Højtydende Parallel Tandem MoTe2/perovskite solcelle baseret på reduceret grafenoxid som hultransportlag

Organisk-uorganisk metalhybridperovskitter har konsekvent vakt ekstraordinær forskningsinteresse i det fotovoltaiske samfund på grund af deres exceptionelle halvlederegenskaber som f.eks.let fremstillingsproces,lang diffusionslængde1, lang bærerlevetid2, pankromatisk absorption af lys3osv. Til dato har den maksimale effektkonverteringseffektivitet (PCE) opnået i single-junction perovskite solceller (PSC'er) været så høj som 25,5 procent1. For yderligere at forbedre PCE begrænset af Shockley-Queisser (SQ) grænsen, blev nogle forskellige strategier fulgt, nemlig bærermultiplikationseffekten for at høste den ekstra energi (hυ-Eg) af fotoner med energi større end båndgabet (Eg)4 og multijunction absorbere til at høste fotoner med energi mindre end f.eks5. Mens det stadig er upraktisk og uhåndgribeligt at opnå PCE via bærermultiplikationsfænomener, har multijunction (tandem) PSC'er med succes opnået en PCE så stor som 29,15 procent6. Dog inspireret af resultaterne af modparter af tandem PSC'er, GaAs og GaInP-baserede multijunction solceller, som har nået en maksimal PCE på 38,8 procent7, der er stadig enspirende interesse for yderligere forbedring af multijunction PSC-ydelsen. Dette har ansporet søgen efternye materialer og arkitekturer til multijunction PSC'er. 

Klik her for at kende Cistanche-antioxidationsegenskaber

Halvledende overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er), herunder MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 og WSe2, dukker op som meget imponerende absorbere til solceller på grund af deres ultrahøje absorptionskoefficienter8, mekanisk feksibilitet9, høj bærermobilitet10 sammen med en ideel båndgap. applikationer 8. Et TMD-lag, der er tyndere end 20 nm, er i stand til at absorbere lys selv ti gange større end velkendte direkte båndgab-halvledere8. Mens TMD'erne, især MoS2, i vid udstrækning har været anvendt som bærertransportlag (HTL'er) i PSC'erne11,12, er der ingen rapport om at drage fordel af TMD's absorptionskapacitet for at forbedre lysabsorptionseffektiviteten i PSC'er. Selvom de fleste TMD'er har næsten samme båndgap størrelse som perovskites, ville bulk MoTe2 med en båndgap på omkring 1 eV være et komplementært absorberende materiale for perovskite til at høste det nær-infrarøde (NIR) område af sollys. MoTe2's stærke NIR-absorptionsevne, sammen med fraværet af dinglende bindinger på overfladen, en egenskab ved TMD'er, der stammer fra deres svage van der Waals (vdW) mellemlagsinteraktion, understøtter MoTe2 og er en egnet kandidat til at blive heterostruktureret med perovskitmaterialer til tandemsolceller13,14. Eksperimentelt muliggør de tilgængelige omkostningseffektive kemiske og mekaniske eksfolieringsmetoder en ensartet og homogen tynd MoTe2-filmforberedelse15,16. Det ville således være mere værdifuldt at udforske udnyttelsen af ​​MoTe2-materialer som et understøttende absorberende lag for at drage fordel af MoTe2-absorptionen.

Heri præsenterer og foreslår vi numerisk en plan type parallelle multijunction PSC'er med et absorberende område lavet af en tynd MoTe2 og CH3NH3PbI3. Hovedenheden er sammensat af ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/Spiro-OMeTAD/Ag-lag, en konfiguration, der ligeledes blev fremstillet med MoS2 16. Den fremragende ønskværdige båndjustering af MoTe2 med andre lag, sammen med dens høje NIR-absorptionskapacitet, baner bemærkelsesværdigt vejen for at opnå højere fotovoltaisk effektivitet. Ved at sammenligne med single-junction PSC'er giver den foreslåede enhed en stigning i PCE fra 14,01 til 18,52 procent. Ved at udføre en nøjagtig numerisk analyse af den MoTe2 tykkelsesafhængige enheds ydeevne blev en optimal tykkelse på 25 nm opnået, hvilket er adskillige amplitudeordener tyndere end de tidligere understøttende absorberende lag, der hidtil er rapporteret i multijunction PSCs17.

Ikke desto mindre er det et veletableret faktum, at brugen af ​​en lavbåndsgab-absorber er skadelig for solcellers åben kredsløbsspænding (VOC) på grund af den begrænsede elektron- og hul-quasi-fermi-niveauadskillelse. Ligeledes har vi observeret en reduktion i Voc efter at have forvandlet strukturen til en multijunction-enhed. For at kompensere for disse fotospændingstab erstatter vi et reduceret grafenoxid (rGO) ark med Spiro-OMeTAD som en HTL for at forbedre huludvindingen og transporten. Enestående forbedrer rGO-arket enhedens VOC og PCE op til henholdsvis 0.928 og 20.32 procent. Det er bemærkelsesværdigt, at den effektive ydeevne af rGO-laget som både mellemlag og ladningstransportlag er blevet godt bevist i PSCs18-23.

Grundlæggende ligninger og modeller

I dette arbejde anvender vi en hybrid optisk og elektrisk model til at beregne og evaluere de præsenterede strukturer. Vi præsenterer deres traditionelle formulering (dvs. i frekvensdomænet) og diskuterer derefter udvidelsen til tidsdomænet. En finite element-metode (FEM) bruges til at løse de partielle differentialligninger (PDE'er).

Optisk model.

Figur 1A viser det skematiske diagram af vores grundlæggende plane PSC-skema. Fra top til bund er strukturen stablet af en gennemsigtig indiumtinoxid(ITO) elektrode, en kompakt titaniumdioxid(TiO2) lag, en methylammonium blyiodid perovskit (CH3NH3PBI3) film, et N,N-di(4-methoxyphenyl) amino]-9,9'-spirobifuoren (spiro-OMeTAD) lag og et lag sølv (Ag) bagelektrode. Det indfaldende lys kommer ind i cellen fra ITO-laget og absorberes til en vis grad af perovskitfilmen. Det indkommende lys oplever også en multirefleksion på grund af den bageste Ag-reflektor, som giver anledning til en absorptionsforbedring. Til kvantitet blev vekselvirkningen mellem elektromagnetiske bølger og lagene såvel som fordelingen af ​​det elektriske felt (E), Helmholtz-ligningen (repræsenteret som følger) løst:

af strukturen. Gopt-formlen er som følger,

hvor ℏ er den reducerede Planck-konstant, og ε" er den imaginære del af den relative permittivitet. Som formlen tydeligvis angiver, er Gopt proportional med kvadratet af E-intensiteten i en bestemt bølgelængde. Den samlede genereringshastighed (Gtot) kan være beregnet ved at integrere Gopt over en indfaldende lysbølgelængdebåndbredde.

Elektrisk model. Følgende velkendte J-V-relation bruges til at beskrive de elektriske karakteristika for de nuværende PSC'er:

For at beregne strømmene skal følgende Poisson- og kontinuitetsligninger løses på tværs af enheden:

Resultater og diskussion

Som nævnt tidligere er reference-PSC lavet af ITO-, TiO2-, CH3NH3PBI3-, spiro-OMeTAD-, Ag-lag, som vist i fig. 1a. Te ITO-, TiO2-, CH3NH3PBI3-, spiro-OMeTAD- og Ag-lagene fungerer som henholdsvis den forreste transparente elektrode, elektrontransportlag (ETL), absorberende lag, hultransportlag (HTL) og bagelektrode. Igennem dette manuskript er tykkelsen af ​​ITO-, TiO2-, CH3NH3PBI3-, spiro-OMeTAD- og Ag-lagene fastsat til henholdsvis 50, 90, 200, 100 og 100 nm. Figur 1b viser energibånddiagrammet for komponenter i strukturen, der godkender en gunstig båndopretning for elektron- og huloverførslen over enheden. Strengt taget blokerer det betydelige valensbånd mellem perovskit (−5,48 eV) og ETL (−7,45 eV) effektivt hulinjektionen, mens deres ledningsbånd er pænt justeret til at opsamle de exciterede elektroner i perovskitfilmen. Omvendt gør båndjusteringen mellem CH3NH3PBI3 (−3,93 eV) og Spiro-OMeTAD (− 1,95 eV) huloverførslen i valensbåndet tilstrækkeligt mulig, mens den hæmmer elektronoverførslen i ledningsbåndet. Inputparametrene, værdierne for energibåndgab (Eg) og elektronaffinitet (χ) for alle komponenter er valgt i henhold til litteraturen17,24,25, og deres værdier indekseres til vakuumniveauet. Den sorte kurve i fig. 1c viser den totale absorption i reference-PSC. Brydningsindeksdata for TiO2, CH3NH3PBI3 og

spiro-OMeTAD er taget fra referencerne 26-28. Det blåskraverede område i fig. 1c viser absorptionsspektrene for PSK i strukturen. Det er tydeligt, at perovskitlaget kun kan absorbere sollys over 300-800 nm på grund af dets båndgab (1,55 eV), så alt NIR-lys går til spilde. For at skubbe lysabsorptionen ud over det synlige område placeres et ultratyndt MoTe2-lag under perovskitfilmen. Masse-MoTe2-halvlederen udstyret med et lille indirekte båndgab på ca. 1,0 eV29 er i stand til at udvide lysabsorptionen til bølgelængder op til 1200 nm, som det er indikeret af det lyserøde skraverede område i fig. 1c. Udover et indirekte båndgab har bulk MoTe2 to dominerende direkte excitoniske huller, kaldet A og B, omkring 1,2 og 1,5 eV, henholdsvis30,31, som specificerer dens absorptionstoppe, som vist i fig. 1c. Efterfølgende viser den sorte kurve i fig. 1d den samlede Gopt i indretningen. Det bekræfter en effektiv lysabsorption, der førte til bærergenerering over NIR-området. De blå og pink-skraverede områder i fig. 1d afslører bidraget fra henholdsvis PSK- og MoTe2-lag til den samlede Gopt. Kvantitativt bidrager PSK- og MoTe2-lagene med henholdsvis omkring 61 procent og 39 procent af carrier-genereringen. Denne forbedring af bærergenereringen af ​​MoTe2-laget kunne være lovende for forbedring af celleydelsen. Desuden kan MoTe2-laget ligesom andre TMD-materialer spille yderligere fordelagtige roller i at booste enhedens ydeevne. Brugen af ​​TMD'er i PSC'er er blevet udvidet for at lette effektiv transportørtransport32, forlænge stabiliteten16 og så videre33. Derfor er disse fordele ledsaget af deres lave omkostninger og nemme forberedelsesproces - mekanisk eksfoliering og overførsel til en enhed, bekræfter deres effektivitet i en PSK-effektivitetsforøgelse.

I denne simulering blev brydningsindekset for bulk MoTe2 opnået fra Ref34. I alle beregninger er inputlyskilden også tilpasset AM1.5G-spektret. Bølgelængdebåndbredden er valgt fra 300 til 1200 nm i en opløsning på hele 20 nm. Den periodiske grænsetilstand (PBC) bruges til hver side af det isolerende område i strukturerne, og Au-lagsiderne er indstillet til en perfekt elektrisk leder (PEC). Bund- og topkontakterne betragtes som ideelle ohmske og Schottky med en overfladerekombinationshastighed på henholdsvis 107 cm/s. Ydermere påføres et swept mesh for mere præcist at opløse felterne omkring det tynde lag. Tabel 1 inkluderer alle optiske og elektriske inputværdier, der er brugt i simuleringerne. Heri er εr den dielektriske konstant, NC og NV er den effektive tæthed af ledningstilstande og valensbånd, μn og μp er elektron- og hulmobiliteter, χ er elektronaffinitet, fx er båndgab-energi, NA og ND er acceptorer og donortætheder , og τn og τp er henholdsvis elektron- og hullevetider. Te MoTe2-materialer er kendt for at være naturligt P-dopet35. Derudover har de halvledende TMD'er i bulkgrænsen fotogenererede bærerlevetider op til et par nanosekunder36,37.

Strømtæthed-spænding (J-V) karakteristika for vores reference PSC under én soltilstand er vist i fig. 2a. Te PSC viser en PCE på 14,01 procent med Jsc på 15,20 mA/cm2, Voc på 1,14 V og FF på 0,81. Ved at drage fordel af NIR-lyset, der er absorberet i MoTe2-laget, øges Jsc betydeligt med 26,2 mA/cm2 i multijunction-PSC med en optimeret tykkelse af MoTe2. Men Voc falder til 0,84 V på grund af elektron- og hul-quasi-fermi-niveauadskillelsen er nu begrænset af MoTe2-båndgabet. På trods af at Voc er ødelagt efter indsættelse af MoTe2-laget, er forbedringen af ​​Jsc i høj grad domineret over Voc-reduktionen, hvilket fører til en mærkbar stigning i PCE fra 14,01 procent til 18,52 procent. Denne PCE-stigning er også bidraget af en passende båndjustering mellem MoTe2 og perovskitlaget og HTL, som vist i fig. 2b. Faktisk kan den ønskede båndjustering mellem absorberende lag effektivt mindske Voc-tab i multijunction PSC'er som et resultat af ladningstransportforbedring og ladningsrekombinationsreduktion38. For at give et bredere perspektiv på TMD'ens evne til lysabsorption sammenligner vi absorptionsspektret af den nuværende struktur med, da MoTe2-laget blev erstattet af tre andre TMD'er, WSe2, MoSe2 og MoS2, som illustreret i fig. 2c. Brydningsindekset og båndstrukturparametrene for WSe2, MoSe2 og MoS2 er hentet fra litteraturen34,39-41. Mens alle TMD'er viser stærk lys-stof-interaktion under lysbelysning, dækker deres båndgab et bredt område fra 1-2 eV42. Heri kan WSe2 og MoSe2 med et båndgab på omkring 1,3 eV absorbere et bredere lysspektrum sammenlignet med MoS2 med et båndgab på 1,45 eV. Af disse er MoTe2 klart mere i stand til at absorbere NIR-lys, hvilket gør det til det bedste valg at blive kaskaderet med PSK. Figur 2d,e viser interaktionen mellem de lette elektriske felter og forskellige lag ved bølgelængden på 600 og 1000 nm. Man kan se, at MoTe2-laget interagerer med lys, når bølgelængden er sat til 1000 nm, hvorimod dets bidrag til lysabsorption i den synlige bølgelængde på 600 nm er ubetydeligt. Det er også værd at vide, at brugen af ​​TMD'er i PSC'er har vist vellykkede resultater for at forbedre stabiliteten16,43. På den anden side kan TMD'er i hver tykkelse nemt fremstilles gennem miljøufølsomme og ikke-destruktive tilgange såsom tør- eller flydende fase-eksfoliering16, og derefter overføres ved tørre eller våde metoder. Således kan en kombination af PSK-materialer og TMD'er potentielt forbedre PSC-ydelsen, ikke kun i solcelledrift, men også ustabilitet

For at opnå multijunction PSC-topydelsen er der udført en analyse af cellens ydeevneafhængighed af MoTe2-tykkelsen, mens andre inputparametre i tabel 1 forbliver uændrede. Ifølge fig. 3 ændres cellens absorption, bærergenerering og fotovoltaiske parametre, når MoTe2-tykkelsen stiger fra 5 til 100 nm. Figur 3a viser absorptionsspektrene for fire forskellige tykkelser af MoTe2-laget inde i multijunction PSC. Som forventet, jo tykkere MoTe2-laget er, jo mere lysabsorption i MoTe2-laget. Imidlertid bliver lysabsorptionshastigheden langsommere, efterhånden som MoTe2-tykkelsen øges, indtil den når mætning ved en vis tykkelse. Selvom for meget lys absorberes af MoTe2 ved de længere bølgelængder omkring 1100 nm, er bærergenereringen dårlig ved sådanne bølgelængder, som illustreret i fig. 3b. Dette kan tilskrives resonanshuleeffekt og interferens, der spiller en rolle i absorptionsspektre, men som ikke udøver nogen indflydelse på bærergenerering. Som vist i fig. 3c,d varierer fotovoltaiske parametre for cellen, PCE, Jsc, Voc og FF med MoTe2-tykkelsen. Med stigende MoTe2-lagtykkelse øges Jsc gradvist, indtil den når et mætningspunkt. Omvendt reduceres Voc'en, når MoTe2-tykkelsen øges. Te Voc oplever i starten et hurtigt fald, og derefter bliver faldhastigheden langsommere med stigningen i MoTe2-tykkelsen. Den faldende Voc-værdi kan tildeles en stigning i ladningsbærer-rekombination i det tykkere absorberende lag og til den øgede seriemodstand44. Når det absorberende lags tykkelse er mindre end bærerens diffusionslængde, formindskes bærerens rekombinationshastighed betydeligt, hvilket resulterer i en kraftig stigning i voc. På den anden side, efter en afstand så meget som bærerdiffusionslængden, opstår der en Voc-reduktion som følge af stigningen i bærerrekombinationen. Det er også værd at bemærke, at FF-parameteren har en ubetydelig afhængighed af MoTe2-tykkelsen. Som angivet i fig. 3d gennemgår PCE'en derfor i begyndelsen en relativt intens stigning i responsen på både Voc og JSC skarpe ændringer i de tyndere MoTe2-tykkelser og når derefter et maksimum (~18,52 procent) ved MoTe2-tykkelsen på 25 nm , og efterfølgende falder det, når Jsc-stigningen er mættet.

For at kompensere for den destruktive effekt af parallel stabling af materialer med lavt og højt båndgab, erstatter vi spirolaget med et 60 nm rGO-lag for at forbedre bæreroverførslen. Formentlig kan grafenoxid (GO) og rGO give flere fordele til PSC'er, nemlig forbedring af stabilitet, elektrisk og termisk ledningsevne45. Derfor blev materialerne i vid udstrækning brugt til forskellige funktioner i PSC'er, såsom bærertransportlag, mellemlag ogtransparente ledende oxider. Her er GO-laget valgt til at indsætte som en HTL på grund af dets velafstemte båndstruktur med de tilstødende lags båndkanter. De elektroniske energibåndparametre for rGO er hentet fra Ref46. Som illustreret i fig. 4a forbedrer nytten af ​​rGO som HTL markant både FF og Voc op til

{{0}}.89 og 0.928, henholdsvis i sammenligningen med multijunction PSC uden rGO-laget. Følgelig giver det en PCE så høj som 20,32, omkring 1,77 procent større end multijunction PSC med spiro HTL. Den betydelige forbedring af fotovoltaisk ydeevne i rGO-baseret multijunction PSC er afsat til mere effektiv ladningstransport og bedre energibåndjustering sammen med en reduktion i den øgede seriemodstand på grund af den forventede ladningsrekombinationsreduktion ved grænsefladen.

Figur 4b sammenligner den fotovoltaiske ydeevne af multijunction PSC med forskellige HTL'er, herunder Spiro-, PTAA-, rGO- og CuS-materialer. Inputparametrene for disse materialer er opstillet i tabel 2. rGO-laget fungerer som HTL bedre end andre materialer på grund af dets høje hulmobilitet47, sammen med en flot båndjustering med MoTe2. Omvendt er CuS ikke godt energisk på linje med MoTe2, hvilket fører til en VOC-reduktion. Bånddiagrammet for multijunction PSC med forskellige HTL'er er vist i fig. 4c.

Spørg for mere:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf: plus 86 15292862950