Processus photocourants et optoélectroniques liés à l'épaisseur Sb2S3 dans les cellules solaires hybrides planaires TiO2/Sb2S3/P3HT

Introduction

Sb₂ S₃ a été de plus en plus utilisé pour les cellules solaires solides à couche mince en raison de sa bande interdite modérée de 1,7  eV et d'un coefficient d'absorption de 1,8   ×  10 ⁵ cm ⁻¹ [1, 2]. Sb₂ S₃ Les films minces peuvent être préparés par diverses méthodes, notamment la pyrolyse par pulvérisation [3], l'électrodéposition [4], le dépôt chimique [5] et la technique d'évaporation thermique sous vide [6]. Dans Sb₂ S₃ basé sur un dispositif photovoltaïque, l'efficacité de conversion photoélectrique (PCE) a atteint 5,7 à 7,5 % grâce à une technologie et une conception améliorées de l'appareil [1, 2, 7,8,9,10]. Cependant, l'efficacité actuelle des dispositifs à semi-conducteurs reste faible par rapport à d'autres dispositifs photovoltaïques, tels que les cellules solaires à colorant [11] et les cellules solaires à pérovskite [12]. À l'heure actuelle, la plupart des travaux se concentrent généralement sur la recherche de la meilleure technologie pour obtenir de meilleures performances optoélectroniques dans les dispositifs à semi-conducteurs [7,8,9,10, 13,14,15]. A cet égard, il est impératif d'étudier les processus photo-électroniques dans Sb₂ S₃ -à base de cellules solaires pour guider la conception et l'optimisation de l'appareil. Cela comprend une compréhension globale de l'équilibre entre l'absorption, le champ électrique interne et le chemin de transport, ainsi que la cinétique relative sur Sb₂ S₃ la performance photovoltaïque, qui est importante pour guider l'optimisation du Sb₂ S₃ -à base de cellules solaires hybrides. Dans ce travail, le TiO₂ conventionnel /Sb₂ S₃ La structure du dispositif /poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl(P3HT) n-i-p a été utilisée pour étudier les processus dynamiques de génération et de dissociation des porteurs de charge pour différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ .

Il est évident que les différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ en TiO₂ /Sb₂ S₃ Les cellules solaires /P3HT n-i-p peuvent modifier (i) la quantité de photons collectés, qui influence la concentration d'électrons/trous générés par les photons ; (ii) l'amplitude du champ électrique interne à travers le Sb₂ S₃ couche, qui influence la dérive électron/trou générée par les photons ; (iii) la distance de transport des électrons/trous jusqu'à l'électrode respective; et (iv) la recombinaison électron/trou [16, 17]. Cependant, la raison du Sb₂ S₃ les performances dépendantes de l'épaisseur dans la structure de pincement sont encore ambiguës, ce qui a été simplement attribué aux problèmes de résistance en vrac, d'absorption de photons, de génération/recombinaison de porteurs de charge et de champ électrique interne [16,17,18,19,20,21] , mais l'analyse détaillée et quantifiée des paramètres photovoltaïques dépendant de l'épaisseur n'est pas encore claire. Pour mieux comprendre le changement de J _sc et V _oc sur le Sb₂ S₃ épaisseur, TiO₂ /Sb₂ S₃ Des cellules solaires /P3HT n-i-p ont été fabriquées (Fig. 1), et l'épaisseur de Sb₂ S₃ Les processus de transport d'électrons et de trous générés par les photons, qui entraînent les différents photocourants, ont été étudiés dans ce travail. De plus, nous avons introduit les spectres de photocourant/photovoltage modulés en intensité dynamique (IMPS/IMVS) et la caractérisation du microscope à force de sonde Kelvin (KPFM) pour étudier les processus photon-électron et étudier les facteurs clés qui régissent les performances du dispositif dans différentes épaisseurs de Sb2 S₃ cellules solaires.

Illustration de TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT architecture de cellules solaires n-i-p.h ⁺ désigne le trou et e ⁻ désigne l'électron

Méthodes

Réactifs

Les substrats de verre enduits de FTO gravés ont été achetés auprès de Huanan Xiangcheng Co., Ltd., Chine. SbCl₃ (99%), Na₂ S₂ O₃ (99 %) et du diisopropoxyde de titane (75 % dans de l'alcool isopropylique) ont été achetés auprès d'Adamas-beta. P3HT a été commandé auprès de Xi'an Polymer Company, Chine, et Ag (99,999 %) a été commandé auprès d'Alfa.

Fabrication d'appareils

Les substrats ont été nettoyés par ultrasons dans de l'eau savonneuse, de l'acétone et de l'isopropanol pendant 60 min chacun, suivis d'un traitement avec de l'ozone UV pendant 30 min. Une fine couche de TiO₂ compact (0,15  M de diisopropoxyde de titane dans de l'éthanol) a été déposé par centrifugation à 4 500 rpm pendant 60 s, suivi d'un recuit à 125 °C pendant 5 min et à 450 °C pendant 30 min. Dépôt de Sb₂ S₃ sur le dessus du TiO₂ couche mince a été réalisée par une méthode de dépôt en bain chimique (CBD) [5, 10, 22]. Une solution d'acétone contenant du SbCl₃ (0,3 M) a été ajouté goutte à goutte dans Na₂ S₂ O₃ (0.28 M) sous agitation dans un bain de glace (~ 5 °C). Le substrat FTO a été recouvert d'une fine couche de TiO₂ puis suspendu à l'envers dans la solution aqueuse lorsque la couleur de la solution est passée à l'orange. Après 1 h, 1,5 h, 2 h et 3 h de processus CBD, un Sb₂ amorphe lisse et uniforme S₃ couche a été déposée sur le TiO₂ -substrats FTO enduits, et l'échantillon a été soigneusement rincé avec de l'eau désionisée et séché sous N₂ couler. Le substrat a été encore recuit pendant 30 min dans une boîte à gants (O₂ :0,1 ppm, H₂ O :0,1  ppm) sous un N₂ atmosphère. La fabrication de l'hétérojonction n-i-p a été complétée par un moulage par centrifugation (1500 rpm pendant 60 s) d'un film P3HT (15 mg/mL) sur le dessus de Sb2S3 à l'intérieur d'une boîte à gants (O₂ :0,1 ppm, H₂ O :0,1  ppm) sous un N₂ atmosphère. Enfin, le MoO₃ (10 nm) et l'électrode Ag (100 nm) a été déposée par évaporation à travers un masque d'ombre.

Instruments et caractérisation

Les diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) du film ont été enregistrés par un diffractomètre à rayons X MXP18AHF avec irradiation Cu Kα (λ = 1.54056 Å). Des mesures de microscopie électronique à balayage (MEB) ont été effectuées sur un microscope électronique à balayage à émission de champ (ZEISS, GeminiSEM 300). Les spectres d'absorption ont été enregistrés avec un spectrophotomètre Shimadzu UV-2600. Densité de courant-tension (J –V ) les caractéristiques ont été mesurées sous un éclairage AM 1.5 avec une intensité de 100 mW/cm ² en utilisant un simulateur solaire 94023A Oriel Sol3A (Newport Stratford, Inc.). L'intensité lumineuse d'une lampe au xénon de 450  W a été calibrée avec une cellule solaire en silicium cristallin standard. Le J-V les courbes ont été recueillies à l'aide d'une station d'essai Oriel I-V (Keithley 2400 Source Meter, Newport). Les spectres d'efficacité quantique externe (EQE) des cellules solaires ont été mesurés à l'aide d'un kit de mesure QE/IPCE (Zolix Instruments Co., Ltd.) dans la plage spectrale de 300 à 900  nm. Les spectres de photocourant à modulation d'intensité (IMPS) et les spectres de phototension à modulation d'intensité (IMVS) ont été mesurés à l'aide d'une station de travail électrochimique (IviumStat.h, Pays-Bas) dans des conditions ambiantes avec une intensité de fond de 28,8  mW/cm ² à partir d'une diode électroluminescente blanche, avec une faible profondeur de perturbation sinusoïdale de 10 %. Le microscope à force de sonde Kelvin (KPFM) a été réalisé par un microscope à force atomique Agilent SPM 5500 équipé d'un contrôleur MAC III (comprenant trois amplificateurs verrouillés) pour cartographier le potentiel de surface (SP).

Résultats et discussion

Dépôt et caractérisation de Sb₂ S₃ /TiO₂ Film

Les images FE-SEM (Fig. 2a) montrent clairement que différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ les films sont déposés sur TiO₂ substrats en verre revêtus de couches avec le temps CBD différent t (1,0 h, 1,5 h, 2,0 h, 3,0 h). On peut voir que l'uniforme Sb₂ S₃ couches ont été obtenues avec succès par les techniques CBD. L'épaisseur moyenne du Sb₂ S₃ Le film estimé à partir des images FE-SEM en coupe transversale est tracé sur la Fig. 2b en fonction du temps CBD. L'épaisseur moyenne d de Sb₂ S₃ le film augmente linéairement avec t (Fig. 2b). L'épaisseur moyenne a augmenté presque linéairement de 96 à 373 nm en changeant le temps CBD de 1 à 3 h. Les modèles XRD de Sb₂ S₃ film avec différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ film sur verre FTO sont illustrés à la Fig. 3. Le spectre XRD mesuré est indexé sur Sb₂ orthorhombique S₃ (JCPDS PCPDFWIN #42-1393) [23].

un Images FE-SEM en coupe de Sb₂ S₃ films sur TiO₂ substrats de verre à couche dense. b Moyenne Sb₂ S₃ épaisseur d tracé en fonction du temps de réaction du CBD t pour le Sb₂ S₃ dépôt de film. Les valeurs ont été estimées par les images en coupe FE-SEM

Modèles XRD du Sb₂ tel que synthétisé S₃ film sur FTO avec un temps de dépôt différent. L'échantillon 1 est le substrat de verre FTO pur, et les échantillons 2 à 5 sont Sb₂ S₃ films avec t de 1 h, 1,5 h, 2 h et 3 h, respectivement

Comme le montre la figure 4, le TiO₂ les échantillons présentent le début d'absorption à 386 nm (3,21 eV) correspondant à l'absorption de la bande interdite de TiO₂ [24]. Tous les TiO₂ tels que déposés /Sb₂ S₃ couches avec différents t du CBD présentent un avantage d'absorption à env. 750 nm [25]. L'intensité d'absorption de Sb₂ S₃ sur le TiO₂ surfaces est clairement dans l'ordre 3 h > 2 h > 1,5 h > 1 h. Ce résultat indique également que le Sb₂ S₃ le film devient progressivement plus épais avec un CBD t plus long , qui est également en accord avec les résultats SEM.

L'absorption UV-vis du TiO₂ et TiO₂ /Sb₂ S₃ films avec t de 1 à 3 h, respectivement

Cellules solaires

J -V caractéristiques des cellules solaires avec différentes épaisseurs d (c'est-à-dire, CBD t ) sont comparés sur la figure 5a. Le tableau 1 présente les performances photovoltaïques globales de ces appareils. Augmentation de l'épaisseur d (c'est-à-dire, temps CBD t ) affecte considérablement les performances de l'appareil. Le PCE augmente comme d augmente de 96 à 175  nm (c'est-à-dire, t augmenté de 1,0 à 1,5 h) et diminue par la suite, en particulier diminue largement après d> 280 nm (c'est-à-dire, t> 2 h). Optimum Sb₂ S₃ une épaisseur de 175  nm peut être déterminée par comparaison des efficacités de l'appareil, auquel point un PCE maximum de 1,65 %, J _sc de 6.64 mA cm ⁻² , V _oc de 0,61  V et un FF de 40,81 % peuvent être atteints. Ce résultat est comparable aux autres rapports [16, 26]. Liu et al. hybride étudié ZnO/Sb₂ S₃ /P3HT cellules n-i-p avec Sb₂ S₃ couches de trois épaisseurs différentes (50, 100 et 350  nm) par évaporation thermique atteignant le PCE le plus élevé (~ 2%) avec le Sb₂ de 100 nm d'épaisseur S₃ [12]. Kamruzzaman et al. étudié TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT cellules n-i-p avec Sb₂ S₃ épaisseurs de 45-120 nm par une méthode d'évaporation thermique, et l'absorbeur Sb₂ S₃ et la couche de transport de trous P3HT ont été recuites dans des conditions atmosphériques. Dans leurs études, l'épaisseur de 100 à 120  nm a montré une meilleure efficacité de conversion de puissance de 1,8 à 1,94 % [26]. Évidemment, l'épaisseur de Sb₂ S₃ affecte en effet fortement les performances de l'appareil, même par différentes stratégies de dépôt de Sb₂ S₃ condition de film ou de recuit.

un J–V courbes et b Spectres EQE des cellules solaires avec différents t CBD pour Sb₂ S₃ film

Charge de transport

L'appareil J _sc augmente remarquablement avec l'augmentation de Sb₂ S₃ épaisseur d de 96 à 175 nm puis décroît au fur et à mesure que le d augmente (Fig. 5 et Tableau 1). L'appareil J _sc dépend fortement du Sb₂ S₃ épaisseur d. La génération et la dissociation des porteurs de charge sont des processus clés pour la génération de photocourant. Premièrement, la lumière visible traversera le TiO₂ couche en raison de sa propriété de fenêtre de lumière visible (Fig. 4) et commence à être absorbée par TiO₂ /Sb₂ S₃ interface. Sb₂ S₃ s'est avéré être un coefficient d'absorption élevé α environ 10 ⁵ cm ⁻¹ dans la région visible [27]. Ici, on prend α = 10 ⁵ cm ⁻¹ pour Sb₂ S₃ . La profondeur d'éclairage en fonction de l'épaisseur est représentée sur la Fig. 6 selon la loi de Beer-Lambert I (x ) = Je ₀ e ^-ax , dans laquelle le I ₀ est le flux de photons incidents et le I (x ) est le flux de photons dans Sb₂ S₃ . Évidemment, les photons incidents ne peuvent pas être absorbés complètement lorsque le Sb₂ S₃ a une épaisseur de 100 nm ou 200 nm (Fig. 6b). Le d -rapport de photon absorbé (N_a )/photons incidents (N_i ) peut être calculé par intégration de l'aire de la zone ombrée en coordonnées. Comme le montre la figure 6b (voir également la figure 7b), le N_a /N_i est de 61 % lorsque le d = 96 nm et N_a /N_i est augmenté à 82 % lorsque le d = 175 nm. On peut penser que les 21% de photons absorbés supplémentaires pourraient provoquer l'augmentation de J _sc de 5,50 à 6,64 mA/cm ² . Lorsque le d augmente à 280 nm, les 11% de photons supplémentaires sont absorbés et le N_a /N_i est encore amélioré à 93%, ce qui montre que plus de photons pourraient être davantage absorbés et pourraient ensuite générer plus d'électrons. Cependant, l'appareil J _sc diminué à 5.06 mA/cm ² ce qui est inférieur au cas de d = 96 nm. Lorsque le d augmente à 373 nm, le N_a /N_i est proche de 100 % et l'appareil J _sc est fortement diminué à 2,64 mA/cm ² . Par conséquent, l'absorption n'est pas le seul facteur qui affecte J _sc .

L'illustration du Sb₂ S₃ épaisseur d -profondeur d'éclairage dépendante x et E _dans

un Tracés semilogarithmiques de J–V caractéristique dans l'obscurité des cellules solaires avec différents t CBD pour Sb₂ S₃ film. b Dépendances de V _dans , J _sc , N _un /N _je , E _ke , et E _kh sur Sb₂ S₃ épaisseur d

Les tracés semilogarithmiques du J–V courbe des cellules solaires dans l'obscurité présentent normalement trois régimes distincts :( i) augmentation linéaire pour le courant dominé par les fuites, (ii) augmentation exponentielle pour le courant dominé par la diffusion, et (iii) augmentation quadratique pour le courant à charge d'espace limitée. La tension intégrée (V _dans ) peut normalement être estimée au point de retournement où la courbe sombre commence à suivre un comportement quadratique (Fig. 7a). Dépendances de V _dans , J _sc , N _un /N _je , E _ke , et E _kh sur le CBD t sont illustrés à la figure 7b. Quand j augmenté de 96 à 175 nm, le N _un /N _je amélioré 34,44 % ; cependant, le J _sc n'a augmenté que de 20,72 %, ce qui signifie qu'il existe un autre facteur limitant le J _sc incrément. Il a été déduit que cela pourrait être dû à la diminution du champ électrique interne à travers le Sb₂ S₃ couche, ce qui a affaibli la dérive électron/trou générée par les photons [16]. Par conséquent, nous avons calculé le champ électrique interne E _dans traverser le Sb₂ S₃ basé sur la relation de E _dans = V _dans /d (Tableau 2). De plus, la vitesse de dérive de l'électron v _e et trou v _e , énergie cinétique de l'électron E _ke , et le trou E _kh sous champ électrique interne E _dans ont également été calculés (Tableau 2 et Fig. 7b). Lorsque le d est de 96 nm, le E _ke est de 296,56 meV, et E _kh est de 53,25  meV. Lorsque le d augmenté à 175 nm, le E _ke diminue largement à 95,29 meV et E _kh diminué à 17,12 meV, ce qui est inférieur à l'énergie thermique à température ambiante (E _kt , 26µmeV). Ce résultat indique que le champ électrique interne a peu d'effets sur la dérive des trous lorsque Sb₂ S₃ l'épaisseur est ou supérieure à 175  nm. De toute évidence, le E réduit _ke et E _kh avec le Sb₂ plus épais S₃ devrait être la raison qui limite l'incrément de J _sc . Augmenter encore d de 175 à 280 nm, le N _un /N _je augmenté à 13,84 % ; cependant, le J _sc obtenir diminué. Cela pourrait être dû à la diminution de E _ke qui est proche du E _kt (d = 280 nm) mais bien inférieur au E _kh (d = 373 nm), ce qui signifie le E _dans a progressivement peu d'effets sur la dérive des électrons lorsque d> 280 nm comme observé dans ce travail. Par conséquent, E _dans la dérive des électrons liée à la décrémentation pourrait être responsable du J _sc réduction lorsque d augmenté de 175 à 280  nm. Cependant, lorsque le d augmenté à 373 nm, le E _dans a peu d'effets sur la dérive des électrons et des trous, mais J _sc encore largement diminué, ce qui indique que E _dans n'est pas non plus le seul facteur qui affecte le J _sc .

Nous avons utilisé KPFM pour caractériser les électrons photo-générés et le potentiel de surface (SP) lié à la concentration de trous dans Sb₂ S₃ /P3HT. L'échantillon pour la mesure KPFM a été préparé en coulant goutte à goutte la solution de précurseur P3HT sur une partie du FTO/TiO₂ /Sb₂ S₃ surface du film (Fig. 8). Comme le Sb₂ S₃ l'épaisseur passe de 96 à 373 nm, le SP sur le dessus de Sb₂ S₃ devient progressivement plus petit, ce qui signifie que le niveau de Fermi sur le Sb₂ S₃ la surface devient plus basse [28]. Cela démontre que les électrons qui pourraient diffuser vers la surface supérieure sont progressivement réduits, indiquant qu'il existe une région inférieure pour les électrons photo-générés dans un Sb₂ plus épais. S₃ film comme le montre la Fig. 6. Nous avons également examiné le SP de la partie P3HT. Les changements de SP du P3HT sont différents de celui du Sb₂ S₃ . P3HT pourrait être excité par la lumière pour générer des excitons puis se séparer en électrons et trous [29, 30], lorsque Sb₂ S₃ est très mince (< 200 nm). Quand Sb₂ S₃ devient plus épais, P3HT agit uniquement comme couche de transport de trous, car la plupart des photons sont absorbés par Sb₂ S₃ (Fig. 3). Par conséquent, lorsque l'épaisseur de Sb₂ S₃ est inférieur à 280  nm, P3HT pourrait être photo-excité, ce qui entraînerait une diminution progressive du niveau de Fermi de P3HT à mesure que Sb₂ S₃ l'épaisseur augmente progressivement (diminution du photo-exciton). Dans le cas de 280 nm, le SP du P3HT chute rapidement, car il n'y a pas de photo-exciton et le P3HT fonctionne comme une couche de transport de trous pour collecter les trous. Comme le Sb₂ S₃ l'épaisseur augmente jusqu'à 373  nm, ce qui est beaucoup plus grand que la longueur de transport des trous, la collection de trous diminue également rapidement, provoquant une nouvelle augmentation du niveau de Fermi dans P3HT. De plus, les changements de SP dans P3HT sont beaucoup plus importants que dans le Sb₂ S₃ dans le cas de d = 373 nm, ce qui signifie que la collecte des trous est pire que la collecte des électrons et conduirait donc probablement à une très faible J _sc .

Illustration de la mesure SP de Sb₂ S₃ Interface /P3HT par KPFM

De plus, IMPS et IMVS, en tant que puissantes méthodes photoélectrochimiques dynamiques dans les cellules solaires à colorant [31] et les cellules solaires à pérovskite [32], ont été appliquées pour étudier la dynamique de transport de charge dans ce travail. IMPS/IMVS mesure la réponse photocourant/photovoltage à une petite perturbation lumineuse sinusoïdale superposée à l'intensité lumineuse de fond dans des conditions de court-circuit/circuit ouvert [31,32,33]. Les réponses IMPS ou IMVS mesurées apparaissent dans le quatrième quadrant du plan complexe avec une forme de demi-cercle déformé (Fig. 10a, b). La constante de temps τ défini par la fréquence (f min) de la composante imaginaire la plus basse de la réponse IMPS ou IMVS est une évaluation du temps de transit τ _IMPS pour que les électrons atteignent l'électrode de collecte dans des conditions de court-circuit ou la durée de vie des électrons τ _IMVS liés à la recombinaison des charges interfaciales dans des conditions de circuit ouvert. D'après la relation τ = (2πf ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS et τ _IMVS dans les appareils ont été calculés (tableau 1). L'augmentation τ _IMPS suggère un chemin de transport plus long des charges vers l'électrode de collecte, tandis que le τ inchangé _IMVS induit la même recombinaison de charge interfaciale [33]. L'efficacité de la collecte des charges interfaciales η _c est typique considéré comme η _c = 1-τ _IMPS /τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Évidemment, le temps de transport plus long du τ _IMPS et la courte durée de vie de recombinaison de charge interfaciale du τ _IMVS entraînerait une pire perception des frais et vice versa. Dans cette étude, le τ _IMPS augmente avec le Sb₂ plus épais S₃ tandis que le τ _IMVS est inchangé. Par conséquent, l'efficacité de la collecte des charges interfaciales η _c diminue avec le Sb₂ plus épais S₃ , et les changements de J _sc en différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ les cellules solaires doivent être causées par le chemin de transport et l'efficacité de la collecte des charges, et non par la recombinaison des charges.

L'augmentation de Sb₂ S₃ l'épaisseur pourrait absorber plus de photons, ce qui pourrait améliorer le photocourant. Cependant, en Sb₂ plus épais S₃ couche, la plupart des électrons et des trous sont générés près du TiO₂ côté en raison de l'absorption exponentielle de photons (Fig. 10c); par conséquent, le chemin de transport de la plupart des électrons est presque le même. Cependant, la plupart des trous doivent être diffusés sur un chemin plus long que les électrons dans le Sb₂ plus épais S₃ couche, qui est démontrée par un τ plus long _IMPS dans la figure 10d. Lorsque l'épaisseur dépasse la longueur de diffusion du trou, la zone inférieure en Sb₂ S₃ pour une génération et un transport de trous inefficaces diminuerait le photocourant et affaiblirait le J _sc et EQE. La longueur de diffusion du trou dans Sb₂ S₃ est d'environ 180 nm [18]. Lorsque l'épaisseur de Sb₂ S₃ dépasse la longueur de diffusion des trous, les performances de collecte des trous sont réduites, ce qui est également répondu par les spectres EQE (Fig. 5b) car le coefficient d'absorption des ondes longues est beaucoup plus faible que celui des ondes courtes, ce qui entraîne une profondeur d'éclairage plus longue pour les ondes longues ( Fig. 9) [35]. Les trous générés par la photo à partir de la longue bande pourraient être distribués de manière plus uniforme dans Sb₂ S₃ que celui de la bande courte (les trous photo-générés de la bande courte pourraient se rapprocher de TiO₂ côté), résultant en une collecte plus efficace du trou de la longue bande. Par conséquent, l'EQE dans la partie à grande longueur d'onde n'a pas eu une grande diminution autant que la partie à onde courte avec Sb₂ S₃ épaisseur de 373  nm (Fig. 5b).

Images KPFM de Sb₂ S₃ de 1 h (a ), 1.5 h (b ), 2 h (c ), et 3 h (d ) et P3HT sur Sb₂ S₃ de 1 h (e ), 1.5 h (f ), 2 h (g ), et 3 h (h ) sous un éclairage de lumière blanche du verre FTO, respectivement. je , j Les distributions SP correspondantes de Sb₂ S₃ et P3HT

Comme le montre la figure 10d, il est facile de comprendre qu'un plus petit τ _IMPS est accompagné d'un Sb₂ plus fin S₃ (c'est-à-dire un trajet de transport de charge plus court); cependant, τ _IMVS reste principalement le même lorsque Sb₂ S₃ l'épaisseur est passée de 96 à 373 nm dans cette expérience, ce qui signifie qu'il n'y a pas de dépendance directe de J _sc et V _oc sur τ _IMVS (c'est-à-dire recombinaison interfaciale) lorsque Sb₂ S₃ l'épaisseur change. Il est bien connu que le V _oc du TiO₂ /Sb₂ S₃ Les cellules solaires /P3HT sont normalement déterminées par la différence entre les niveaux quasi-Fermi des électrons dans le TiO₂ et les trous dans le P3HT [36]. Comme la collection de trous est réduite dans P3HT lorsque l'épaisseur de Sb₂ S₃ est plus grand que la longueur de diffusion des trous, cela augmenterait la différence entre les niveaux quasi-Fermi des électrons et des trous pour un V inférieur _oc . De plus, un Sb₂ plus épais S₃ augmenterait la résistance série plus élevée et l'efficacité de collecte de charge pire; ces facteurs défavorables peuvent entraîner un FF plus faible dans un Sb₂ plus épais S₃ appareil.

un IMPS et b Caractérisations IMVS de cellules solaires avec différents t CBD pour Sb₂ S₃ film. c Illustration de la zone de diffusion des électrons et des trous pour l'éclairage à courte et longue longueur d'onde. d Dépendance de τ _IMPS et τ _IMVS sur le CBD t

Bien que l'efficacité du TiO planaire₂ /Sb₂ S₃ Les cellules solaires /P3HT n-i-p sont très faibles, et comment améliorer encore l'efficacité de l'appareil est un défi. Cependant, nos résultats ont tout de même démontré que d'autres améliorations pouvaient être apportées. Par exemple, l'amélioration du champ électrique intégré en utilisant une couche de transport d'électrons ou une couche de transport de trous différente pourrait améliorer le transport et la collecte des charges. De plus, comment améliorer la capacité de diffusion des trous doit être pris en compte ; peut-être que certains additifs conducteurs sont utiles. De plus, l'ingénieur interfacial est également important pour améliorer le transfert de charge et la dissociation. Enfin et surtout, la méthode exprimée dans cet article pourrait offrir une référence utile pour d'autres cellules solaires à haute efficacité relative (par exemple, les cellules solaires organiques, les cellules solaires à pérovskite).

Conclusion

Dans cet article, le mécanisme des changements de photocourant dans TiO₂ /Sb₂ S₃ Cellules solaires /P3HT n-i-p avec différentes épaisseurs de Sb₂ S₃ a été étudiée. Lorsque l'épaisseur est inférieure à la longueur de transport du trou, l'absorption et le champ électrique interne sont les principaux facteurs qui affectent le photocourant ; lorsque l'épaisseur est supérieure à la longueur de transport du trou, la zone inférieure en Sb₂ S₃ car une génération et un transport de trous inefficaces est la principale raison de la diminution du photocourant. Les résultats ont montré que la densité de courant de court-circuit de l'appareil (J _sc ) augmente avec l'absorption de photons améliorée lorsque le Sb₂ S₃ l'épaisseur est inférieure à la longueur de transport du trou ; cependant, lorsque le Sb₂ S₃ l'épaisseur est supérieure à la longueur de transport du trou, dispositif J _sc est fortement diminué avec une absorption accrue. La dérive des électrons liée à la diminution du champ électrique interne pourrait conduire à la réduction du J _sc lorsque l'épaisseur de Sb₂ S₃ est inférieure à la longueur de transport du trou. Cependant, lorsque l'épaisseur de Sb₂ S₃ est plus grand que la longueur de transport du trou, le champ électrique interne a peu d'effets sur la dérive des électrons et des trous, mais J _sc encore largement diminué. La caractérisation KPFM et IMPS/IMVS a démontré qu'il existe une région inférieure pour les électrons photo-générés dans un Sb₂ plus épais S₃ film. La zone inférieure dans Sb₂ S₃ pour une réduction des trous pouvant diffuser dans le P3HT lorsque le Sb₂ S₃ l'épaisseur est plus grande que la longueur de diffusion du trou, ce qui entraîne une diminution manifeste du J _sc . De plus, la collection réduite de trous dans P3HT avec l'augmentation de l'épaisseur de Sb₂ S₃ augmenterait la différence entre les niveaux quasi-Fermi d'électrons et de trous pour un V inférieur _oc .

Abréviations

CBD :

Dépôt en bain chimique

E _dans :

Champ électrique interne

E _ke :

Énergie cinétique de l'électron

E _kh :

Énergie cinétique du trou

E _kt :

Thermal energy at ambient temperature

EQE :

Efficacité quantique externe

FF :

Facteur de remplissage

IMPS:

Intensity-modulated photocurrent spectra

IMVS:

Intensity-modulated photovoltage spectra

J –V :

Current density–voltage

J _sc :

Courant de court-circuit

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 :

Microscopie électronique à balayage

SP:

Surface potential

UV-vis :

Ultraviolet-visible spectroscopy

v _e :

Drift velocity of the electron

v _h :

Drift velocity of the hole

V _dans :

Built voltage

V _oc :

Tension en circuit ouvert

XRD :

Diffraction des rayons X