Approfondimenti sulle proprietà fotovoltaiche del solfuro di indio come materiale di trasporto degli elettroni nelle celle solari a base di perovskite

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9076 (2023) Citare questo articolo

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Secondo recenti rapporti, le celle solari organometalliche a base di perovskite (OPSC) basate su struttura planare hanno raggiunto una notevole efficienza di conversione di potenza (PCE), rendendole molto competitive con il più tradizionale fotovoltaico al silicio. Una comprensione completa degli OPSC e delle loro singole parti è ancora necessaria per un ulteriore miglioramento del PCE. In questo lavoro, OPSC di eterogiunzione planare basati su solfuro di indio (In2S3) sono stati proposti e simulati con il programma SCAPS (un simulatore di capacità di celle solari) -1D. Inizialmente, le prestazioni dell'OPSC sono state calibrate con l'architettura fabbricata sperimentalmente (FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au) per valutare i parametri ottimali di ciascuno strato. I calcoli numerici hanno mostrato una dipendenza significativa del PCE dallo spessore e dalla densità dei difetti del materiale assorbente MAPbI3. I risultati hanno mostrato che all’aumentare dello spessore dello strato di perovskite, il PCE migliorava gradualmente ma successivamente raggiungeva un massimo a spessori superiori a 500 nm. Inoltre, è stato riconosciuto che i parametri che coinvolgono la resistenza in serie e la resistenza dello shunt influenzano le prestazioni dell'OPSC. Soprattutto, nelle condizioni ottimistiche della simulazione è stato ottenuto un PCE campione di oltre il 20%. Nel complesso, l’OPSC ha funzionato meglio tra 20 e 30 °C e la sua efficienza diminuisce rapidamente al di sopra di quella temperatura.

The scientific community has shown a great deal of interest in researching perovskite solar cells (OPSCs), which are mainly comprised of organic–inorganic metal halide compounds and are used to produce high-efficiency and inexpensive photovoltaic (PV) technologies1,2,3. These semiconductors have a number of important characteristics, including high charge carrier mobility, long carrier diffusion length, adjustable bandgaps, and a high absorption coefficient4,5,6,7. Due to such exceptional properties, photoconversion efficiency (PCE) values spiked substantially, from 3.8% in 2009 to over 25% in 20218, 25% conversion efficiency. Joule 5, 1033–1035 (2021)." href="#ref-CR9" id="ref-link-section-d8458561e671_1"> 9,10,11. Nell'ordine, un OPSC ha un elettrodo anteriore, un materiale di trasporto degli elettroni (ETM), uno strato di raccolta della luce, un materiale di trasporto delle lacune (HTM) e un elettrodo posteriore. Il materiale di raccolta di un OPSC genera portatori di carica quando esposto alla luce solare12,13,14,15. Questi portafoto vengono consegnati agli elettrodi appropriati da ETM e HTM. La rilevanza dei materiali di trasporto della carica è cruciale per l'intera prestazione fotovoltaica degli OPSC, oltre al ruolo dello strato di perovskite. Ad esempio, il biossido di titanio (TiO2), un comune ETM, non è adatto alla fabbricazione di dispositivi di grandi dimensioni poiché richiede una temperatura operativa superiore a 400 °C. L'uso di TiO2 negli OPSC ad alta efficienza è ulteriormente limitato dalla scarsa mobilità elettronica (μe) del materiale e dall'instabilità UV16,17,18. Ciò evidenzia la necessità di cercare uno strato ETM candidato con proprietà appropriate, come µe elevato, buona conduttività elettrica (σ) e produzione a bassa temperatura.

I PSC planari compatti basati su ETM hanno un layout semplificato e sono più facili da fabbricare. TiO2 e ZnO sono stati ampiamente utilizzati come ETM per OPSC con nip planare19,20,21,22,23. Tuttavia, gli OPSC planari basati su TiO2 e ZnO compattati spesso mostrano una bassa stabilità a causa della mobilità limitata dei portatori dei materiali, dell'allineamento del livello di energia con le perovskiti e delle trappole dei difetti in superficie24,25,26,27,28. Di conseguenza, è importante fornire componenti ETM all’avanguardia per gli OPSC. Il solfuro di indio (In2S3) è un semiconduttore di tipo n con eccellente mobilità dei portatori, non tossicità, un adeguato bandgap, proprietà elettriche regolabili e buona durabilità termica29,30, tutti ideali per l'utilizzo come ETM nelle celle solari31,32. Regolando il periodo di deposizione del bagno chimico a 2 ore, Hou et al. sono stati in grado di costruire un array di nanofiocchi In2S3 come ETM per OPSC CH3NH3PbI3, ottenendo una prestazione del 18,22%. Tuttavia, in questo lavoro non è stata esaminata la stabilità a lungo termine di In2S3-OPSC30. Un anno dopo, Xu et al. hanno preparato fogli In2S3 come ETM per dispositivi CH3NH3PbI3 utilizzando un approccio termico-solvente per 2 ore e hanno raggiunto un'efficienza del 18,83%33. Successivamente, Yang et al. ha compiuto ulteriori sforzi per utilizzare la pellicola In2S3 e ha sviluppato una tecnica di deposizione assistita da spray come ETM per OPSC CsPbIBr2 semitrasparenti. I dispositivi ottimizzati hanno ottenuto una prestazione del 5,59% con una migliore stabilità ambientale34. Nel frattempo, per quanto ne sappiamo, non sono stati riportati studi teorici rilevanti per l’adozione di In2S3 come ETM nelle celle solari a perovskite.