Обширное исследование нескольких уровней ETL и HTL для проектирования и моделирования высокопроизводительных систем.

Jul 11, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2521 (2023) Цитировать эту статью

4853 Доступа

9 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Хлорид цезия и олова (CsSnCl3) является потенциальным и конкурентоспособным поглотительным материалом для бессвинцовых перовскитных солнечных элементов (ПСЭ). Полный потенциал CsSnCl3 еще не реализован из-за возможных проблем с изготовлением устройств без дефектов, неоптимизированного выравнивания слоя транспорта электронов (ETL), слоя транспорта дырок (HTL) и благоприятной конфигурации устройства. В этой работе мы предложили несколько конфигураций солнечных элементов (СЭ) на основе CsSnCl3 с использованием одномерного симулятора емкости солнечных элементов (SCAPS-1D) с различными компетентными ETL, такими как оксид индия-галлия-цинка (IGZO), диоксид олова (SnO2). , дисульфид вольфрама (WS2), диоксид церия (CeO2), диоксид титана (TiO2), оксид цинка (ZnO), C60, PCBM и HTL оксида меди (Cu2O), оксида меди (CuO), оксида никеля (NiO), оксид ванадия (V2O5), йодид меди (CuI), CuSCN, CuSbS2, Spiro MeOTAD, CBTS, CFTS, P3HT, PEDOT:PSS. Результаты моделирования показали, что галогенидные перовскиты на основе ZnO, TiO2, IGZO, WS2, PCBM и C60 ETL с гетероструктурой ITO/ETLs/CsSnCl3/CBTS/Au демонстрируют выдающуюся эффективность фотоконверсии, сохраняя ближайшие значения фотоэлектрических параметров среди 96 различных конфигураций. Кроме того, для шести наиболее эффективных конфигураций влияние поглотителя CsSnCl3 и толщины ЭТЛ, последовательного и шунтирующего сопротивления, рабочей температуры, влияния емкости, Мотта-Шоттки, скорости генерации и рекомбинации, вольт-амперных свойств и квантовой эффективности на производительность оценивалась. Мы обнаружили, что ETL, такие как TiO2, ZnO и IGZO, с CBTS HTL, могут выступать в качестве превосходных материалов для изготовления высокоэффективных (η ≥ 22%) гетеропереходных СЭ на основе CsSnCl3 со структурой ITO/ETL/CsSnCl3/CBTS/Au. Результаты моделирования, полученные с помощью SCAPS-1D для шести лучших конфигураций ПК CsSnCl3-перовскиты, сравнивались с помощью инструмента wxAMPS (виджет, обеспечивающий анализ микроэлектронных и фотонных структур) для дальнейшей проверки. Кроме того, структурные, оптические и электронные свойства, а также плотность электронного заряда и поверхность Ферми поглотительного слоя перовскита CsSnCl3 были рассчитаны и проанализированы с использованием расчетов из первых принципов, основанных на теории функционала плотности. Таким образом, это углубленное моделирование открывает путь для конструктивных исследований по созданию экономичных, высокоэффективных и не содержащих свинца высокопроизводительных СЭ на основе перовскита CsSnCl3 для экологически чистой и экологически чистой окружающей среды, не содержащей свинца.

Промышленные и научные круги уделяют огромное внимание недавно разработанной технологии PSC на основе галогенидов свинца (Pb), наиболее заметным прогрессом которых является эффективность преобразования энергии (PCE), превышающая 23%. Отличительные оптоэлектронные свойства, простая технология синтеза на основе растворов, экономичность и экологичность в последние годы вызвали научный интерес к полностью неорганическим металлогалогенидным перовскитным нанокристаллам CsPbX3 (X = галогены)1,2. Хотя характеристики неорганических перовскитов галогенидов свинца превосходны, проблема присущей свинцу токсичности еще не решена должным образом3. Таким образом, перовскит на основе олова (Sn) CsSnX3 стал отличным вариантом для использования в СЭ из-за нетоксичности ионов Sn2+4,5. Перовскиты CsSnX3 перешли от Sn2+ к более стабильному Sn4+ в результате окисления, что привело к высокой восприимчивости к окружающей среде6.

Высокая симметрия структуры перовскита с электронной конфигурацией s2p0 Sn обеспечивает прямые разрешенные переходы, высокие коэффициенты оптического поглощения, малые эффективные массы носителей и высокую устойчивость к дефектам, что приводит к превосходным оптоэлектронным характеристикам7,8,9,10. Процесс собственной миграции ионов в ABX3 (A = щелочной металл или одновалентный молекулярный катион; B = Pb или Sn; X = галоген) приводит к стабильности суперустройства11. Из-за этих привлекательных особенностей эти оптоэлектронные галогенид-перовскитные полупроводники недавно претерпели несколько попыток коммерциализации12,13.