Mejora de celdas solares de puntos cuánticos CuInS₂ en estado sólido: optimización de la recombinación de carga mediante deposición SILAR controlada y recocido

Resumen

Puntos cuánticos (QD) CuInS₂ se integraron en película mesoporosa TiO₂ mediante protocolo de adsorción iónica sucesiva asistida por centrifugado (SILAR) para fabricar fotoánodos QD-sensibilizados estado sólido. La salida fotovoltaica de las celdas solares QD-sensibilizadas (QDSSC) resultantes depende fuertemente del número de ciclos SILAR, que gobierna cobertura QD y densidad defectos superficiales en TiO₂. El recocido posterior a alta temperatura reduce aún más recombinación carga y acelera transporte electrones. Recocido a 400 °C entrega récord 3.13% eficiencia conversión potencia (PCE), con voltaje circuito abierto 0.68 V, densidad fotocorriente cortocircuito 11.33 mA cm⁻² y factor llenado 0.41, atribuido a recombinación suprimida e inyección electrón mejorada.

Antecedentes

Celdas solares QD-sensibilizadas (QDSSC) combinan generación multi-excitón con bandas prohibidas ajustables, candidatos fuertes fotovoltaica próxima generación. Seleccionar sensibilizador con banda prohibida óptima es esencial para alta eficiencia. CuInS₂ (CIS) es semiconductor directo I-III-VI₂ con banda prohibida ~1.5 eV, coeficiente absorción ~10⁵ cm⁻¹, no toxicidad y excelente estabilidad, rendiéndolo fotosensibilizador atractivo. Reportes previos CIS-QDSSC alcanzaron eficiencias 8.5% usando ensamblaje post-sintético; sin embargo, este enfoque limita carga QD y acoplamiento electrónico con TiO₂. Deposición directa vía SILAR puede cargar densamente QD y mejorar acoplamiento interfacial electrónico. Arquitecturas QDSSC estado sólido evitan problemas estabilidad largo plazo electrolitos líquidos, pero eficiencias reportadas permanecen modestas. Aquí impulsamos eficiencia CIS-QDSSC estado sólido >3% optimizando deposición SILAR y recocido.

Métodos

Materiales

Acetato indio, cloruro cobre(II) dihidrato, sulfuro sódico nonahidrato, isopropoxido titanio, ácido clorhídrico, spiro-OMeTAD, clorobenceno, tert-butilpiridina, bis(trifluorometanosulfonil)imida litio, acetonitrilo de Alfa Aesar y Sigma-Aldrich. Pasta TiO₂ (DSL 18NR-T) de Dyesol. Todos químicos usados sin purificación adicional. Agua desionizada ultrapura para soluciones acuosas.

Preparación

Capa compacta TiO₂ 70 nm depositada por centrifugado sobre vidrio FTO limpio (4000 rpm, 30 s) desde mezcla 350 µL isopropoxido titanio y 35 µL HCl en 5 mL etanol, seguido recocido aire multi-paso (incrementalmente 500 °C, 1 h a 500 °C). Capa mesoporosa TiO₂ 2 µm depositada por centrifugado pasta 18NR-T diluida (800 rpm, 10 s) y tratamiento térmico. QD CIS depositados sobre capa mesoporosa por SILAR asistido centrifugado: 80 µL solución 25 mM CuCl₂ + 50 mM In(OAc)₃ aplicada y centrifugada (800 rpm, 20 s), seguido 80 µL 100 mM Na₂S, también centrifugado 800 rpm. Un ciclo SILAR consiste en estos dos pasos. Película enjuagada agua desionizada y secada N₂ entre ciclos. Tras número deseado ciclos, fotoánodos recocidos bajo N₂ 200–500 °C 30 min mejorar cristalinidad CIS. Solución material transporte huecos (HTM) conteniendo 300 mg spiro-OMeTAD, 2.91 µL clorobenceno, 28.77 µL tBP y 126 µL Li-TFSI centrifugada bajo N₂. Contraelectrodos Au (0.09 cm² área activa) evaporados térmicamente.

Caracterización

Espectros absorción UV-vis registrados Perkin Elmer Lambda 950. SEM transversal FEI nova nano SEM450, con mapeo espectroscopía dispersiva energía (EDS). Características corriente-voltaje (J-V) medidas bajo AM1.5 (100 mW cm⁻²) iluminación lámpara xenón 300 W (XES-100S1). Espectros eficiencia cuántica incidente-corriente (IPCE) obtenidos sistema Enlitech QER3011 (150 W xenón). Espectroscopía impedancia electroquímica (EIS) realizada workstation Zahner Zennium (−0.1 a −0.5 V sesgo, 20 mV AC, 0.1–1 Hz). Fotoluminiscencia resuelta tiempo (TRPL) medida Edinburgh Instruments FLS 900, excitación 543 nm.

Resultados y Discusión

Arquitectura dispositivo consiste fotoánodo TiO₂ sensibilizado QD CIS, HTM spiro-OMeTAD y contraelectrodo Au (Figura 1). Cortes transversales SEM revelan distribución uniforme QD y contacto íntimo entre capas. Mapeo EDS confirma dispersión homogénea Cu, In y S a través matriz TiO₂ mesoporosa.

Figura 2 ilustra procedimiento SILAR asistido centrifugado. Espectros UV-vis (Figura 3a) muestran absorbancia aumenta con número ciclos, ligero corrimiento rojo indicando crecimiento capa CIS. Color película evoluciona amarillo pálido (4 ciclos) a negro profundo (20 ciclos). Curvas J-V (Figura 3b) demuestran tanto J_SC como PCE suben 2.49 mA cm⁻² / 0.14% (4 ciclos) a 4.21 mA cm⁻² / 0.75% (20 ciclos), luego declinan ligeramente 24 ciclos, reflejando carga QD óptima maximiza captación luz minimizando recombinación en capa CIS más gruesa.

Estudios recocido (Figura 5) revelan pico absorbancia 400 °C, más allá agregación y oxidación reducen respuesta óptica. Medidas J-V (Figura 6a) muestran PCE máximo 3.13% a 400 °C, con V_OC = 0.68 V, J_SC = 11.33 mA cm⁻², FF = 0.41. Espectros IPCE (Figura 6b) confirman respuesta fuerte (≈66%) rango 400–550 nm, mejora 20% sobre dispositivo 200 °C, indicando captación luz e inyección electrón mejoradas.

EIS (Figura 7a) indica mayor resistencia recombinación (R_r) y vida electrón más larga (τ_n ≈ 117 ms) dispositivo recocido 400 °C, consistente con recombinación interfacial reducida. TRPL (Figura 8) muestra vida PL más corta con temperatura recocido creciente, significando transferencia electrón más rápida CIS a TiO₂. Tasa transferencia electrón (k_et) alcanza 1.17×10⁷ s⁻¹ a 400 °C, apoyando dinámica transporte carga superior.

Conclusiones

SILAR asistido centrifugado permite control preciso carga QD CIS en TiO₂, mientras recocido alta temperatura (400 °C) optimiza interfaz CIS/TiO₂, suprime recombinación y acelera inyección electrón. Resultantes CIS-QDSSC estado sólido logran PCE 3.13%, V_OC 0.68 V, J_SC 11.33 mA cm⁻², FF 0.41, IPCE 66% (400–550 nm) y tasa transferencia electrón 1.17×10⁷ s⁻¹. Este trabajo demuestra ruta viable celdas QDSSC estado sólido alto rendimiento y guía mejoras estabilidad futuras.