Procesos optoelectrónicos y fotocorriente relacionados con el espesor de Sb2S3 en células solares híbridas planas de TiO2 / Sb2S3 / P3HT

Resumen

En este trabajo, una comprensión integral de la relación de la absorción de fotones, el campo eléctrico interno, la ruta de transporte y la cinética relativa en Sb ₂ S ₃ Se ha investigado el rendimiento fotovoltaico. La estructura plana n-i-p para TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Se llevaron a cabo células solares híbridas de heterounión P3HT y los procesos de fotón a electrón, incluida la profundidad de iluminación, el campo eléctrico interno, la velocidad de deriva y la energía cinética de las cargas, los electrones fotogenerados y el potencial de superficie relacionado con la concentración de huecos en Sb ₂ S ₃ , el tiempo de transporte de carga y la vida útil de la recombinación de la carga interfacial se estudiaron para revelar los factores clave que gobernaban la fotocorriente del dispositivo. Oscuro J – V Las curvas, el microscopio de fuerza de la sonda Kelvin y la dinámica de fotocorriente / fotovoltaje de intensidad modulada indican que el campo eléctrico interno son los principales factores que afectan la fotocorriente cuando el Sb ₂ S ₃ el espesor es menor que la longitud de difusión del orificio. Sin embargo, cuando el Sb ₂ S ₃ el grosor es mayor que la longitud de difusión del orificio, el área inferior en Sb ₂ S ₃ porque los agujeros que no pueden difundirse a P3HT se convertirían en un factor dominante que afectaría a la fotocorriente. El área inferior en Sb ₂ S ₃ La capa para la colección de agujeros también podría afectar la V _oc del dispositivo. La colección reducida de agujeros en P3HT, cuando el Sb ₂ S ₃ El grosor es mayor que la longitud de difusión del agujero, aumentaría la diferencia entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y agujeros para un V más bajo. _oc .

Introducción

Sb ₂ S ₃ se ha utilizado cada vez más para las células solares sólidas de película delgada debido a su banda prohibida moderada de 1,7 eV y un coeficiente de absorción de 1,8 × 10 ⁵ cm ⁻¹ [1, 2]. Sb ₂ S ₃ Las películas delgadas se pueden preparar mediante varios métodos, incluida la pirólisis por pulverización [3], la electrodeposición [4], la deposición química [5] y la técnica de evaporación al vacío térmico [6]. En Sb ₂ S ₃ dispositivo fotovoltaico basado en tecnología, la eficiencia de conversión fotoeléctrica (PCE) ha alcanzado el 5,7–7,5% gracias a la mejora de la tecnología y el diseño del dispositivo [1, 2, 7,8,9,10]. Sin embargo, las eficiencias actuales de los dispositivos de estado sólido siguen siendo bajas en comparación con otros dispositivos fotovoltaicos, como las células solares sensibilizadas con colorante [11] y las células solares de perovskita [12]. En la actualidad, la mayoría de los trabajos suelen centrarse en encontrar la mejor tecnología para conseguir un mejor rendimiento optoelectrónico en dispositivos de estado sólido [7,8,9,10, 13,14,15]. En este sentido, es imperativo estudiar los procesos fotoelectrónicos en Sb ₂ S ₃ -Células solares basadas en para guiar el diseño y la optimización del dispositivo. Esto incluye una comprensión integral del equilibrio entre la absorción, el campo eléctrico interno y la ruta de transporte, y la cinética relativa en Sb ₂ S ₃ rendimiento fotovoltaico, que es importante para orientar la optimización del Sb ₂ S ₃ -Células solares híbridas basadas en. En este trabajo, el TiO ₂ convencional / Sb ₂ S ₃ / poly (3-hexiltiofeno-2,5-diil (P3HT) n-i-p se utilizó la estructura del dispositivo para estudiar la generación de portadores de carga y los procesos dinámicos de disociación para diferentes espesores de Sb ₂ S ₃ .

Es obvio que el diferente grosor de Sb ₂ S ₃ en TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Las células solares P3HT n-i-p pueden cambiar (i) la cantidad de recolección de fotones, lo que influye en la concentración de electrones / huecos generados por fotones; (ii) la magnitud del campo eléctrico interno a través del Sb ₂ S ₃ capa, que influye en la deriva de electrones / huecos generada por fotones; (iii) distancia de transporte de electrones / huecos al electrodo respectivo; y (iv) recombinación de electrones / huecos [16, 17]. Sin embargo, el motivo del Sb ₂ S ₃ El rendimiento dependiente del espesor en la estructura de la línea de contacto es aún ambiguo, lo que se ha atribuido simplemente a problemas con la resistencia a granel, la absorción de fotones, la generación / recombinación de portadores de carga y el campo eléctrico interno [16,17,18,19,20,21]. , pero el análisis detallado y cuantificado de los parámetros fotovoltaicos dependientes del espesor aún no está claro. Para obtener información sobre el cambio de J _sc y V _oc sobre el Sb ₂ S ₃ espesor, TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Se fabricaron células solares P3HT n-i-p (Fig.1), y el espesor de Sb ₂ S ₃ En este trabajo se estudiaron los procesos de transporte de huecos y electrones generados por fotones que dan como resultado las diferentes fotocorriente. Además, introdujimos espectros dinámicos de fotocorriente / fotovoltaje de intensidad modulada (IMPS / IMVS) y caracterización del microscopio de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) para estudiar los procesos de fotón a electrón e investigar los factores clave que regían el rendimiento del dispositivo en diferentes espesores de Sb ₂ S ₃ células solares.

Ilustración de TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Arquitectura de célula solar P3HT n-i-p. H ⁺ denota el agujero y e ^- denota el electrón

Métodos

Reactivos

Los sustratos de vidrio revestidos con FTO grabados se adquirieron de Huanan Xiangcheng Co., Ltd., China. SbCl ₃ (99%), Na ₂ S ₂ O ₃ (99%) y diisopropóxido de titanio (75% en alcohol isopropílico) se adquirieron de Adamas-beta. P3HT se ordenó a Xi’an Polymer Company, China, y Ag (99,999%) se ordenó a Alfa.

Fabricación de dispositivos

Los sustratos se limpiaron mediante ultrasonidos en agua jabonosa, acetona e isopropanol durante 60 min cada uno, seguido de tratamiento con ozono UV durante 30 min. Una fina capa de TiO ₂ compacto (Diisopropóxido de titanio 0,15 M en etanol) se revistió por centrifugación a 4500 rpm durante 60 s, seguido de recocido a 125ºC durante 5 min y 450ºC durante 30 min. Deposición de Sb ₂ S ₃ en la parte superior del TiO ₂ La capa fina se realizó mediante un método de deposición en baño químico (CBD) [5, 10, 22]. Una solución de acetona que contiene SbCl ₃ (0,3 M) se añadió gota a gota en Na ₂ S ₂ O ₃ (0,28 M) con agitación en un baño de hielo (~ 5 ° C). El sustrato FTO se cubrió con una capa delgada de TiO ₂ y luego se suspendió boca abajo en la solución acuosa cuando el color de la solución cambió a naranja. Después de 1 h, 1,5 h, 2 h y 3 h del proceso de CBD, un Sb ₂ amorfo suave y uniforme S ₃ La capa se depositó sobre el TiO ₂ con sustratos FTO recubiertos, y la muestra se enjuagó a fondo con agua desionizada y se secó bajo N ₂ fluir. El sustrato se volvió a recocer durante 30 minutos en una caja de guantes (O ₂ :0,1 ppm, H ₂ O:0,1 ppm) bajo un N ₂ atmósfera. La fabricación de la heterounión n-i-p se completó mediante centrifugación (1500 rpm durante 60 s) de película P3HT (15 mg / ml) sobre Sb2S3 dentro de una guantera (O ₂ :0,1 ppm, H ₂ O:0,1 ppm) bajo un N ₂ atmósfera. Finalmente, el MoO ₃ (10 nm) y el electrodo de Ag (100 nm) se depositó por evaporación a través de una máscara de sombra.

Instrumentos y caracterización

Los patrones de difracción de rayos X (XRD) de la película se registraron con un difractómetro de rayos X MXP18AHF con irradiación de Cu Kα ( λ =1,54056 Å). Las mediciones de microscopía electrónica de barrido (SEM) se realizaron en un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (ZEISS, GeminiSEM 300). Los espectros de absorción se registraron con un espectrofotómetro Shimadzu UV-2600. Densidad de corriente-voltaje ( J - V ) las características se midieron con iluminación AM 1.5 con una intensidad de 100 mW / cm ² utilizando un simulador solar Oriel Sol3A 94023A (Newport Stratford, Inc.). La intensidad de la luz de una lámpara de xenón de 450 W se calibró con una célula solar de silicio cristalino estándar. El J – V Las curvas se recopilaron utilizando una estación de prueba Oriel I – V (Keithley 2400 Source Meter, Newport). Los espectros de eficiencia cuántica externa (EQE) de las células solares se midieron utilizando un kit de medición QE / IPCE (Zolix Instruments Co., Ltd.) en el rango espectral de 300 a 900 nm. Los espectros de fotocorriente de intensidad modulada (IMPS) y los espectros de fotovoltaje de intensidad modulada (IMVS) se midieron utilizando una estación de trabajo de electroquímica (IviumStat.h, Países Bajos) en condiciones ambientales con una intensidad de fondo de 28,8 mW / cm ² de un diodo emisor de luz blanca, con una pequeña profundidad de perturbación sinusoidal del 10%. El microscopio de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) se realizó con un microscopio de fuerza atómica Agilent SPM 5500 equipado con un controlador MAC III (que comprende tres amplificadores de bloqueo) para mapear el potencial de superficie (SP).

Resultados y discusión

Deposición y caracterización de Sb ₂ S ₃ / TiO ₂ Película

Las imágenes FE-SEM (Fig. 2a) muestran claramente que diferentes espesores de Sb ₂ S ₃ la película se deposita en TiO ₂ sustratos de vidrio recubiertos con capas con diferentes tiempos de CBD t (1,0 h, 1,5 h, 2,0 h, 3,0 h). Se puede ver que el uniforme Sb ₂ S ₃ Las capas se obtuvieron con éxito mediante técnicas de CBD. El grosor medio del Sb ₂ S ₃ La película estimada a partir de las imágenes FE-SEM de sección transversal se representa en la Fig. 2b como una función del tiempo de CBD. El espesor medio d de Sb ₂ S ₃ la película aumenta linealmente con t (Figura 2b). El espesor promedio aumentó casi linealmente de 96 a 373 nm al cambiar el tiempo de CBD de 1 a 3 h. Los patrones XRD de Sb ₂ S ₃ película con diferentes espesores de Sb ₂ S ₃ La película sobre vidrio FTO se muestra en la Fig. 3. El espectro XRD medido está indexado a Sb ₂ ortorrómbico S ₃ (JCPDS PCPDFWIN # 42-1393) [23].

un Imágenes FE-SEM transversales de Sb ₂ S ₃ películas en TiO ₂ sustratos de vidrio recubiertos de capas densas. b Sb promedio ₂ S ₃ espesor d representado en función del tiempo de reacción del CBD t para el Sb ₂ S ₃ deposición de película. Los valores fueron estimados por las imágenes de corte transversal FE-SEM

Patrones XRD del Sb ₂ sintetizado S ₃ película en FTO con diferente tiempo de deposición. La muestra 1 es el sustrato de vidrio FTO puro y las muestras 2 a 5 son Sb ₂ S ₃ películas con t de 1 h, 1,5 h, 2 h y 3 h, respectivamente

Como se muestra en la Fig.4, el TiO ₂ las muestras muestran el inicio de la absorción a 386 nm (3,21 eV) correspondiente a la absorción de banda prohibida de TiO ₂ [24]. Todo el TiO ₂ depositado / Sb ₂ S ₃ capas con diferentes t de CBD exhiben una ventaja de absorción a aprox. 750 nm [25]. La intensidad de absorción de Sb ₂ S ₃ en el TiO ₂ superficies es claramente del orden 3 h> 2 h> 1,5 h> 1 h. Este resultado también indica que el Sb ₂ S ₃ la película se vuelve gradualmente más gruesa con un CBD t más largo , que también concuerda con los resultados de SEM.

La absorción UV-vis de TiO ₂ y TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ películas con t de 1 a 3 h, respectivamente

Células solares

J - V características de las células solares con diferentes espesores d (es decir, CBD t ) se comparan en la Fig. 5a. La Tabla 1 presenta el rendimiento fotovoltaico general de estos dispositivos. Aumento del grosor d (es decir, tiempo de CBD t ) afecta significativamente el rendimiento del dispositivo. El PCE aumenta a medida que d aumenta de 96 a 175 nm (es decir, t aumentó de 1.0 a 1.5 h) y disminuye a partir de entonces, especialmente disminuye en gran medida después de d > 280 nm (es decir, t > 2 h). Optimum Sb ₂ S ₃ El espesor de 175 nm se puede determinar mediante la comparación de las eficiencias del dispositivo, en cuyo punto un PCE máximo de 1,65%, J _sc de 6,64 mA cm ⁻² , V _oc de 0,61 V y FF del 40,81%. Este resultado es comparable a los informes de los demás [16, 26]. Liu y col. estudió híbrido ZnO / Sb ₂ S ₃ / Células P3HT n-i-p con Sb ₂ S ₃ capas de tres espesores diferentes (50, 100 y 350 nm) por evaporación térmica logrando el PCE más alto (~ 2%) con el Sb ₂ de 100 nm de espesor S ₃ [12]. Kamruzzaman y col. estudió TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Células P3HT n-i-p con Sb ₂ S ₃ espesores de 45-120 nm por un método de evaporación térmica, y el absorbedor Sb ₂ S ₃ y la capa de transporte de huecos P3HT se recocieron en condiciones atmosféricas. En sus estudios, el espesor de 100-120 nm mostró una mejor eficiencia de conversión de energía de 1.8-1.94% [26]. Obviamente, el grosor de Sb ₂ S ₃ de hecho, afecta fuertemente el rendimiento del dispositivo, incluso mediante diferentes estrategias de deposición de Sb ₂ S ₃ condición de película o recocido.

un J – V curvas y b Espectros EQE de las células solares con diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ película

Transporte de carga

El dispositivo J _sc aumenta notablemente al aumentar Sb ₂ S ₃ espesor d de 96 a 175 nm y luego disminuye a medida que d aumenta (Fig. 5 y Tabla 1). El dispositivo J _sc depende significativamente del Sb ₂ S ₃ espesor d. La generación y disociación del portador de carga son procesos clave para la generación de fotocorriente. En primer lugar, la luz visible pasará a través del TiO ₂ capa debido a su propiedad de ventana de luz visible (Fig. 4) y comienzan a ser absorbidos por TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ interfaz. Sb ₂ S ₃ ha demostrado ser un coeficiente de absorción alto α alrededor de 10 ⁵ cm ⁻¹ en la región visible [27]. Aquí, tomamos α =10 ⁵ cm ⁻¹ para Sb ₂ S ₃ . La profundidad de iluminación dependiente del espesor se representa en la Fig.6 según la ley de Beer-Lambert I ( x ) = yo ₀ e ^-ax , en el que el yo ₀ es el flujo de fotones incidente y el I ( x ) es el flujo de fotones en Sb ₂ S ₃ . Obviamente, los fotones incidentes no se pueden absorber completamente cuando el Sb ₂ S ₃ tiene un espesor de 100 nm o 200 nm (Fig. 6b). El d -relación de fotón absorbido (N _a ) / fotones incidentes (N _i ) se puede calcular mediante la integración del área del área sombreada en coordenadas. Como se muestra en la Fig. 6b (consulte también la Fig. 7b), la N _a / N _i es del 61% cuando el d =96 nm y N _a / N _i se mejora al 82% cuando el d =175 nm. Se puede creer que el 21% adicional de fotones absorbidos podría causar el aumento de J _sc de 5,50 a 6,64 mA / cm ² . Cuando el d aumenta a 280 nm, el 11% adicional de fotones se absorbe y el N _a / N _i se mejora aún más al 93%, lo que muestra que más fotones podrían absorberse más y luego podrían generar más electrones. Sin embargo, el dispositivo J _sc disminuyó a 5,06 mA / cm ² que es menor que el caso de d =96 nm. Cuando el d aumenta a 373 nm, el N _a / N _i está cerca del 100% y el dispositivo J _sc se reduce drásticamente a 2,64 mA / cm ² . Por lo tanto, la absorción no es el único factor que afecta a J _sc .

La ilustración del Sb ₂ S ₃ espesor d -profundidad de iluminación dependiente x y E _en

un Gráficas semilogarítmicas de J – V característica en la oscuridad de las células solares con diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ película. b Dependencias de V _en , J _sc , N _a / N _i , E _ke y E _kh en Sb ₂ S ₃ espesor d

Las gráficas semilogarítmicas de J – V La curva de las células solares en la oscuridad normalmente exhibe tres regímenes distintos: ( i) aumento lineal para la corriente dominada por fugas, (ii) aumento exponencial para la corriente dominada por difusión, y (iii) aumento cuadrático para la corriente con carga espacial limitada. El voltaje incorporado ( V _en ) normalmente se puede estimar en el punto de inflexión donde la curva oscura comienza a seguir un comportamiento cuadrático (Fig. 7a). Dependencias de V _en , J _sc , N _a / N _i , E _ke y E _kh sobre CBD t se muestran en la Fig. 7b. Cuando d aumentó de 96 a 175 nm, la N _a / N _i mejorado 34,44%; sin embargo, el J _sc solo aumentó en un 20,72%, lo que significa que hay otro factor que limita la J _sc incremento. Se ha inferido que esto podría deberse a la disminución del campo eléctrico interno en el Sb ₂ S ₃ capa, que debilitó la deriva de electrones / huecos generada por fotones [16]. Por lo tanto, calculamos el campo eléctrico interno E _en cruzar el Sb ₂ S ₃ basado en la relación de E _en = V _en / d (Tabla 2). Además, la velocidad de deriva del electrón v _e y agujero v _e , energía cinética del electrón E _ke y agujero E _kh bajo el campo eléctrico interno E _en también se calcularon (Tabla 2 y Fig. 7b). Cuando el d es de 96 nm, la E _ke es 296,56 meV y E _kh es 53,25 meV. Cuando el d aumentado a 175 nm, el E _ke disminuye en gran medida a 95,29 meV y E _kh disminuyó a 17,12 meV, que es menor que la energía térmica a temperatura ambiente ( E _kt , 26 meV). Este resultado indica que el campo eléctrico interno tiene pocos efectos sobre la deriva del pozo cuando Sb ₂ S ₃ el espesor es superior o igual a 175 nm. Obviamente, la E reducida _ke y E _kh con el Sb ₂ más grueso S ₃ debería ser la razón que limita el incremento de J _sc . Aumentando aún más d de 175 a 280 nm, la N _a / N _i mejorado al 13,84%; sin embargo, el J _sc disminuyen. Esto puede deberse a la disminución de E _ke que está cerca de la E _kt ( d =280 nm) pero mucho más bajo que el E _kh ( d =373 nm), que significa E _en gradualmente tiene pocos efectos sobre la deriva de electrones cuando d > 280 nm como se observa en este trabajo. Por lo tanto, E _en la deriva de electrones relacionada con el decremento podría ser responsable de la J _sc reducción cuando d aumentado de 175 a 280 nm. Sin embargo, cuando el d aumentado a 373 nm, el E _en tiene pocos efectos sobre la deriva de electrones y huecos, pero J _sc todavía disminuyó en gran medida, lo que indica que E _en tampoco es el único factor que afecta a la J _sc .

Usamos KPFM para caracterizar los electrones fotogenerados y el potencial de superficie relacionado con la concentración de huecos (SP) en Sb ₂ S ₃ / P3HT. La muestra para la medición de KPFM se preparó vertiendo gota a gota la solución precursora de P3HT en parte del FTO / TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ superficie de la película (Fig. 8). Como el Sb ₂ S ₃ el grosor aumenta de 96 a 373 nm, el SP en la parte superior de Sb ₂ S ₃ gradualmente se vuelve más pequeño, lo que significa que el nivel de Fermi en el Sb ₂ S ₃ la superficie se vuelve más baja [28]. Esto demuestra que los electrones que podrían difundirse a la superficie superior se están reduciendo gradualmente, lo que indica que hay una región inferior para los electrones fotogenerados en Sb ₂ más grueso. S ₃ película como se muestra en la Fig. 6. También examinamos el SP de la pieza P3HT. Los cambios de SP del P3HT son diferentes a los de Sb ₂ S ₃ . El P3HT podría ser excitado por la luz para generar excitones y luego separarse en electrones y huecos [29, 30], cuando Sb ₂ S ₃ es muy delgado (<200 nm). Cuando Sb ₂ S ₃ se vuelve más grueso, P3HT solo actúa como la capa de transporte de huecos, porque la mayoría de los fotones son absorbidos por Sb ₂ S ₃ (Fig. 3). Por lo tanto, cuando el espesor de Sb ₂ S ₃ es menos de 280 nm, P3HT podría fotoexcitarse, lo que da como resultado que el nivel de Fermi de P3HT disminuya gradualmente a medida que Sb ₂ S ₃ el grosor aumenta gradualmente (disminución del fotoexcitón). En el caso de 280 nm, el SP de P3HT cae rápidamente, porque no hay fotoexcitón y el P3HT funciona como una capa de transporte de huecos para recolectar huecos. Como el Sb ₂ S ₃ El grosor aumenta a 373 nm, que es mucho más grande que la longitud de transporte del orificio, la colección de orificios también cae rápidamente, lo que hace que el nivel de Fermi en P3HT aumente nuevamente. Además, los cambios de SP en P3HT son mucho mayores que en el Sb ₂ S ₃ en el caso de d =373 nm, lo que significa que la recolección de huecos es peor que la recolección de electrones y, por lo tanto, probablemente conduciría a una disminución de J _sc .

Ilustración de la medición de SP de Sb ₂ S ₃ / Interfaz P3HT de KPFM

Además, IMPS e IMVS, como los poderosos métodos fotoelectroquímicos dinámicos en células solares sensibilizadas con colorante [31] y células solares de perovskita [32], se han aplicado para estudiar la dinámica de transporte de carga en este trabajo. IMPS / IMVS mide la respuesta de fotocorriente / fotovoltaje a una pequeña perturbación de luz sinusoidal superpuesta a la intensidad de la luz de fondo en condiciones de cortocircuito / circuito abierto [31,32,33]. Las respuestas IMPS o IMVS medidas aparecen en el cuarto cuadrante del plano complejo con una forma de semicírculo distorsionado (Fig. 10a, b). La constante de tiempo τ definido por la frecuencia ( f min) del componente imaginario más bajo de la respuesta IMPS o IMVS es una evaluación del tiempo de tránsito τ _IMPS para que los electrones alcancen el electrodo de recolección en condiciones de cortocircuito o la vida útil del electrón τ _IMVS relacionado con la recombinación de carga interfacial en condiciones de circuito abierto. Según la relación τ =(2π f ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS y τ _IMVS en los dispositivos se calcularon (Tabla 1). El aumento de τ _IMPS sugiere una ruta de transporte más larga de cargas al electrodo de recolección, mientras que el τ sin cambios _IMVS infiere la misma recombinación de carga interfacial [33]. La eficiencia de recolección de carga interfacial η _c se considera típico como η _c =1- τ _IMPS / τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Obviamente, el tiempo de transporte más largo del τ _IMPS y la corta vida útil de la recombinación de la carga interfacial del τ _IMVS Causaría un peor cobro de cargos y viceversa. En este estudio, el τ _IMPS aumenta con el Sb ₂ más grueso S ₃ mientras que el τ _IMVS no ha cambiado. Por lo tanto, la eficiencia de recolección de carga interfacial η _c disminuye con el Sb ₂ más grueso S ₃ y los cambios de J _sc en diferentes espesores de Sb ₂ S ₃ Las células solares deben ser causadas por la ruta de transporte y la eficiencia de recolección de carga, no por la recombinación de carga.

El aumento de Sb ₂ S ₃ El grosor podría absorber más fotones, lo que podría mejorar la fotocorriente. Sin embargo, en Sb ₂ más grueso S ₃ capa, la mayoría de los electrones y huecos se generan cerca del TiO ₂ lado debido a la absorción exponencial de fotones (Fig. 10c); por lo tanto, la ruta de transporte de la mayoría de los electrones es casi la misma. Sin embargo, la mayoría de los agujeros deben difundirse en un camino más largo que los electrones en el Sb ₂ más grueso. S ₃ capa, que se demuestra por un τ más largo _IMPS en la Fig. 10d. Cuando el espesor excede la longitud de difusión del orificio, el área inferior en Sb ₂ S ₃ para una generación y transporte de agujeros ineficientes disminuiría la fotocorriente y debilitaría la J _sc y EQE. La longitud de difusión del agujero en Sb ₂ S ₃ es de alrededor de 180 nm [18]. Cuando el grosor de Sb ₂ S ₃ excede la longitud de difusión de los orificios, el rendimiento de recolección de los orificios se reduce, lo que también es respondido por los espectros EQE (Fig.5b) ya que el coeficiente de absorción de la onda larga es mucho más bajo que el de la onda corta, lo que resulta en una profundidad de iluminación más larga para la onda larga ( Figura 9) [35]. Los agujeros generados por fotografías de la banda larga podrían distribuirse de manera más uniforme en Sb ₂ S ₃ que el de la banda corta (los agujeros generados por la foto de la banda corta podrían acercarse a TiO ₂ lado), lo que resulta en una colección más eficiente del agujero de la banda larga. Por lo tanto, el EQE en la parte de longitud de onda larga no se redujo tanto como en la parte de onda corta con Sb ₂ S ₃ espesor de 373 nm (Fig. 5b).

Imágenes KPFM de Sb ₂ S ₃ de 1 h ( a ), 1,5 h ( b ), 2 h ( c ) y 3 h ( d ) y P3HT en Sb ₂ S ₃ de 1 h ( e ), 1,5 h ( f ), 2 h ( g ) y 3 h ( h ) bajo iluminación de luz blanca de vidrio FTO, respectivamente. yo , j Las distribuciones SP correspondientes de Sb ₂ S ₃ y P3HT

Como se muestra en la Fig. 10d, se comprende fácilmente que un τ más pequeño _IMPS va acompañado de un Sb ₂ más delgado S ₃ (es decir, una ruta de transporte de carga más corta); sin embargo, τ _IMVS permanece principalmente igual cuando Sb ₂ S ₃ el espesor aumentó de 96 a 373 nm en este experimento, lo que significa que no existe una dependencia directa de J _sc y V _oc en τ _IMVS (es decir, recombinación interfacial) cuando Sb ₂ S ₃ cambios de espesor. Es bien sabido que el V _oc del TiO ₂ / Sb ₂ S ₃ / Las células solares P3HT se determinan normalmente por la diferencia entre los niveles de cuasi-Fermi de los electrones en el TiO ₂ y los agujeros en el P3HT [36]. Como la colección de agujeros se reduce en P3HT cuando el espesor de Sb ₂ S ₃ es mayor que la longitud de difusión del agujero, aumentaría la diferencia entre los niveles cuasi-Fermi de electrones y huecos para un V más bajo _oc . Además, un Sb ₂ más grueso S ₃ aumentaría la mayor resistencia de la serie y una peor eficiencia de recolección de carga; estos factores desfavorables pueden causar un FF más bajo en Sb ₂ más grueso S ₃ dispositivo.

un IMPS y b Caracterizaciones IMVS de células solares con diferentes CBD t para Sb ₂ S ₃ película. c Ilustración del área de difusión de electrones y huecos para iluminación de longitud de onda corta y larga. d Dependencia de τ _IMPS y τ _IMVS sobre CBD t

Aunque, la eficiencia del TiO planar ₂ / Sb ₂ S ₃ / Las células solares P3HT n-i-p son muy bajas, y cómo mejorar aún más la eficiencia del dispositivo es un desafío. Sin embargo, nuestros resultados aún demostraron que se podrían llevar a cabo algunas mejoras adicionales. Por ejemplo, mejorar el campo eléctrico incorporado mediante el empleo de una capa de transporte de electrones diferente o una capa de transporte de huecos podría mejorar el transporte y la recolección de carga. Además, se debe considerar cómo mejorar la capacidad de difusión del orificio; tal vez algunos aditivos conductores sean útiles. Además, el ingeniero de interfaces también es importante para mejorar la transferencia de carga y la disociación. Por último, pero no menos importante, el método que se expresa en este documento podría ofrecer una referencia útil para otras células solares de alta eficiencia relativa (por ejemplo, células solares orgánicas, células solares de perovskita).

Conclusión

In this paper, the mechanism of photocurrent changes in TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p solar cells with different thickness of Sb₂ S₃ was studied. When the thickness is less than the hole transport length, the absorption and internal electric field are the main factors that affect the photocurrent; when the thickness is larger than the hole transport length, the inferior area in Sb₂ S₃ for an inefficient hole generation and transport is the main reason for photocurrent decrement. Results showed that device short-circuits’ current density (J _sc ) is increased with the enhanced photon absorption when the Sb₂ S₃ thickness is less than the hole transport length; however, when the Sb₂ S₃ thickness is larger than the hole transport length, device J _sc is sharply decreased with further increased absorption. Internal electric field decrement-related electron drift could lead to the reduction in the J _sc when the thickness of Sb₂ S₃ is less than the hole transport length. However, when the thickness of Sb₂ S₃ is larger than the hole transport length, the internal electric field has little effects on electron and hole drift, but J _sc still largely decreased. KPFM and IMPS/IMVS characterization demonstrated that there is an inferior region for photo-generated electrons in thicker Sb₂ S₃ película. The inferior area in Sb₂ S₃ for a reduction of holes that can diffuse into the P3HT when the Sb₂ S₃ thickness is larger than the hole diffusion length, leading to the obviously decreased J _sc . Moreover, the reduced collection of holes in P3HT with the increased thickness of Sb₂ S₃ would increase the difference between the quasi-Fermi levels of electrons and holes for a lower V _oc .