich ultrawysokie współczynniki absorpcji8, elastyczność mechaniczną9, wysoką ruchliwość nośników10, wraz z idealnym pasmem wzbronionym dla fotowoltaiki aplikacje8. Warto zauważyć, że warstwa TMD cieńsza niż 20 nm jest w stanie zaabsorbować światło nawet dziesięciokrotnie większe niż dobrze znane półprzewodniki z bezpośrednim pasmem wzbronionym8. Podczas gdy TMD, zwłaszcza MoS2, były szeroko stosowane jako warstwy transportu nośnika (HTL) w PSC11,12, nie ma doniesień o czerpaniu korzyści ze zdolności absorpcyjnej TMD w celu poprawy wydajności absorpcji światła w PSC. Chociaż większość TMD ma prawie taką samą wielkość pasma wzbronionego jak perowskity, masowy MoTe2 z pasmem wzbronionym około 1 eV byłby uzupełniającym materiałem pochłaniającym dla perowskitu do zbierania światła słonecznego w bliskiej podczerwieni (NIR). Silna zdolność absorpcji NIR przez MoTe2, wraz z brakiem zwisających wiązań na jego powierzchni, właściwość TMD, która pochodzi z ich słabego oddziaływania międzywarstwowego van der Waalsa (vdW), stanowi podstawę MoTe2 jako odpowiedniego kandydata do heterostruktury z materiałami perowskitowymi dla tandemowych ogniw słonecznych13,14. Eksperymentalnie dostępne niedrogie chemiczne i mechaniczne metody złuszczania pozwalają na jednorodne i jednorodne przygotowanie cienkiej warstwy MoTe215,16. Dlatego bardziej wartościowe byłoby zbadanie wykorzystania materiałów MoTe2 jako wspierającej warstwy pochłaniającej, aby skorzystać z absorpcji MoTe2.

Tutaj przedstawiamy numerycznie i proponujemy równoległe wielozłączowe PSC typu Planar z obszarem absorbującym wykonanym z cienkiego MoTe2 i CH3NH3PbI3. Główne urządzenie składa się z warstw ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/Spiro-OMeTAD/Ag, konfiguracja, która również została wykonana z MoS{10}}. Doskonale pożądane wyrównanie pasm MoTe2 z innymi warstwami, wraz z jego wysoką zdolnością absorpcji NIR, znacząco toruje drogę do osiągnięcia wyższej wydajności fotowoltaicznej. W porównaniu z jednozłączowymi PSC proponowane urządzenie zapewnia wzrost PCE z 14,01 do 18,52 procent. Przeprowadzając dokładną analizę numeryczną wydajności urządzenia MoTe2 zależnego od grubości, uzyskano optymalną grubość 25 nm, czyli o kilka rzędów amplitudy cieńszą niż poprzednie podtrzymujące warstwy pochłaniające, które dotychczas zgłaszano w wielozłączowych PSC17.

Niemniej jednak jest dobrze znanym faktem, że wykorzystanie absorbera o niskim paśmie wzbronionym jest szkodliwe dla napięcia obwodu otwartego (VOC) ogniw słonecznych ze względu na ograniczoną separację elektronów i dziur na poziomie quasi-fermiego. Podobnie zaobserwowaliśmy zmniejszenie Voc po przekształceniu struktury w urządzenie wielozłączowe. Aby zrekompensować te straty fotowoltaiczne, zastąpiliśmy arkusz ze zredukowanym tlenkiem grafenu (rGO) Spiro-OMeTAD jako HTL, aby poprawić ekstrakcję i transport otworów. Arkusz rGO znakomicie poprawia VOC i PCE urządzenia odpowiednio do 0,928 i 20,32 procent . Warto zauważyć, że skuteczne działanie warstwy rGO zarówno jako warstwy pośredniej, jak i warstwy transportującej ładunek zostało dobrze udowodnione w PSC18–23.

Podstawowe równania i modele

W tej pracy używamy hybrydowego modelu optycznego i elektrycznego do obliczenia i oceny przedstawionych struktur. Przedstawimy ich tradycyjne sformułowanie (tj. w dziedzinie częstotliwości), a następnie omówimy rozszerzenie na dziedzinę czasu. Metoda elementów skończonych (MES) służy do rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych (PDE).

Model optyczny.

Rysunek 1A przedstawia schematyczny diagram naszego podstawowego planarnego schematu PSC. Od góry do dołu struktura jest ułożona w przezroczystą puszkę indutlenek(ITO), kompaktowa elektroda tytanowadwutlenek(TiO2), perowskitu jodku metyloamoniowego ołowiu (CH3NH3PBI3), warstwy N,N-di(4-metoksyfenylo)amino]-9,9′-spirobifuorenu (spiro-OMeTAD) oraz tylna elektroda srebrna (Ag). Światło padające wpada do komórki z warstwy ITO i jest w pewnym stopniu absorbowane przez warstwę perowskitu. Również wpadające światło podlega wielokrotnemu odbiciu dzięki tylnemu odbłyśnikowi Ag, który zwiększa absorpcję. W celu ilościowego oddziaływania między falami elektromagnetycznymi a warstwami oraz rozkładu pola elektrycznego (E) rozwiązano równanie Helmholtza (przedstawione w następujący sposób):

struktury. Formuła Gopta jest następująca:

gdzie ℏ jest zredukowaną stałą Plancka, a ε" jest urojoną częścią względnej przenikalności. Jak wynika ze wzoru, Gopt jest proporcjonalne do kwadratu natężenia E na określonej długości fali. Te całkowite tempo generowania (Gtot) może być oblicza się przez całkowanie Gopt po szerokości pasma długości fali padającego światła.

Model elektryczny. Następująca dobrze znana relacja J–V jest używana do opisania charakterystyki elektrycznej obecnych PSC:

w celu obliczenia prądów należy rozwiązać następujące równania Poissona i ciągłości w całym urządzeniu:

Wyniki i dyskusja

Jak wspomniano wcześniej, referencyjny PSC składa się z warstw ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, Ag, jak pokazano na ryc. 1a. Warstwy ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag działają odpowiednio jako przednia przezroczysta elektroda, warstwa transportująca elektrony (ETL), warstwa pochłaniająca, warstwa transportująca dziury (HTL) i tylna elektroda. W całym tym manuskrypcie grubość warstw ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD i Ag jest ustalona odpowiednio na 50, 90, 200, 100 i 100 nm. Rycina 1b przedstawia schemat pasm energii elementów w strukturze, potwierdzający korzystne wyrównanie pasm dla przenoszenia elektronów i dziur w urządzeniu. Ściśle mówiąc, spore pasmo walencyjne zestawu między perowskitem (-5,48 eV) a ETL (-7,45 eV) skutecznie blokuje wstrzyknięcie dziury, podczas gdy ich pasmo przewodnictwa jest ładnie wyrównane do zbierania wzbudzonych elektronów w warstwie perowskitu. I odwrotnie, wyrównanie pasm między CH3NH3PBI3 (-3,93 eV) i Spiro-OMeTAD (-1,95 eV) umożliwia odpowiednio wykonalne przeniesienie dziury w paśmie walencyjnym, podczas gdy utrudnia przeniesienie elektronu w paśmie przewodnictwa. Parametry wejściowe, wartości energetycznego pasma wzbronionego (Eg) oraz powinowactwa elektronowego (χ) wszystkich składowych dobierane są zgodnie z literaturą17,24,25, a ich wartości są indeksowane do poziomu próżni. Czarna krzywa na ryc. 1c pokazuje całkowitą absorpcję w referencyjnym PSC. Dane dotyczące współczynnika załamania światła TiO2, CH3NH3PBI3 i

spiro-OMeTAD pochodzi z pozycji bibliograficznych 26–28. Obszar zacieniony na niebiesko na ryc. 1c przedstawia widma absorpcji PSK w strukturze. Oczywiste jest, że warstwa perowskitu może absorbować światło słoneczne tylko w zakresie 300–800 nm ze względu na pasmo wzbronione (1,55 eV), więc całe światło NIR jest marnowane. Aby wypchnąć absorpcję światła poza zakres widzialny, pod warstwą perowskitu umieszczono ultracienką warstwę MoTe2. Masowy półprzewodnik MoTe2 wyposażony w małe pośrednie pasmo wzbronione około 1, 0 eV29 jest w stanie rozszerzyć absorpcję światła na długości fal do 1200 nm, jak wskazuje obszar zacieniony na różowo na ryc. 1c. Oprócz pośredniego pasma wzbronionego, masowy MoTe2 ma dwie dominujące bezpośrednie przerwy ekscytonowe, określane jako A i B, odpowiednio około 1, 2 i 1, 5 eV 30,31, które określają jego piki absorpcji, jak pokazano na ryc. 1c. Następnie czarna krzywa na ryc. 1d pokazuje całkowity Gopt w urządzeniu. Potwierdza to, że wydajna absorpcja światła doprowadziła do generacji nośników w zakresie NIR. Obszary zacienione na niebiesko i różowo na ryc. 1d ujawniają udział odpowiednio warstw PSK i MoTe2 w całkowitym Gopt. Ilościowo warstwy PSK i MoTe2 stanowią odpowiednio około 61 procent i 39 procent generacji nośników. To ulepszenie generacji nośników przez warstwę MoTe2 może być obiecujące dla poprawy wydajności komórek. Ponadto warstwa MoTe2, podobnie jak inne materiały TMD, może odgrywać dalsze korzystne role w zwiększaniu wydajności urządzenia. Użyteczność TMD w PSC została rozszerzona, aby ułatwić efektywny transport nośników32, przedłużyć stabilność16 i tak dalej33. Stąd zaletom tym towarzyszy niski koszt i łatwość przygotowania – mechanicznego złuszczania i przeniesienia do urządzenia, co potwierdza ich skuteczność w podnoszeniu wydajności PSK.

W tej symulacji współczynnik załamania światła masowego MoTe2 uzyskano z Ref34. Również we wszystkich obliczeniach wejściowe źródło światła jest zgodne z widmem AM1.5G. Pasmo długości fali jest wybierane z zakresu od 300 do 1200 nm w rozdzielczości aż 20 nm. Okresowy warunek brzegowy (PBC) jest stosowany dla każdej strony obszaru izolacyjnego w strukturach, a boki warstwy Au są ustawione na doskonały przewodnik elektryczny (PEC). Dolny i górny styk są uważane za idealne omowe i Schottky'ego z prędkością rekombinacji powierzchniowej odpowiednio 107 cm/s. Ponadto stosowana jest siatka przesunięta w celu dokładniejszego rozdzielenia pól wokół cienkiej warstwy. Tabela 1 zawiera wszystkie optyczne i elektryczne wartości wejściowe użyte w symulacjach. Tutaj εr to stała dielektryczna, NC i NV to efektywna gęstość stanów przewodzenia i pasm walencyjnych, μn i μp to ruchliwość elektronów i dziur, χ to powinowactwo elektronów, Eg to energia pasma wzbronionego, NA i ND to gęstości akceptorów i donorów , a τn i τp to odpowiednio czasy życia elektronów i dziur. Wiadomo, że materiały MoTe2 są naturalnie domieszkowane P35. Ponadto, w limicie masowym, półprzewodnikowe TMD mają żywotność fotogenerowanych nośników do kilku nanosekund36,37.

Charakterystykę gęstości prądu i napięcia (J – V) naszego referencyjnego PSC w jednym stanie słońca pokazano na ryc. 2a. PSC pokazuje PCE na poziomie 14,01 procent, przy Jsc na poziomie 15,20 mA/cm2, Voc na poziomie 1,14 V i FF na poziomie 0,81. Wykorzystując światło NIR zaabsorbowane w warstwie MoTe2, Jsc znacznie wzrasta o 26,2 mA/cm2 w wielozłączowym PSC przy zoptymalizowanej grubości MoTe2. Ale Voc spada do 0,84 V z powodu separacji quasi-fermiego elektronu i dziury, która jest teraz ograniczona przez pasmo wzbronione MoTe2. W sumie, pomimo zniszczenia LZO po włożeniu warstwy MoTe2, wzmocnienie Jsc jest silnie dominujące nad redukcją LZO, co prowadzi do zauważalnego wzrostu PCE z 14,01 procent do 18,52 procent. Do wzrostu PCE przyczynia się również odpowiednie wyrównanie pasma między MoTe2 a warstwą perowskitu i HTL, jak pokazano na ryc. 2b. Rzeczywiście, pożądane wyrównanie pasm między warstwami pochłaniającymi może skutecznie złagodzić utratę Voc w wielozłączowych PSC w wyniku poprawy transportu ładunku i zmniejszenia rekombinacji ładunku38. Aby zapewnić szersze spojrzenie na zdolność TMD do absorpcji światła, porównujemy widmo absorpcji obecnej struktury z tym, gdy warstwę MoTe2 zastąpiono trzema innymi TMD, WSe2, MoSe2 i MoS2, jak pokazano na ryc. 2c. Parametry współczynnika załamania światła i struktury pasmowej WSe2, MoSe2 i MoS2 pochodzą z literatury34,39–41. Podczas gdy wszystkie TMD wykazują silne oddziaływanie światło-materia w oświetleniu światłem, ich pasmo wzbronione obejmuje szeroki zakres od 1-2 eV42. Tutaj WSe2 i MoSe2 z pasmem wzbronionym około 1,3 eV mogą absorbować szersze spektrum światła w porównaniu z MoS2 z pasmem wzbronionym 1,45 eV. Spośród nich MoTe2 jest wyraźnie bardziej zdolny do pochłaniania światła NIR, co czyni go najlepszym wyborem do kaskadowania z PSK. Rycina 2d,e przedstawia interakcję między lekkimi polami elektrycznymi a różnymi warstwami przy długości fali 600 i 1000 nm. Widać, że warstwa MoTe2 oddziałuje ze światłem przy długości fali ustawionej na 1000 nm, podczas gdy jej udział w absorpcji światła w zakresie widzialnym 600 nm jest znikomy. Warto również wiedzieć, że wykorzystanie TMD w PSC przyniosło pomyślne wyniki w zakresie zwiększenia stabilności16,43. Z drugiej strony TMD w każdej grubości można łatwo przygotować za pomocą podejść niewrażliwych na środowisko i nieniszczących, takich jak złuszczanie na sucho lub w fazie ciekłej16, a następnie przenieść metodami na sucho lub na mokro. Zatem połączenie materiałów PSK i TMD może potencjalnie poprawić wydajność PSC, nie tylko w działaniu fotowoltaicznym, ale także w przypadku niestabilności

Aby osiągnąć szczytową wydajność wielozłączowego PSC, przeprowadzono analizę zależności wydajności ogniwa od grubości MoTe2, podczas gdy inne parametry wejściowe w tabeli 1 pozostawiono bez zmian. Zgodnie z rys. 3 absorpcja, generacja nośników i parametry fotowoltaiczne ogniwa zmieniają się wraz ze wzrostem grubości MoTe2 od 5 do 100 nm. Rycina 3a przedstawia widma absorpcji czterech różnych grubości warstwy MoTe2 wewnątrz wielozłączowego PSC. Zgodnie z oczekiwaniami, im grubsza warstwa MoTe2, tym większa absorpcja światła w warstwie MoTe2. Jednak szybkość absorpcji światła zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości MoTe2, aż do osiągnięcia nasycenia przy określonej grubości. Mimo że MoTe2 absorbuje zbyt dużo światła przy dłuższych długościach fal około 1100 nm, generowanie nośników jest słabe przy takich długościach fal, jak pokazano na ryc. 3b. Można to przypisać efektowi wnęki rezonansowej i interferencji, które odgrywają rolę w widmach absorpcyjnych, ale nie mają żadnego wpływu na generację nośników. Jak pokazano na ryc. 3c, d, parametry fotowoltaiczne ogniwa, PCE, Jsc, Voc i FF zmieniają się wraz z grubością MoTe2. Wraz ze wzrostem grubości warstwy MoTe2, Jsc stopniowo wzrasta, aż do osiągnięcia punktu nasycenia. I odwrotnie, Voc zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości MoTe2. Te Voc początkowo doświadcza szybkiego spadku, a następnie tempo spadku staje się wolniejsze wraz ze wzrostem grubości MoTe2. Malejącą wartość Voc można przypisać wzrostowi rekombinacji nośników ładunku w grubszej warstwie absorbującej oraz zwiększonej rezystancji szeregowej44. Gdy grubość warstwy pochłaniającej jest mniejsza niż długość dyfuzji nośnika, szybkość rekombinacji nośnika znacznie maleje, co powoduje gwałtowny wzrost voc. Z drugiej strony, po przebyciu odległości równej długości dyfuzji nośnej następuje redukcja Voc wynikająca ze wzrostu rekombinacji nośnej. Warto również zauważyć, że parametr FF ma znikomą zależność od grubości MoTe2. W konsekwencji, jak pokazano na ryc. 3d, PCE początkowo podlega stosunkowo intensywnemu wzrostowi odpowiedzi zarówno na ostre zmiany Voc, jak i JSC w cieńszych grubościach MoTe2, a następnie osiąga maksimum (~ 18, 52 procent) przy MoTe2 grubość 25 nm , a następnie spada, gdy wzrost Jsc jest nasycony.

Aby zrekompensować destrukcyjny efekt równoległego układania materiałów o niskim i wysokim paśmie wzbronionym, zastępujemy warstwę spiro warstwą rGO 60 nm, aby poprawić transfer nośnika. Prawdopodobnie tlenek grafenu (GO) i rGO mogą zapewnić PSC wiele korzyści, a mianowicie poprawę stabilności, przewodności elektrycznej i cieplnej45. W związku z tym materiały były szeroko stosowane do różnych funkcji w PSC, takich jak warstwy transportu nośnika, warstwy pośrednie iprzezroczyste tlenki przewodzące. Tutaj warstwa GO jest wybrana do wstawienia jako HTL ze względu na dobrze wyrównaną strukturę pasmową z krawędziami pasm sąsiednich warstw. Parametry elektronicznego pasma energetycznego rGO uzyskano z Ref46. Jak pokazano na ryc. 4a, użyteczność rGO jako HTL znacznie poprawia zarówno FF, jak i Voc do

odpowiednio {{0}},89 i 0,928 w porównaniu z wielozłączowym PSC bez warstwy rGO. W rezultacie daje PCE tak wysokie, jak 20,32, około 1,77 procent większe niż wielozłączowe PSC z spiro HTL. Znacząca poprawa wydajności fotowoltaicznej w wielozłączowym PSC opartym na rGO polega na wydajniejszym transporcie ładunku i lepszym wyrównaniu pasma energetycznego, wraz ze zmniejszeniem zwiększonej rezystancji szeregowej dzięki oczekiwanej redukcji rekombinacji ładunku na granicy faz.

Rysunek 4b porównuje wydajność fotowoltaiczną wielozłączowego PSC z różnymi HTL, w tym materiałami Spiro, PTAA, rGO i CuS. Parametry wejściowe tych materiałów zestawiono w Tabeli 2. Warstwa rGO działa jako HTL lepiej niż inne materiały ze względu na dużą ruchliwość dziur47, wraz z ładnym wyrównaniem pasma z MoTe2. I odwrotnie, CuS nie jest dobrze wyrównany energetycznie z MoTe2, co prowadzi do redukcji LZO. Schemat pasmowy wielozłączowego PSC z różnymi HTL pokazano na ryc. 4c.

Zapytaj o więcej:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950