TiO2/Sb2S3/P3HT 평면 하이브리드 태양 전지의 Sb2S3 두께 관련 광전류 및 광전자 공정

결과 및 토론

Sb의 증착 및 특성화₂ S₃ /TiO₂ 영화

FE-SEM 이미지(그림 2a)는 Sb₂의 다양한 두께를 명확하게 보여줍니다. S₃ 필름은 TiO₂에 증착됩니다. CBD 시간 t가 다른 레이어 코팅 유리 기판 (1.0 h, 1.5 h, 2.0 h, 3.0 h). 균일한 Sb₂ S₃ 레이어는 CBD 기술에 의해 성공적으로 획득되었습니다. Sb₂의 평균 두께 S₃ 단면 FE-SEM 이미지에서 추정된 필름은 CBD 시간의 함수로 그림 2b에 표시됩니다. 평균 두께 d Sb₂의 S₃ 필름은 t에 따라 선형적으로 증가합니다. (그림 2b). 평균 두께는 CBD 시간을 1에서 3 h로 변경하여 96에서 373 nm로 거의 선형으로 증가했습니다. Sb₂의 XRD 패턴 S₃ Sb₂의 두께가 다른 필름 S₃ FTO 유리의 필름은 그림 3에 나와 있습니다. 측정된 XRD 스펙트럼은 사방정계 Sb₂로 인덱싱됩니다. S₃ (JCPDS PCPDFWIN #42-1393) [23].

아 Sb₂의 단면 FE-SEM 이미지 S₃ TiO₂의 영화 조밀한 층으로 코팅된 유리 기판. ㄴ 평균 Sb₂ S₃ 두께 d CBD 반응 시간 t의 함수로 표시 Sb₂용 S₃ 필름 증착. 값은 FE-SEM 단면 이미지로 추정되었습니다.

합성된 Sb₂의 XRD 패턴 S₃ 다른 증착 시간으로 FTO에 필름. 샘플 1은 순수한 FTO 유리 기판이고 샘플 2–5는 Sb₂입니다. S₃ t가 있는 영화 각각 1 h, 1.5 h, 2 h 및 3 h의

그림 4와 같이 TiO₂ 샘플은 TiO₂의 밴드갭 흡수에 해당하는 386 nm(3.21 eV)에서 흡수 시작을 나타냅니다. [24]. 모든 기탁된 TiO₂ /Sb₂ S₃ 다른 t 레이어 CBD의 ca.에서 흡수 가장자리를 나타냅니다. 750 nm[25]. Sb₂의 흡수 강도 S₃ TiO₂에서 표면은 분명히 3 h> 2 h> 1.5 h> 1 h 순서입니다. 이 결과는 또한 Sb₂ S₃ 필름은 CBD가 길수록 점차 두꺼워집니다 t , SEM 결과와도 일치합니다.

TiO₂의 UV-vis 흡수 및 TiO₂ /Sb₂ S₃ t가 있는 영화 각각 1–3 h의

태양 전지

제 -V 두께 d가 다른 태양 전지의 특성 (즉, CBD t )는 그림 5a에서 비교됩니다. 표 1은 이러한 기기의 전반적인 태양광 성능을 보여줍니다. 두께 증가 d (즉, CBD 시간 t ) 장치 성능에 상당한 영향을 미칩니다. PCE는 d로 증가합니다. 96에서 175 nm로 증가(즉, t 1.0에서 1.5 h)로 증가하고 그 이후에는 감소합니다. 특히 d 이후에는 크게 감소합니다.> 280 nm(즉, t> 2 h). 최적의 Sb₂ S₃ 175 nm의 두께는 1.65%의 최대 PCE, J에서 장치 효율을 비교하여 결정할 수 있습니다. _sc 6.64 mA cm ⁻² , V _oc 0.61 V 및 40.81%의 FF를 달성할 수 있습니다. 이 결과는 다른 보고서[16, 26]와 유사합니다. Liu et al. 연구 하이브리드 ZnO/Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p 셀(Sb₂ 포함) S₃ 100nm 두께의 Sb₂로 가장 높은 PCE(~ 2%)를 달성하는 열 증발에 의해 세 가지 두께(50, 100 및 350 nm)의 S₃ [12]. Kamruzzamanet al. 연구된 TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p 셀(Sb₂ 포함) S₃ 열증착법에 의한 45–120 nm의 두께, 흡수체 Sb₂ S₃ 및 정공 수송층 P3HT를 대기 조건에서 어닐링하였다. 그들의 연구에서, 100-120 nm의 두께는 1.8-1.94%의 더 나은 전력 변환 효율을 보여주었다[26]. 분명히, Sb₂의 두께 S₃ Sb₂의 다른 증착 전략에도 불구하고 실제로 장치 성능에 큰 영향을 미칩니다. S₃ 필름 또는 어닐링 조건.

아 J–V 곡선 및 b CBD t가 다른 태양 전지의 EQE 스펙트럼 Sb₂용 S₃ 영화

충전 운송

기기 J _sc Sb₂가 증가함에 따라 현저하게 증가합니다. S₃ 두께 d 96에서 175 nm로, 그리고 d로 감소합니다. 증가합니다(그림 5 및 표 1). 기기 J _sc Sb₂에 크게 의존 S₃ 두께 d. 전하 캐리어 생성 및 해리는 광전류 생성의 핵심 프로세스입니다. 먼저 가시광선이 TiO₂를 통과합니다. 가시광선 창 속성으로 인해 레이어(그림 4) 및 TiO₂에서 흡수되기 시작합니다. /Sb₂ S₃ 상호 작용. Sb₂ S₃ 높은 흡수 계수로 입증되었습니다 α 약 10 ⁵ cm ⁻¹ 가시 영역에서 [27]. 여기서는 α를 취합니다. =10 ⁵ cm ⁻¹ Sb₂용 S₃ . Beer-Lambert 법칙 I에 따라 두께에 따른 조명 깊이가 그림 6에 표시됩니다. (x ) =나 ₀ e ^-도끼 , 여기서 나 ₀ 는 입사 광자 플럭스이고 I (x )은 Sb₂의 광자 플럭스입니다. S₃ . 분명히 입사 광자는 Sb₂일 때 완전히 흡수될 수 없습니다. S₃ 두께는 100 nm 또는 200 nm입니다(그림 6b). d -흡수된 광자의 관련 비율(N_a )/사고 광자(N_i )는 음영 영역의 좌표를 적분하여 계산할 수 있습니다. 그림 6b(그림 7b 참조)와 같이 N_a /N_나 d일 때 61% =96 nm 및 N_a /N_나 d일 때 82%로 향상됩니다. =175 nm. 추가로 21%의 광자를 흡수하면 J _sc 5.50 ~ 6.64 mA/cm ² . d일 때 280 nm로 증가하면 추가 11% 광자가 흡수되고 N_a /N_나 더 많은 광자가 더 흡수될 수 있고 더 많은 전자를 생성할 수 있음을 보여주는 93%로 더욱 향상되었습니다. 그러나 장치 J _sc 5.06 mA/cm ² 로 감소 d의 경우보다 낮습니다. =96 nm. d일 때 373 nm로 증가, N_a /N_나 100%에 가깝고 장치 J _sc 2.64 mA/cm ² 로 급격히 감소 . 따라서 흡수는 J에 영향을 미치는 유일한 요소가 아닙니다. _sc .

Sb₂의 그림 S₃ 두께 d -종속 조명 깊이 x 및 E _안에

아 J–V의 세미로그 플롯 CBD t가 다른 태양 전지의 어둠 속에서 특성 Sb₂용 S₃ 영화. ㄴ V의 종속성 _안에 , 제 _sc , N _아 /아니 _나 , E _케 , 및 E _크 Sb₂에서 S₃ 두께 d

J–V의 세미로그 플롯 어둠 속에서 태양 전지의 곡선은 일반적으로 세 가지 별개의 영역을 나타냅니다. ( i) 누설 지배 전류에 대한 선형 증가, (ii) 확산 지배 전류에 대한 지수적 증가, (iii) 공간 전하 제한 전류에 대한 2차 증가. 내장 전압(V _안에 ) 일반적으로 다크 커브가 2차 동작을 따르기 시작하는 전환점에서 추정할 수 있습니다(그림 7a). V의 종속성 _안에 , 제 _sc , N _아 /아니 _나 , E _케 , 및 E _크 CBD t 그림 7b에 나와 있습니다. d일 때 96에서 175 nm로 증가, N _아 /아니 _나 34.44% 향상됨; 그러나 J _sc 20.72%만 증가했는데, 이는 J를 제한하는 또 다른 요소가 있음을 의미합니다. _sc 증가. 이것은 Sb₂에 걸쳐 감소된 내부 전기장 때문일 수 있다고 추론되었습니다. S₃ 광자 생성 전자/정공 드리프트를 약화시키는 층 [16]. 따라서 우리는 내부 전기장 E를 계산했습니다. _안에 Sb₂ 교차 S₃ E의 관계를 기반으로 _안에 =V _안에 /d (표 2). 또한, 전자의 드리프트 속도 v _e 및 구멍 v _e , 전자의 운동 에너지 E _케 , 구멍 E _크 내부 전기장 E 하에서 _안에 도 계산되었습니다(표 2 및 그림 7b). d일 때 96 nm, E _케 296.56 meV, E _크 53.25 meV입니다. d일 때 175 nm로 증가, E _케 95.29 meV 및 E로 크게 감소 _크 17.12 meV로 감소, 이는 주변 온도(E)에서의 열 에너지보다 낮습니다. _kt , 26 meV). 이 결과는 Sb₂일 때 내부 전기장이 홀 드리프트에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다. S₃ 두께가 175 nm 이상입니다. 분명히 감소된 E _케 및 E _크 더 두꺼운 Sb₂ S₃ J의 증가를 제한하는 이유여야 합니다. _sc . d 추가 증가 175 ~ 280 nm, N _아 /아니 _나 13.84%로 향상됨; 그러나 J _sc 감소합니다. 이것은 E의 감소 때문일 수 있습니다. _케 E에 가깝습니다. _kt (d =280 nm) 그러나 E보다 훨씬 낮음 _크 (d =373 nm), 이는 E를 의미합니다. _안에 d일 때 점차적으로 전자 드리프트에 거의 영향을 미치지 않습니다. 이 작업에서 관찰된 바와 같이> 280 nm. 따라서 E _안에 감소 관련 전자 드리프트는 J _sc d일 때 감소 175에서 280 nm로 증가했습니다. 그러나 d 373 nm로 증가, E _안에 전자 및 정공 드리프트에 거의 영향을 미치지 않지만 J _sc 여전히 크게 감소하여 E _안에 또한 J에 영향을 미치는 유일한 요인은 아닙니다. _sc .

KPFM을 사용하여 Sb₂에서 광 생성 전자 및 정공 농도 관련 표면 전위(SP)를 특성화했습니다. S₃ /P3HT. KPFM 측정을 위한 샘플은 P3HT 전구체 용액을 FTO/TiO₂의 일부에 드롭 캐스팅하여 준비했습니다. /Sb₂ S₃ 필름 표면(그림 8). Sb₂로 S₃ 두께가 96에서 373 nm로 증가하고 Sb₂ 상단의 SP S₃ 점차적으로 작아지며, 이는 Sb₂의 페르미 준위를 의미합니다. S₃ 표면이 낮아집니다[28]. 이것은 상부 표면으로 확산될 수 있는 전자가 점차 감소하고 있음을 보여주며, 이는 더 두꺼운 Sb₂에서 광 생성 전자에 대한 열등한 영역이 있음을 나타냅니다. S₃ 우리는 또한 P3HT 부분의 SP를 조사했습니다. P3HT의 SP 변화는 Sb₂의 변화와 다릅니다. S₃ . P3HT는 빛에 의해 여기되어 여기자를 생성한 다음 Sb₂일 때 전자와 정공으로 분리될 수 있습니다[29, 30]. S₃ 매우 얇습니다(<200 nm). Sb₂일 때 S₃ 두꺼워지면 P3HT는 대부분의 광자가 Sb₂에 흡수되기 때문에 정공 수송층으로만 작용합니다. S₃ (그림 3). 따라서 Sb₂의 두께가 S₃ 280 nm 미만이면 P3HT가 광 여기될 수 있으며 결과적으로 P3HT의 페르미 준위가 Sb₂에 따라 점차적으로 감소합니다. S₃ 두께가 점차 증가합니다(광 여기자 감소). 280 nm의 경우 P3HT의 SP는 급격히 저하되는데, 이는 광 여기자가 없고 P3HT가 정공을 모으는 정공 수송층 역할을 하기 때문이다. Sb₂로 S₃ 두께가 정공 수송 길이보다 훨씬 큰 373 nm로 증가하면 정공 수집도 급격히 감소하여 P3HT의 페르미 준위가 다시 상승합니다. 또한, P3HT의 SP 변화는 Sb₂의 변화보다 훨씬 큽니다. S₃ d의 경우 =373 nm, 이는 정공 수집이 전자 수집보다 나쁘고 따라서 훨씬 감소된 J _sc .

Sb₂의 SP 측정 예시 S₃ KPFM의 /P3HT 인터페이스

또한, 염료감응 태양전지[31]와 페로브스카이트 태양전지[32]에서 강력한 동적 광전기화학적 방법인 IMPS와 IMVS가 이 연구에서 전하 수송 역학을 연구하기 위해 적용되었습니다. IMPS/IMVS는 단락/개방 회로 조건에서 배경 광 강도에 중첩된 작은 사인파형 광 섭동에 대한 광전류/광전압 응답을 측정합니다[31,32,33]. 측정된 IMPS 또는 IMVS 응답은 왜곡된 반원 모양의 복소 평면의 4사분면에 나타납니다(그림 10a, b). 시간 상수 τ 주파수(f 분) IMPS 또는 IMVS 응답의 가장 낮은 허수 성분은 통과 시간 τ의 평가입니다. _IMPS 전자가 단락 조건 또는 전자 수명 ​​τ에서 수집 전극에 도달하기 위해 _IMVS 개방 회로 조건에서 계면 전하 재결합과 관련이 있습니다. 관계 τ에 따르면 =(2πf ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS 그리고 τ _IMVS 기기에서 계산되었습니다(표 1). 증가된 τ _IMPS 변경되지 않은 τ _IMVS 동일한 계면 전하 재결합을 추론한다[33]. 계면 전하 수집 효율 η _ㄷ 일반적으로 η로 간주됩니다. _ㄷ =1-τ _IMPS /τ _IMVS [31,32,33,34,35]. 분명히, τ의 더 긴 운송 시간은 _IMPS 및 τ의 짧은 계면 전하 재결합 수명 _IMVS 더 나쁜 전하 수집을 일으킬 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 연구에서 τ _IMPS Sb₂가 두꺼울수록 증가합니다. S₃ 동안 τ _IMVS 변경되지 않습니다. 따라서 계면 전하 수집 효율 η _ㄷ Sb₂가 두꺼울수록 감소 S₃ , 그리고 J의 변화 _sc Sb₂의 다른 두께 S₃ 태양 전지는 전하 재결합이 아니라 수송 경로와 전하 수집 효율에 의해 발생해야 합니다.

Sb₂ 증가 S₃ 두께는 광전류를 향상시킬 수 있는 더 많은 광자를 흡수할 수 있습니다. 그러나 더 두꺼운 Sb₂에서는 S₃ 층, 대부분의 전자와 정공은 TiO₂ 근처에서 생성됩니다. 지수적 광자 흡수로 인한 측면(그림 10c); 따라서 대부분의 전자의 전송 경로는 거의 동일합니다. 그러나 대부분의 정공은 더 두꺼운 Sb₂의 전자보다 긴 경로로 확산되어야 합니다. S₃ 더 긴 τ로 입증되는 레이어 _IMPS 그림 10d에서. 두께가 정공 확산 길이를 초과하면 Sb₂의 하위 영역 S₃ 비효율적인 정공 생성 및 수송의 경우 광전류가 감소하고 J가 약해집니다. _sc 그리고 EQE. Sb₂의 정공 확산 길이 S₃ 약 180 nm이다[18]. Sb₂의 두께일 때 S₃ 정공 확산 길이를 초과하면 장파의 흡수 계수가 단파보다 훨씬 낮기 때문에 EQE 스펙트럼(그림 5b)에 의해 응답되는 정공 수집 성능이 감소하여 장파에 대한 조명 깊이가 더 길어집니다( 그림 9) [35]. 긴 밴드에서 사진 생성 구멍이 Sb₂에서 더 균일하게 분포될 수 있음 S₃ 짧은 밴드의 것보다(짧은 밴드의 사진 생성 구멍은 TiO₂에 가까울 수 있음) 측면), 긴 밴드에서 구멍을 보다 효율적으로 수집합니다. 따라서 장파장 부분의 EQE는 Sb₂로 단파장 부분만큼 크게 감소하지 않았습니다. S₃ 373 nm의 두께(그림 5b).

Sb₂의 KPFM 이미지 S₃ 1 시간(a ), 1.5 h(b ), 2 h(c ) 및 3 h(d ) 및 Sb₂의 P3HT S₃ 1 h(e ), 1.5 h(f ), 2 h(g ) 및 3 h(h ) FTO 유리의 백색광 조명 아래에서 각각. 나 , j Sb₂의 해당 SP 분포 S₃ 및 P3HT

그림 10d와 같이 τ가 작음을 쉽게 알 수 있습니다. _IMPS 더 얇은 Sb₂가 동반됩니다. S₃ (즉, 더 짧은 전하 수송 경로); 그러나 τ _IMVS Sb₂일 때 주로 동일하게 유지 S₃ 이 실험에서 두께가 96에서 373 nm로 증가했습니다. 이는 J의 직접적인 의존성이 없음을 의미합니다. _sc 및 V _oc τ에 _IMVS (즉, 계면 재결합) Sb₂일 때 S₃ 두께 변화. V _oc TiO₂의 /Sb₂ S₃ /P3HT 태양 전지는 일반적으로 TiO₂에 있는 전자의 준 페르미 준위 간의 차이에 의해 결정됩니다. 그리고 P3HT의 구멍[36]. Sb₂의 두께일 때 P3HT에서 구멍의 수집이 감소하므로 S₃ 정공 확산 길이보다 크면 더 낮은 V에 대해 전자와 정공의 준 페르미 준위 간의 차이가 증가합니다. _oc . 또한 더 두꺼운 Sb₂ S₃ 직렬 저항이 증가하고 전하 수집 효율이 나빠집니다. 이러한 불리한 요인은 더 두꺼운 Sb₂에서 더 낮은 FF를 유발할 수 있습니다. S₃ 장치.

아 IMPS 및 b CBD t가 다른 태양 전지의 IMVS 특성화 Sb₂용 S₃ 영화. ㄷ 단파장 및 장파장 조명에 대한 전자 및 정공 확산 영역의 그림. d τ의 의존성 _IMPS 그리고 τ _IMVS CBD t

평면 TiO₂의 효율성은 /Sb₂ S₃ /P3HT n-i-p 태양 전지는 매우 낮고 장치 효율을 추가로 개선하는 방법은 과제입니다. 그러나 우리의 결과는 여전히 몇 가지 추가 개선이 수행될 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 일부 다른 전자 수송층 또는 정공 수송층을 사용하여 내장 전기장을 향상시키면 전하 수송 및 수집을 향상시킬 수 있습니다. 또한 정공 확산 능력을 향상시키는 방법을 고려해야 합니다. 일부 전도성 첨가제가 도움이 될 수 있습니다. 또한, 계면 공학자는 전하 이동 및 해리를 개선하는 데에도 중요합니다. 마지막으로, 이 논문에서 표현된 방법은 다른 상대적인 고효율 태양 전지(예:유기 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지)에 대한 유용한 참조를 제공할 수 있습니다.