Processos optoeletrônicos e fotocorrentes relacionados à espessura Sb2S3 em células solares híbridas planares TiO2 / Sb2S3 / P3HT

Resumo

Neste trabalho, uma compreensão abrangente da relação de absorção de fótons, campo elétrico interno, caminho de transporte e cinética relativa em Sb ₂ S ₃ o desempenho fotovoltaico foi investigado. A estrutura planar n-i-p para TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Células solares híbridas de heterojunção P3HT foram conduzidas e os processos de fóton-elétron, incluindo profundidade de iluminação, campo elétrico interno, velocidade de deriva e energia cinética de cargas, elétrons fotogerados e potencial de superfície relacionado à concentração de buraco em Sb ₂ S ₃ , tempo de transporte de carga e tempo de vida de recombinação de carga interfacial foram estudados para revelar os principais fatores que governam a fotocorrente do dispositivo. Escuro J – V curvas, microscópio de força de sonda Kelvin e dinâmica de fotocorrente / fotovoltagem modulada por intensidade indicam que o campo elétrico interno é o principal fator que afeta a fotocorrente quando o Sb ₂ S ₃ a espessura é menor que o comprimento de difusão do orifício. No entanto, quando o Sb ₂ S ₃ espessura é maior do que o comprimento de difusão do orifício, a área inferior em Sb ₂ S ₃ orifícios que não podem ser difundidos para P3HT se tornariam um fator dominante que afetaria a fotocorrente. A área inferior em Sb ₂ S ₃ camada para coleta de furos também pode afetar o V _oc do dispositivo. A coleção reduzida de furos no P3HT, quando o Sb ₂ S ₃ espessura é maior do que o comprimento de difusão do buraco, aumentaria a diferença entre os níveis de quase-Fermi de elétrons e buracos para um menor V _oc .

Introdução

Sb ₂ S ₃ tem sido cada vez mais utilizado para células solares de película fina sólida devido ao seu intervalo moderado de 1,7 eV e um coeficiente de absorção de 1,8 × 10 ⁵ cm ⁻¹ [1, 2]. Sb ₂ S ₃ filmes finos podem ser preparados por vários métodos, incluindo spray pirólise [3], eletrodeposição [4], deposição química [5] e técnica de evaporação térmica a vácuo [6]. Em Sb ₂ S ₃ com base em dispositivo fotovoltaico, a eficiência de conversão fotoelétrica (PCE) atingiu 5,7-7,5% por meio de melhorias na tecnologia e no design do dispositivo [1, 2, 7,8,9,10]. No entanto, a eficiência atual de dispositivos de estado sólido ainda permanece baixa em comparação com outros dispositivos fotovoltaicos, como células solares sensibilizadas por corante [11] e células solares de perovskita [12]. Atualmente, a maioria dos trabalhos geralmente se concentra em encontrar a melhor tecnologia para obter melhor desempenho optoeletrônico em dispositivos de estado sólido [7,8,9,10,13,14,15]. A este respeito, é imperativo estudar os processos fotoeletrônicos no Sb ₂ S ₃ com base em células solares para orientar o design e otimização do dispositivo. Isso inclui uma compreensão abrangente do equilíbrio entre absorção, campo elétrico interno e caminho de transporte e cinética relativa em Sb ₂ S ₃ desempenho fotovoltaico, que é importante para orientar a otimização do Sb ₂ S ₃ com base em células solares híbridas. Neste trabalho, o TiO convencional ₂ / Sb ₂ S ₃ / poli (3-hexiltiofeno-2,5-diil (P3HT) n-i-p estrutura do dispositivo foi usada para estudar a geração de portadores de carga e processos dinâmicos de dissociação para diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ .

É óbvio que as diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ em TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ As células solares / P3HT n-i-p podem alterar (i) a quantidade de captação de fótons, que influencia a concentração de elétrons / lacunas gerados por fótons; (ii) a magnitude do campo elétrico interno através do Sb ₂ S ₃ camada, que influencia a deriva elétron / buraco gerado pelo fóton; (iii) distância de transporte elétron / orifício até o respectivo eletrodo; e (iv) recombinação elétron / buraco [16, 17]. No entanto, o motivo do Sb ₂ S ₃ o desempenho dependente da espessura na estrutura do nip ainda é ambíguo, o que foi simplesmente atribuído aos problemas com resistência em massa, absorção de fótons, geração / recombinação de portadores de carga e campo elétrico interno [16,17,18,19,20,21] , mas a análise detalhada e quantificada para os parâmetros fotovoltaicos dependentes da espessura ainda não está clara. Para obter uma visão sobre a mudança de J _sc e V _oc no Sb ₂ S ₃ espessura, TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Células solares P3HT n-i-p foram fabricadas (Fig. 1), e a espessura de Sb ₂ S ₃ Neste trabalho foram estudados processos de transporte de elétrons e lacunas relacionados a fótons gerados, que resultam em diferentes fotocorrentes. Além disso, introduzimos espectros de fotocorrente / fotovoltagem modulados por intensidade dinâmica (IMPS / IMVS) e microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM) para estudar processos fóton-elétron e investigar os principais fatores que governam o desempenho do dispositivo em diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ células solares.

Ilustração do TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Arquitetura de célula solar P3HT n-i-p.h ⁺ denota o buraco e e ^- denota o elétron

Métodos

Reagentes

Substratos de vidro revestidos com FTO gravados foram adquiridos de Huanan Xiangcheng Co., Ltd., China. SbCl ₃ (99%), Na ₂ S ₂ O ₃ (99%) e diisopropóxido de titânio (75% em álcool isopropílico) foram adquiridos de Adamas-beta. P3HT foi encomendado da Xi’an Polymer Company, China, e Ag (99,999%) foi encomendado da Alfa.

Fabricação de dispositivos

Os substratos foram limpos por ultrassom em água com sabão, acetona e isopropanol por 60 min cada, seguido de tratamento com UV-ozônio por 30 min. Uma fina camada de TiO compacto ₂ (Diisopropóxido de titânio 0,15 M em etanol) foi revestido por rotação a 4500 rpm durante 60 s, seguido de recozimento a 125 ° C durante 5 min e 450 ° C durante 30 min. Deposição de Sb ₂ S ₃ no topo do TiO ₂ camada fina foi realizada por um método de deposição em banho químico (CBD) [5, 10, 22]. Uma solução de acetona contendo SbCl ₃ (0,3 M) foi adicionado gota a gota em Na ₂ S ₂ O ₃ (0,28 M) com agitação em um banho de gelo (~ 5 ° C). O substrato FTO foi coberto com uma fina camada de TiO ₂ e então suspensa de cabeça para baixo na solução aquosa quando a cor da solução mudou para laranja. Após 1 h, 1,5 h, 2 h e 3 h do processo de CBD, um Sb amorfo uniforme e uniforme ₂ S ₃ camada foi depositada no TiO ₂ revestidos com substratos FTO, e a amostra foi completamente enxaguada com água desionizada e seca sob N ₂ fluxo. O substrato foi ainda recozido por 30 min em uma caixa de luvas (O ₂ :0,1 ppm, H ₂ O:0,1 ppm) sob um N ₂ atmosfera. A fabricação da heterojunção n-i-p foi concluída por spin casting (1500 rpm por 60 s) de filme P3HT (15 mg / mL) em cima de Sb2S3 dentro de uma caixa de luvas (O ₂ :0,1 ppm, H ₂ O:0,1 ppm) sob um N ₂ atmosfera. Finalmente, o MoO ₃ (10 nm) e eletrodo Ag (100 nm) foi depositado por evaporação através de uma máscara de sombra.

Instrumentos e caracterização

Os padrões de difração de raios-X (XRD) do filme foram registrados por um difratômetro de raios-X MXP18AHF com irradiação de Cu Kα ( λ =1,54056 Å). As medições de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram realizadas em um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (ZEISS, GeminiSEM 300). Os espectros de absorção foram registrados com um espectrofotômetro Shimadzu UV-2600. Densidade de corrente - tensão ( J - V ) características foram medidas sob iluminação AM 1.5 com uma intensidade de 100 mW / cm ² usando um simulador solar 94023A Oriel Sol3A (Newport Stratford, Inc.). A intensidade da luz de uma lâmpada de xenônio de 450 W foi calibrada com uma célula solar de silício cristalino padrão. O J – V as curvas foram coletadas usando uma estação de teste Oriel I – V (Keithley 2400 Source Meter, Newport). Os espectros de eficiência quântica externa (EQE) das células solares foram medidos usando um kit de medição QE / IPCE (Zolix Instruments Co., Ltd.) na faixa espectral de 300–900 nm. Os espectros de fotocorrente modulados por intensidade (IMPS) e os espectros de fotovoltagem modulados por intensidade (IMVS) foram medidos usando uma estação de trabalho eletroquímica (IviumStat.h, Holanda) sob condições ambientais com uma intensidade de fundo de 28,8 mW / cm ² de um diodo emissor de luz branca, com uma pequena profundidade de perturbação senoidal de 10%. O microscópio de força de sonda Kelvin (KPFM) foi realizado por um microscópio de força atômica Agilent SPM 5500 equipado com um controlador MAC III (compreendendo três amplificadores lock-in) para mapear o potencial de superfície (SP).

Resultados e discussão

Deposição e caracterização de Sb ₂ S ₃ / TiO ₂ Filme

Imagens FE-SEM (Fig. 2a) mostram claramente que diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ filme são depositados no TiO ₂ substratos de vidro revestidos em camadas com os diferentes tempos de CBD t (1,0 h, 1,5 h, 2,0 h, 3,0 h). Pode-se ver que o uniforme Sb ₂ S ₃ camadas foram obtidas com sucesso por técnicas de CBD. A espessura média do Sb ₂ S ₃ o filme estimado a partir das imagens de seção transversal FE-SEM é plotado na Fig. 2b como uma função do tempo de CBD. A espessura média d de Sb ₂ S ₃ o filme aumenta linearmente com t (Fig. 2b). A espessura média aumentou quase linearmente de 96 para 373 nm, alterando o tempo de CBD de 1 para 3 h. Os padrões de XRD de Sb ₂ S ₃ filme com diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ filme em vidro FTO são mostrados na Fig. 3. O espectro de XRD medido é indexado para ortorrômbico Sb ₂ S ₃ (JCPDS PCPDFWIN # 42-1393) [23].

a Imagens transversais FE-SEM de Sb ₂ S ₃ filmes no TiO ₂ substratos de vidro revestidos por camada densa. b Sb médio ₂ S ₃ espessura d plotado em função do tempo de reação do CBD t para o Sb ₂ S ₃ deposição de filme. Os valores foram estimados pelas imagens de seção transversal FE-SEM

Padrões de XRD do Sb como sintetizado ₂ S ₃ filme em FTO com diferentes tempos de deposição. A amostra 1 é o substrato de vidro FTO puro e as amostras 2–5 são Sb ₂ S ₃ filmes com t de 1 h, 1,5 h, 2 h e 3 h, respectivamente

Conforme mostrado na Fig. 4, o TiO ₂ as amostras exibem o início de absorção em 386 nm (3,21 eV) correspondendo ao bandgap de absorção de TiO ₂ [24]. Todo o TiO depositado ₂ / Sb ₂ S ₃ camadas com diferentes t de CBD exibem uma borda de absorção em ca. 750 nm [25]. A intensidade de absorção de Sb ₂ S ₃ no TiO ₂ superfícies está claramente na ordem 3 h> 2 h> 1,5 h> 1 h. Este resultado também indica que o Sb ₂ S ₃ o filme se torna gradualmente mais espesso com um CBD mais longo t , que também concorda com os resultados do SEM.

A absorção de UV-vis de TiO ₂ e TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ filmes com t de 1–3 h, respectivamente

Células solares

J - V características das células solares com diferentes espessuras d (ou seja, CBD t ) são comparados na Fig. 5a. A Tabela 1 apresenta o desempenho fotovoltaico geral desses dispositivos. Aumento da espessura d (ou seja, tempo de CBD t ) afeta significativamente o desempenho do dispositivo. O PCE aumenta à medida que d aumenta de 96 para 175 nm (ou seja, t aumentou de 1,0 para 1,5 h) e diminui depois disso, especialmente diminui amplamente após d > 280 nm (ou seja, t > 2 h). Optimum Sb ₂ S ₃ espessura de 175 nm pode ser determinada por comparação das eficiências do dispositivo, ponto em que um PCE máximo de 1,65%, J _sc de 6,64 mA cm ⁻² , V _oc de 0,61 V e FF de 40,81%. Este resultado é comparável aos relatórios do outro [16, 26]. Liu et al. estudou ZnO / Sb híbrido ₂ S ₃ / P3HT células n-i-p com Sb ₂ S ₃ camadas de três espessuras diferentes (50, 100 e 350 nm) por evaporação térmica atingindo o PCE mais alto (~ 2%) com o Sb de 100 nm de espessura ₂ S ₃ [12]. Kamruzzaman et al. estudou TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT células n-i-p com Sb ₂ S ₃ espessuras de 45-120 nm por um método de evaporação térmica, e o absorvedor Sb ₂ S ₃ e a camada de transporte de furo P3HT foram recozidas sob condições atmosféricas. Em seus estudos, a espessura de 100-120 nm mostrou uma melhor eficiência de conversão de energia de 1,8-1,94% [26]. Obviamente, a espessura de Sb ₂ S ₃ na verdade, afeta fortemente o desempenho do dispositivo, mesmo por diferentes estratégias de deposição de Sb ₂ S ₃ filme ou condição de recozimento.

a J – V curvas e b Espectros EQE das células solares com diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ filme

Transporte de carga

O dispositivo J _sc aumenta notavelmente com o aumento de Sb ₂ S ₃ espessura d de 96 a 175 nm e, em seguida, diminui conforme o d aumenta (Fig. 5 e Tabela 1). O dispositivo J _sc é significativamente dependente do Sb ₂ S ₃ espessura d. A geração e dissociação do portador de carga são processos-chave para a geração de fotocorrentes. Em primeiro lugar, a luz visível passará pelo TiO ₂ camada devido à sua propriedade de janela de luz visível (Fig. 4) e começa a ser absorvida do TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ interface. Sb ₂ S ₃ provou ser um alto coeficiente de absorção α cerca de 10 ⁵ cm ⁻¹ na região do visível [27]. Aqui, pegamos α =10 ⁵ cm ⁻¹ para Sb ₂ S ₃ . A profundidade de iluminação dependente da espessura é ilustrada na Fig. 6 de acordo com a lei de Beer-Lambert I ( x ) = eu ₀ e ^-ax , em que o eu ₀ é o fluxo de fótons incidente e o I ( x ) é o fluxo de fótons em Sb ₂ S ₃ . Obviamente, os fótons incidentes não podem ser absorvidos totalmente quando o Sb ₂ S ₃ tem uma espessura de 100 nm ou 200 nm (Fig. 6b). O d relação relacionada ao fóton absorvido (N _a ) / fótons incidentes (N _i ) pode ser calculado pela integração da área da área sombreada na coordenada. Conforme mostrado na Fig. 6b (também consulte a Fig. 7b), o N _a / N _i é de 61% quando o d =96 nm e N _a / N _i é aumentado para 82% quando o d =175 nm. Pode-se acreditar que mais 21% de fótons absorvidos podem causar o aumento de J _sc de 5,50 a 6,64 mA / cm ² . Quando o d aumenta para 280 nm, os 11% de fótons extras são absorvidos e o N _a / N _i é aumentado ainda mais para 93%, o que mostra que mais fótons podem ser absorvidos e, então, podem gerar mais elétrons. No entanto, o dispositivo J _sc diminuiu para 5,06 mA / cm ² que é menor do que o caso de d =96 nm. Quando o d aumenta para 373 nm, o N _a / N _i está perto de 100%, e o dispositivo J _sc diminuiu drasticamente para 2,64 mA / cm ² . Portanto, a absorção não é o único fator que afeta J _sc .

A ilustração do Sb ₂ S ₃ espessura d - profundidade de iluminação dependente x e E _em

a Parcelas semilogarítmicas de J – V característica no escuro das células solares com diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ filme. b Dependências de V _em , J _sc , N _a / N _i , E _ke , e E _kh no Sb ₂ S ₃ espessura d

Os gráficos semilogarítmicos do J – V curva de células solares no escuro normalmente exibe três regimes distintos: ( i) aumento linear para corrente dominada por fuga, (ii) aumento exponencial para corrente dominada por difusão e (iii) aumento quadrático para corrente limitada por carga espacial. A voltagem embutida ( V _em ) normalmente pode ser estimado no ponto de viragem onde a curva escura começa a seguir um comportamento quadrático (Fig. 7a). Dependências de V _em , J _sc , N _a / N _i , E _ke , e E _kh no CBD t são mostrados na Fig. 7b. Quando d aumentou de 96 para 175 nm, o N _a / N _i aprimorado 34,44%; no entanto, o J _sc aumentou apenas 20,72%, o que significa que há outro fator limitando o J _sc incremento. Foi inferido que isso poderia ser devido à diminuição do campo elétrico interno no Sb ₂ S ₃ camada, que enfraqueceu a deriva elétron / buraco gerado pelo fóton [16]. Portanto, calculamos o campo elétrico interno E _em cruze o Sb ₂ S ₃ com base na relação de E _em = V _em / d (Mesa 2). Além disso, a velocidade de deriva do elétron v _e e buraco v _e , energia cinética do elétron E _ke , e buraco E _kh sob campo elétrico interno E _em também foram calculados (Tabela 2 e Fig. 7b). Quando o d é 96 nm, o E _ke é 296,56 meV e E _kh é 53,25 meV. Quando o d aumentado para 175 nm, o E _ke diminui amplamente para 95,29 meV e E _kh diminuiu para 17,12 meV, que é inferior à energia térmica à temperatura ambiente ( E _kt , 26 meV). Este resultado indica que o campo elétrico interno tem poucos efeitos na deriva do furo quando Sb ₂ S ₃ espessura é ou maior que 175 nm. Obviamente, o reduzido E _ke e E _kh com o Sb mais espesso ₂ S ₃ deve ser o motivo que limita o incremento de J _sc . Aumentando ainda mais d de 175 a 280 nm, o N _a / N _i aumentado para 13,84%; no entanto, o J _sc diminuiu. Isso pode ser devido à diminuição em E _ke que fica perto do E _kt ( d =280 nm), mas muito menor do que E _kh ( d =373 nm), o que significa o E _em gradualmente tem poucos efeitos na deriva do elétron quando d > 280 nm, conforme observado neste trabalho. Portanto, E _em a deriva de elétrons relacionada ao decremento pode ser responsável pelo J _sc redução quando d aumentou de 175 para 280 nm. No entanto, quando o d aumentado para 373 nm, o E _em tem poucos efeitos no elétron e na deriva do buraco, mas J _sc ainda diminuiu amplamente, o que indica que E _em também não é o único fator que afeta o J _sc .

Usamos KPFM para caracterizar os elétrons foto-gerados e o potencial de superfície relacionado à concentração do buraco (SP) em Sb ₂ S ₃ / P3HT. A amostra para a medição KPFM foi preparada lançando a solução do precursor P3HT em parte do FTO / TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ superfície do filme (Fig. 8). Como o Sb ₂ S ₃ a espessura aumenta de 96 para 373 nm, o SP no topo do Sb ₂ S ₃ gradualmente se torna menor, o que significa que o nível de Fermi no Sb ₂ S ₃ a superfície fica mais baixa [28]. Isso demonstra que os elétrons que poderiam se difundir para a superfície superior estão sendo gradualmente reduzidos, indicando que há uma região inferior para elétrons fotogerados em Sb mais espesso ₂ S ₃ filme como mostrado na Fig. 6. Nós também examinamos o SP da parte P3HT. As mudanças de SP do P3HT são diferentes daquelas do Sb ₂ S ₃ . P3HT pode ser excitado pela luz para gerar excitons e então se separar em elétrons e buracos [29, 30], quando Sb ₂ S ₃ é muito fino (<200 nm). Quando Sb ₂ S ₃ torna-se mais espesso, o P3HT atua apenas como a camada de transporte do buraco, porque a maioria dos fótons são absorvidos pelo Sb ₂ S ₃ (Fig. 3). Portanto, quando a espessura de Sb ₂ S ₃ for inferior a 280 nm, o P3HT poderia ser fotoexcitado, resultando no nível de Fermi de P3HT diminuir gradualmente conforme Sb ₂ S ₃ a espessura aumenta gradualmente (foto-excitona diminuída). No caso de 280 nm, o SP do P3HT cai rapidamente, porque não há fotoexcitona e o P3HT funciona apenas como uma camada de transporte de orifícios para coletar os orifícios. Como o Sb ₂ S ₃ a espessura aumenta para 373 nm, que é muito maior do que o comprimento de transporte do orifício, a coleção de orifícios também cai rapidamente, fazendo com que o nível de Fermi em P3HT aumente novamente. Além disso, as mudanças de SP no P3HT são muito maiores do que no Sb ₂ S ₃ no caso de d =373 nm, o que significa que a coleção de lacunas é pior do que a coleção de elétrons e, portanto, provavelmente levaria a um J muito menor _sc .

Ilustração da medição de SP de Sb ₂ S ₃ / Interface P3HT por KPFM

Além disso, IMPS e IMVS, como os poderosos métodos fotoeletroquímicos dinâmicos em células solares sensibilizadas por corante [31] e células solares de perovskita [32], foram aplicados para estudar a dinâmica do transporte de carga neste trabalho. IMPS / IMVS mede a resposta de fotocorrente / fotovoltagem a uma pequena perturbação de luz senoidal sobreposta na intensidade da luz de fundo sob condição de curto-circuito / circuito aberto [31,32,33]. As respostas IMPS ou IMVS medidas aparecem no quarto quadrante do plano complexo com uma forma de semicírculo distorcido (Fig. 10a, b). A constante de tempo τ definido pela frequência ( f min) do componente imaginário mais baixo da resposta IMPS ou IMVS é uma avaliação do tempo de trânsito τ _IMPS para que os elétrons atinjam o eletrodo de coleta sob condição de curto-circuito ou vida útil do elétron τ _IMVS relacionado à recombinação de carga interfacial sob condição de circuito aberto. De acordo com a relação τ =(2π f ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS e τ _IMVS nos dispositivos foram calculados (Tabela 1). O aumento τ _IMPS sugere um caminho de transporte mais longo de cargas para o eletrodo de coleta, enquanto o τ inalterado _IMVS infere a mesma recombinação de carga interfacial [33]. A eficiência de coleta de carga interfacial η _c é típico considerado como η _c =1- τ _IMPS / τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Obviamente, quanto maior o tempo de transporte do τ _IMPS e o curto tempo de vida de recombinação de carga interfacial do τ _IMVS causaria uma cobrança de cobrança pior e vice-versa. Neste estudo, o τ _IMPS aumenta com o Sb mais espesso ₂ S ₃ enquanto o τ _IMVS está inalterado. Portanto, a eficiência de coleta de carga interfacial η _c diminui com o Sb mais espesso ₂ S ₃ , e as mudanças de J _sc em diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ as células solares devem ser causadas pelo caminho de transporte e eficiência de coleta de carga, não por recombinação de carga.

O aumento no Sb ₂ S ₃ espessura pode absorver mais fótons, o que pode aumentar a fotocorrente. No entanto, em Sb mais espesso ₂ S ₃ camada, a maioria dos elétrons e buracos são gerados perto do TiO ₂ lado devido à absorção exponencial de fótons (Fig. 10c); portanto, o caminho de transporte da maioria dos elétrons é quase o mesmo. No entanto, a maioria dos buracos precisa ser difundida em um caminho mais longo do que os elétrons no Sb mais espesso ₂ S ₃ camada, o que é demonstrado por mais τ _IMPS na Fig. 10d. Quando a espessura excede o comprimento de difusão do furo, a área inferior em Sb ₂ S ₃ pois uma geração e transporte ineficientes de orifícios diminuiriam a fotocorrente e enfraqueceriam o J _sc e EQE. O comprimento de difusão do orifício em Sb ₂ S ₃ é em torno de 180 nm [18]. Quando a espessura de Sb ₂ S ₃ excede o comprimento de difusão de orifício, o desempenho de coleta de orifícios é reduzido, o que também é respondido por espectros EQE (Fig. 5b), uma vez que o coeficiente de absorção da onda longa é muito menor do que a onda curta, resultando em uma profundidade de iluminação mais longa para onda longa ( Fig. 9) [35]. Buracos gerados por foto de banda longa podem ser distribuídos de maneira mais uniforme em Sb ₂ S ₃ do que da banda curta (buracos gerados por foto da banda curta podem se aproximar de TiO ₂ lado), resultando em uma coleta mais eficiente do furo da banda longa. Portanto, o EQE na parte do comprimento de onda longo não teve uma grande diminuição tanto quanto na parte das ondas curtas com Sb ₂ S ₃ espessura de 373 nm (Fig. 5b).

Imagens KPFM de Sb ₂ S ₃ de 1 h ( a ), 1,5 h ( b ), 2 h ( c ), e 3 h ( d ) e P3HT em Sb ₂ S ₃ de 1 h ( e ), 1,5 h ( f ), 2 h ( g ), e 3 h ( h ) sob iluminação de luz branca do vidro FTO, respectivamente. eu , j As distribuições de SP correspondentes de Sb ₂ S ₃ e P3HT

Conforme mostrado na Fig. 10d, é facilmente compreendido que um menor τ _IMPS é acompanhado por um Sb mais fino ₂ S ₃ (isto é, um caminho de transporte de carga mais curto); no entanto, τ _IMVS principalmente permanece o mesmo quando Sb ₂ S ₃ espessura aumentada de 96 para 373 nm neste experimento, o que significa que não há dependência direta de J _sc e V _oc em τ _IMVS (ou seja, recombinação interfacial) quando Sb ₂ S ₃ mudanças de espessura. É bem sabido que o V _oc do TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Células solares P3HT é normalmente determinado pela diferença entre os níveis de quase-Fermi dos elétrons no TiO ₂ e os furos no P3HT [36]. Como a coleção de orifícios é reduzida em P3HT quando a espessura de Sb ₂ S ₃ for maior do que o comprimento de difusão do buraco, aumentaria a diferença entre os níveis de elétrons quase-Fermi e buracos para um V inferior _oc . Além disso, um Sb mais espesso ₂ S ₃ aumentaria a resistência de série mais alta e pior eficiência de coleta de carga; esses fatores desfavoráveis podem causar um FF mais baixo em Sb mais espesso ₂ S ₃ dispositivo.

a IMPS e b Caracterizações IMVS de células solares com diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ filme. c Ilustração da área de difusão de elétrons e orifícios para iluminação de comprimento de onda curto e longo. d Dependência de τ _IMPS e τ _IMVS no CBD t

Embora, a eficiência do TiO planar ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p células solares é muito baixo e como melhorar ainda mais a eficiência do dispositivo é um desafio. No entanto, nossos resultados ainda demonstraram que algumas melhorias adicionais poderiam ser realizadas. Por exemplo, aumentar o campo elétrico embutido empregando alguma camada de transporte de elétrons diferente ou camada de transporte de buraco poderia melhorar o transporte e coleta de carga. Além disso, como melhorar a capacidade de difusão do orifício deve ser considerado; talvez alguns aditivos condutores sejam úteis. Além disso, o engenheiro de interface também é importante para melhorar a transferência e a dissociação de carga. Por último, mas não menos importante, o método expresso neste artigo pode estar oferecendo alguma referência útil para outras células solares de alta eficiência relativa (por exemplo, células solares orgânicas, células solares de perovskita).

Conclusão

Neste artigo, o mecanismo de mudanças de fotocorrente no TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / P3HT n-i-p células solares com diferentes espessuras de Sb ₂ S ₃ foi estudado. Quando a espessura é menor que o comprimento de transporte do furo, a absorção e o campo elétrico interno são os principais fatores que afetam a fotocorrente; quando a espessura é maior que o comprimento de transporte do furo, a área inferior em Sb ₂ S ₃ para uma geração e transporte de orifícios ineficientes é a principal razão para o decréscimo da fotocorrente. Os resultados mostraram que a densidade de corrente do dispositivo em curto-circuito ( J _sc ) é aumentado com a absorção aprimorada de fótons quando o Sb ₂ S ₃ a espessura é menor que o comprimento de transporte do furo; no entanto, quando o Sb ₂ S ₃ espessura é maior do que o comprimento de transporte do furo, dispositivo J _sc diminui drasticamente com o aumento da absorção. A deriva de elétrons relacionada ao decréscimo do campo elétrico interno pode levar à redução do J _sc quando a espessura de Sb ₂ S ₃ é menor que o comprimento de transporte do furo. No entanto, quando a espessura de Sb ₂ S ₃ é maior do que o comprimento de transporte do buraco, o campo elétrico interno tem poucos efeitos no elétron e na deriva do buraco, mas J _sc ainda diminuiu amplamente. A caracterização KPFM e IMPS / IMVS demonstrou que existe uma região inferior para elétrons fotogerados em Sb mais espesso ₂ S ₃ filme. A área inferior em Sb ₂ S ₃ para uma redução de buracos que podem se difundir no P3HT quando o Sb ₂ S ₃ espessura é maior do que o comprimento de difusão do orifício, levando à diminuição óbvia de J _sc . Além disso, a coleção reduzida de orifícios em P3HT com o aumento da espessura de Sb ₂ S ₃ aumentaria a diferença entre os níveis de quase-Fermi de elétrons e buracos para um V inferior _oc .