Uno studio approfondito su più livelli ETL e HTL per la progettazione e la simulazione di livelli elevati

Sep 15, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2521 (2023) Citare questo articolo

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Il cloruro di cesio-stagno (CsSnCl3) è un materiale assorbente potenziale e competitivo per le celle solari in perovskite (PSC) senza piombo. Il pieno potenziale di CsSnCl3 non è stato ancora realizzato a causa delle possibili sfide legate alla fabbricazione di dispositivi privi di difetti, all'allineamento non ottimizzato dello strato di trasporto degli elettroni (ETL), dello strato di trasporto delle lacune (HTL) e alla configurazione favorevole del dispositivo. In questo lavoro, abbiamo proposto diverse configurazioni di celle solari (SC) basate su CsSnCl3 utilizzando un simulatore di capacità di cella solare unidimensionale (SCAPS-1D) con diversi ETL competenti come ossido di indio-gallio-zinco (IGZO), biossido di stagno (SnO2) , disolfuro di tungsteno (WS2), biossido di cerico (CeO2), biossido di titanio (TiO2), ossido di zinco (ZnO), C60, PCBM e HTL di ossido rameoso (Cu2O), ossido rameico (CuO), ossido di nichel (NiO), ossido di vanadio (V2O5), ioduro di rame (CuI), CuSCN, CuSbS2, Spiro MeOTAD, CBTS, CFTS, P3HT, PEDOT:PSS. I risultati della simulazione hanno rivelato che le perovskiti alogenuri basate su ZnO, TiO2, IGZO, WS2, PCBM e C60 ETL con eterostruttura ITO/ETLs/CsSnCl3/CBTS/Au hanno mostrato un'eccezionale efficienza di fotoconversione mantenendo i valori dei parametri fotovoltaici più vicini tra 96 ​​diverse configurazioni. Inoltre, per le sei configurazioni con le migliori prestazioni, l'effetto dell'assorbitore CsSnCl3 e dello spessore ETL, resistenza in serie e shunt, temperatura di lavoro, impatto della capacità, Mott-Schottky, velocità di generazione e ricombinazione, proprietà corrente-tensione ed efficienza quantistica su sono state valutate le prestazioni Abbiamo scoperto che ETL come TiO2, ZnO e IGZO, con CBTS HTL possono agire come materiali eccezionali per la fabbricazione di SC di eterogiunzione ad alta efficienza (η ≥ 22%) basati su CsSnCl3 con struttura ITO/ETL/CsSnCl3/CBTS/Au. I risultati della simulazione ottenuti da SCAPS-1D per le migliori sei configurazioni SC di CsSnCl3-perovskiti sono stati confrontati dallo strumento wxAMPS (analisi fornita da widget delle strutture microelettroniche e fotoniche) per un'ulteriore convalida. Inoltre, le proprietà strutturali, ottiche ed elettroniche insieme alla densità di carica elettronica e alla superficie di Fermi dello strato assorbente di perovskite CsSnCl3 sono state calcolate e analizzate utilizzando calcoli del primo principio basati sulla teoria del funzionale della densità. Pertanto, questa simulazione approfondita apre una strada di ricerca costruttiva per fabbricare SC ad alte prestazioni a base di perovskite CsSnCl3 economici, ad alta efficienza e senza piombo per un ambiente verde senza piombo e privo di inquinamento.

Le società industriali e accademiche prestano grande attenzione alla tecnologia di recente sviluppo dei PSC agli alogenuri di piombo (Pb), con i loro progressi più notevoli nelle efficienze di conversione di potenza (PCE) superiori al 23%. Le proprietà optoelettroniche distintive, la semplice tecnica di sintesi basata su soluzioni, le caratteristiche economiche e rispettose dell'ambiente hanno attirato la curiosità scientifica per i nanocristalli di perovskite di alogenuri metallici completamente inorganici di CsPbX3, (X = alogeni) negli ultimi anni1,2. Sebbene le prestazioni delle perovskiti inorganiche agli alogenuri di piombo siano eccellenti, la questione problematica della tossicità intrinseca del piombo deve ancora essere affrontata adeguatamente3. Pertanto, la perovskite a base di stagno CsSnX3 (Sn) si è rivelata un'opzione eccellente da utilizzare nelle SC, a causa della non tossicità degli ioni Sn2+4,5. Le perovskiti CsSnX3 transitano da Sn2+ a Sn4+ più stabile mediante ossidazione, risultando in un'elevata suscettibilità all'ambiente circostante6.

L'elevata simmetria della struttura della perovskite con configurazione elettronica s2p0 di Sn, produce transizioni dirette consentite, elevati coefficienti di assorbimento ottico, piccole masse efficaci del portatore ed elevata tolleranza ai difetti, con conseguente prestazione optoelettronica superiore7,8,9,10. Il processo di migrazione ionica intrinseca in ABX3 (A = metallo alcalino o catione molecolare monovalente; B = Pb o Sn; X = alogeno) determina la stabilità del super dispositivo11. A causa di queste caratteristiche interessanti, questi semiconduttori optoelettronici di perovskite agli alogenuri hanno recentemente subito diversi tentativi di commercializzazione12,13.