Mejora de la eficiencia de las células solares sensibilizadas por puntos cuánticos CuInS2 de estado sólido mediante la mejora de la recombinación de carga

Resultados y discusión

En la figura 1 se muestra un esquema de la arquitectura del dispositivo, incorporándose con la imagen SEM en sección transversal cubierta por colores falsos para distinguir las diferentes capas preparadas en el dispositivo. La distribución uniforme de partículas y el contacto superior entre interfaces pueden mejorar la conductividad eléctrica de películas delgadas que mejorarían la transferencia del portador de carga [27, 28, 29]. El mapeo elemental de TiO ₂ sensibilizado con CIS El electrodo de película mesoporosa también se realiza mediante análisis de rayos X de dispersión de energía (EDX), lo que proporciona una evidencia clara para demostrar la distribución uniforme de CIS en toda la película.

un Esquema de la arquitectura del dispositivo. b La imagen SEM de sección transversal de la celda solar (correspondiente a la muestra preparada con 20 ciclos y recocida a 400 ° C). c Los mapas de distribución elemental de elementos Cu, In y S en TiO ₂ / Capa CIS

El procedimiento de fabricación de TiO ₂ sensibilizado con CIS QD Los fotoelectrodos de nuestro trabajo se ilustran esquemáticamente en la Fig. 2. Vale la pena señalar que el método SILAR asistido por recubrimiento por rotación adoptado en este trabajo puede controlar la cantidad de deposiciones QD con precisión. La cantidad de CIS QD incorporados en el TiO ₂ mesoporoso La capa se evaluó usando los espectros de absorción UV-vis. La Figura 3a muestra la variación de espectros con diferentes ciclos SILAR asistidos por recubrimiento por rotación. Después de cuatro ciclos realizados, solo una cantidad mucho menor de CIS QD se deposita en TiO ₂ película, como lo indica la menor absorbancia de TiO ₂ / Fotoelectrodo CIS. Un aumento en el número de ciclos da como resultado un aumento de la absorbancia y un ligero desplazamiento hacia el rojo del inicio de la absorción, correspondiente al cambio de color de los fotoelectrodos de amarillo oscuro a negro, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3a. Posteriormente, fabricamos y caracterizamos los dispositivos fotovoltaicos con TiO ₂ / Fotoelectrodos CIS.

Esquema del proceso para fabricar TiO ₂ sensibilizado con CIS QD fotoelectrodos

un Espectros de absorción UV-vis de TiO ₂ sensibilizado con CIS QD película preparada por SILAR asistido por centrifugado con diferentes ciclos. El recuadro son las fotografías de las correspondientes películas de fotoelectrodos. b Curvas J-V de QDSSC preparadas en diferentes ciclos

La figura 3b muestra las curvas J-V de CIS QDSSC. Con el aumento del número de ciclos SILAR asistidos por recubrimiento por centrifugación, tanto J _SC y PCE aumentan gradualmente de 2,49 mA cm ⁻² y 0,14% durante 4 ciclos a 4,21 mA cm ⁻² y 0,75% durante 20 ciclos, y luego disminuya a 4,05 mA cm ⁻² y 0,72% para 24 ciclos, respectivamente, como se revela claramente en la Tabla 1. Este resultado demuestra que el proceso del ciclo en la etapa inicial tiene como objetivo aumentar la cobertura de CIS QD mediante el relleno de las áreas descubiertas en TiO ₂ capa mesoporosa. No hay duda de que una mejora de la cantidad de carga de QD y una formación de monocapa de QD en la superficie de TiO ₂ Los fotoanodos son ventajosos para generar electrones mucho más excitados bajo iluminación de luz, lo que aumentaría la fotocorriente de las células solares [30]. Además, una mayor cobertura de superficie para TiO ₂ se logra con el aumento de la cantidad de carga de CIS QDs. La disminución de las áreas de superficie expuestas directamente al HTM es favorable para la supresión del proceso de recombinación de carga que ocurre en TiO ₂ / HTM, lo que conduce a un aumento espectacular de V _OC y una mejora de FF, especialmente en los primeros ciclos. Sin embargo, el espesor de la capa CIS podría aumentar continuamente después de cada ciclo SILAR asistido por recubrimiento por centrifugación debido a las cargas QD adicionales. Debido a la mayor probabilidad de generación de recombinación de carga en la capa CIS, el proceso de transporte de electrones fotogenerados desde las capas QD al TiO ₂ La matriz se volverá más difícil, como se muestra en el dibujo esquemático de la Fig. 4. Los electrones en la banda de conducción QD (CB) pueden ser atrapados por los estados de defectos superficiales [31, 32], que sirven como centros de recombinación, eventualmente dando un deterioro del dispositivo. Mientras tanto, la ruta de recombinación indeseable de los electrones en QD CB y los huecos en QD VB podrían dificultar la inyección de electrones de CIS en TiO ₂ también. Por tanto, luego de la evaluación y verificación de estos efectos, se indica claramente que se debe realizar el número ideal de ciclos (20) para la deposición CIS QDs en este trabajo.

Diagrama esquemático de las principales vías de transferencia de electrones y recombinación de carga existentes en las QDSSC

Posteriormente, se evalúa la influencia del tratamiento de recocido en el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. La Figura 5 presenta la evolución de la absorción de TiO ₂ sensibilizado con CIS QD películas con diferentes temperaturas de recocido. Se encuentra que la absorción se mejora gradualmente al aumentar la temperatura de recocido. La absorbancia alcanza un valor de saturación a la temperatura de 400 ° C. Al mismo tiempo, un tratamiento de recocido excesivo deterioraría el sensibilizador CIS QD debido a la aparición de agregación y oxidación [33]. Da como resultado una disminución de la absorbancia cuando la temperatura de recocido se eleva más a 500 ° C. Por lo tanto, se infiere que un aumento excesivo de la temperatura de recocido (> 400 ° C) es desventajoso para el rendimiento de los dispositivos de celda.

Espectros de absorción UV-vis de TiO ₂ / Fotoelectrodos CIS con tratamiento de recocido a diferentes temperaturas

Las curvas J-V de QDSSC que se midieron bajo iluminación solar simulada AM1.5 se muestran en la Fig. 6a, comparando las características de fotocorriente-fotovoltaje de dispositivos de celda con diferentes temperaturas de recocido. Los parámetros detallados se enumeran en la Tabla 2. El dispositivo basado en el fotoelectrodo recocido a 200 ° C muestra un J _SC mucho más bajo de 5,63 mA cm ⁻² . Un J _SC relativamente más alto de 7,76 mA cm ⁻² se obtuvo recociendo el TiO ₂ / Fotoelectrodo CIS a 300 ° C. A 400 ° C, el dispositivo exhibe el PCE más alto de 3.13%, junto con V _OC de 0,68 V, J _SC de 11,33 mA cm ⁻² y FF de 0,41. El J _SC mejorado resulta de la mejora beneficiosa de la captación de luz sobre el espectro UV-vis para los fotoelectrodos con tratamiento de recocido a una temperatura más alta. Sin embargo, con el aumento de la temperatura hasta 500 ° C, ya no puede traer una mejora en el rendimiento de las células solares, lo que desafortunadamente provoca una disminución significativa en J _SC y PCE. Entonces la película se recoció a 400 ^° C exhibe el mejor rendimiento fotovoltaico en comparación con las otras tres muestras. Para evaluar la absorción de luz y las características de generación de electrones, los espectros de IPCE se muestran en la Fig. 6b. Presenta una fuerte fotorrespuesta con un valor del 66% en el rango de longitud de onda visible entre 400 y 550 nm para QDSSC con una temperatura de recocido de 400 ^° C, con casi un 20% de mejora en comparación con 200 ^° C. La mayor respuesta de IPCE generalmente atribuyó la sobresaliente absortividad de QD en la región espectral. Según el espectro, se puede encontrar que apareció un rango de longitud de onda de respuesta más amplio y un valor de IPCE más alto, lo que está de acuerdo con la tendencia de variación de J _SC como se observa en la medición J-V. El resultado podría estar respaldado por la interpretación de que el tratamiento de recocido adecuado es potencialmente más favorable para la formación de una conexión de interfaz forzada entre CIS y TiO ₂ , lo que conduce a la transferencia efectiva de electrones en QDSSC [34].

un Curvas J-V y b Espectros IPCE de los dispositivos celulares basados ​​en TiO ₂ / Fotoelectrodos CIS con tratamiento de recocido a diferentes temperaturas

Para analizar el proceso de transferencia y recombinación del portador de carga, los dispositivos son investigados más a fondo por EIS. La Figura 7a muestra la gráfica de Nyquist de los resultados de EIS obtenidos con una polarización de - 0.4 V, y los valores ajustados evaluados del circuito equivalente se enumeran en la Tabla 3, donde la vida útil del electrón se puede estimar mediante τ _n = R _r × C _μ [35,36,37]. En la interfaz HTM / contraelectrodo, la resistencia de transferencia de carga R _ct que está relacionado con los semicírculos de alta frecuencia no presenta diferencias obvias, mientras que en las QDSSC actuales se emplearon el mismo HTM y contraelectrodo. El dato simulado de la resistencia a la recombinación R _r que está relacionado con los semicírculos de baja frecuencia representa el proceso de transferencia de electrones en la interfaz fotoelectrodo / HTM. Este dato para QDSSC con TiO ₂ / El fotoelectrodo CIS recocido a 400 ° C es más grande en comparación con los otros, lo que se atribuye a la recombinación interfacial suprimida, lo que da como resultado un V _OC mejorado . Además, los portadores de cargos de larga duración podrían favorecer la mejora de la eficiencia de la recaudación de cargos, contribuyendo así al progreso significativo en IPCE y J _SC [6]. Según la Tabla 3, en el presente caso, el TiO ₂ / Se indica que el fotoelectrodo CIS recocido a 400 ° C sigue siendo el valor más alto de τ _n , ∼ 117 ms, lo que arroja el valor más alto de J _SC como se observa en la medición J-V. Sin embargo, τ _n cae a ∼ 78 ms cuando se aplicó la temperatura más alta de 500 ° C. La _aplicación de V -dependiente C _μ y R _r extraídas de las mediciones de EIS se ilustran en la Fig. 7b yc, respectivamente. C _μ aumenta exponencialmente con la V _aplicación , como se esperaba de la base teórica. El C similar _μ Los valores de todas las celdas ilustran que diferentes temperaturas de recocido no producen un cambio en la posición de TiO ₂ CB [38, 39]. Además, al aumentar la temperatura de 200 a 400 ° C, el R _r el valor se mejora gradualmente. Dado que la tasa de recombinación que ocurre en la interfaz fotoelectrodo / HTM es inversamente proporcional a R _r [39], el mayor valor de R _r significa la tasa de recombinación reducida que ocurre en la célula solar basada en TiO ₂ / Fotoelectrodo CIS recocido a 400 ° C. En general, a partir de estos resultados de EIS, se puede concluir que los dispositivos celulares muestran una gran tasa de recombinación en lugar de un cambio de TiO ₂ CB. También es compatible con la tasa de recombinación más baja y la vida útil más larga de los electrones para la celda solar basada en TiO ₂ / Fotoelectrodo CIS recocido a 400 ° C, lo que favorece la mejora de V _OC , J _SC y valores de FF para células sometidas a tratamiento de recocido en fotoelectrodos como se observa en las curvas J-V.

un Espectros EIS de los dispositivos celulares medidos en la oscuridad con una polarización de - 0,4 V. El recuadro en a ilustra el circuito equivalente simulado para ajustarse a los espectros de impedancia. R _S representa la resistencia del sustrato. R _ct y CPE representan la resistencia de transferencia de carga y la capacitancia en la interfaz HTM / contraelectrodo, respectivamente. R _r y C _μ representan la resistencia a la recombinación y la capacitancia química en la interfaz fotoelectrodo / HTM, respectivamente. b C _μ y c R _r a diferentes voltajes aplicados (V _app ), calculado a partir del ajuste de los espectros de impedancia

Para aclarar aún más el efecto de la temperatura de recocido en la transferencia de carga, los espectros de fotoluminiscencia transitoria resuelta en el tiempo (TRPL) de las muestras se muestran en la Fig. 8. Puede verse que la vida útil PL del fotoanodo disminuye significativamente con el aumento de la temperatura de recocido, lo que indica que se podrían transferir más electrones de CIS a TiO ₂ de manera eficiente, reduciendo la probabilidad de recombinación de portadores fotogenerados internos dentro de los QD hasta cierto punto. Según el cálculo de la tasa de transferencia de electrones (k _et ) [40, 41], se puede observar que la celda solar basada en TiO ₂ / El fotoelectrodo CIS recocido a 400 ° C tiene la mayor k _et valor de 1,17 × 10 ⁷ s ⁻¹ , proporcionando así un excelente rendimiento de transferencia de carga de los QDSSC. En consecuencia, proporciona más evidencia para respaldar que el tratamiento de recocido adecuado es potencialmente más favorable para obtener una conexión efectiva en TiO ₂ / QDs interfaces [33], que es extremadamente beneficioso para el transporte de portadores de carga en QDSSC, lo que conduce a una mayor eficiencia.

Espectros TRPL de TiO ₂ sensibilizado con CIS QD Película (s. El recuadro presenta la vida útil de PL y la tasa de transferencia de electrones