Sb2의 열안정성 불량 S3 진공에서 고품질 결정질 필름을 얻을 가능성을 방해합니다. Sb2의 광기전 특성을 향상시키기 위해 S3 평면 이종접합 태양 전지, 셀레닐화 기반 후처리 접근 방식이 사용되었습니다. Sb2에서 15분 동안 수행된 셀레닐화 S3 필름은 변환 효율이 ~ 0.01에서 2.20%로 향상되었습니다. 형태, 결정 구조, 조성 분포 및 광전지 거동의 진화에 대한 셀레닐화의 영향이 조사되었습니다. Sb2의 에너지 준위의 변화 S3 /CdS 접합도 논의되었습니다. 결과는 셀레닐화가 Sb2의 결정도를 향상시켰을 뿐만 아니라 S3 필름은 또한 흡수체에서 버퍼 층으로 전하 수송을 촉진하는 적절한 에너지 수준을 제공했습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">무기 박막형 태양전지는 실리콘에 비해 가격이 저렴하고 가볍다는 장점으로 인해 많은 주목을 받고 있다[1, 2]. 이들은 유기 및 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지와 달리 공기 중에서 화학적 및 물리적으로 안정하며 실제 환경에서 매우 긴 작동 수명을 달성했습니다[3,4,5]. 이 중 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS) 기반 및 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 기반 태양 전지가 유망하며 각각 21.7% 및 19.6%의 변환 효율을 실현했습니다[6, 7]. 최근 몇 년 동안 다른 후보 물질 Cu2 ZnSnSx Se4 − x (CZTSSe)는 지구에 풍부하고 환경 친화적인 조성으로 조사되었다[8, 9]. 12.6%의 인상적인 변환 효율이 히드라진 기반 용액 공정에 의해 달성되었지만 이 화합물은 위상 및 결함 제어 측면에서 복잡성에 직면했습니다[10]. 또한, 히드라진의 독성은 추가 적용을 심각하게 제한했습니다[11,12,13]. 최근 이진 안티몬 황화물(Sb2 S3 )은 지구에 풍부하고 저렴한 비용과 Sb 및 S 원소의 상대적으로 낮은 독성 구성으로 인해 박막 태양 전지 응용 분야로서 중요성을 얻었습니다[14, 15].
Sb2 S3 S 요소가 부분적으로 또는 완전히 Se로 대체될 때 조정 가능한 에너지 밴드갭(1.1–1.7 eV)을 나타내며, 이는 Sb2의 우수한 설계 가능성을 시사합니다. S3 광전지 장치 준비용 [16,17,18]. 지금까지 Sb2를 제작하기 위한 다양한 접근 방식이 보고되었습니다. S3 흡수층. Sb2 S3 -감응 무기-유기 이종 접합 태양 전지는 높은 태양 에너지 수확 능력을 나타내며 7.5%의 변환 효율을 입증했습니다[19]. 그러나 소자 제작이 복잡하고 유기 정공 수송 재료의 수명이 짧다. 이에 비해 평면형 이종접합 태양전지는 소자 제작뿐 아니라 흡수체 준비도 간단하다는 점에서 유리하다. 물리적 증착 및 용액 처리 Sb2 S3 필름은 이전에 평면 이종 접합 태양 전지 제조에 적용되었습니다. 완전무기 Sb2 S3 FTO/n형 버퍼층/Sb2의 단순한 구조를 갖는 평면 이종접합 소자 S3 /electrode는 1.27~4.17%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성했습니다[20,21,22,23,24]. 마그네트론 스퍼터링과 같은 진공 기반 필름 증착 방법은 작동이 편리하고 정확한 두께 제어, 재현성 및 매끄러운 표면 형성을 제공합니다. 이러한 장점으로 인해 CIGS 및 CdT 태양 전지의 산업 제조에 널리 적용되었습니다. Sb2 S3 융점(550°C)이 낮고 증기압이 높아 마그네트론 스퍼터링 대신 열 증발을 선호합니다. 그러나 Sb2 S3 진공에서 열안정성이 좋지 않아 조성이 크게 달라지고 [25] 표면 산화 경향이 나타납니다. 현재, 완전 무기 Sb2의 제조에 급속 열 증발(RTP)을 보존하는 구성 요소가 사용되었습니다. S3 4.17%의 최대 PCE를 달성한 태양 전지 [23]. 급속 열 증발 기술과 비교하여 일반 열 증발은 정확한 두께와 다양한 형태 제어를 제공한다는 점에서 몇 가지 장점이 있습니다. 또한, 기판 회전은 구현하기 쉽고 대면적 박막 시편의 균일한 준비에 유리합니다. 기판과 소스 사이의 거리가 더 멀기 때문에 필요한 증발 전력은 급속 증발보다 낮습니다. 이렇게 하면 소스가 증발 프로세스 동안 기판에 대한 열 영향이 줄어듭니다. 그것은 재료를 덜 소비하고 유연한 태양 전지 제조에 더 나은 전망을 가지고 있습니다. 그러나 이 접근 방식에는 해결해야 할 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 분해 및 표면 산화를 방지하기 위해 Sb2 S3 필름은 정기적인 열 증발을 통해 낮은 기판 온도(~ 200 °C)에서만 준비할 수 있습니다. 그러나 낮은 기판 온도로 인해 필름의 결정성이 좋지 않아 효율적인 태양광 소자 제조에 적합하지 않았습니다.
열 증발 Sb2에 대한 진공 어닐링 및 셀렌화를 포함한 후처리 S3 고려되었습니다. 본 연구에서는 열처리에 급속 열처리 기술을 사용하였다. Sb2의 광전지 특성 S3 평면 이종접합 소자는 몇 분의 셀렌화 후에 상당한 향상을 보였다. 공정 조건과 결정 구조 및 표면 형태에 대한 영향을 조사했습니다. 구배 구성의 형성, 에너지 준위의 진화, 장치의 전자 거동도 자세히 논의되었습니다. 이 기술을 최적화한 후 평면형 광전지 장치의 PCE는 ~ 0.01에서 2.20%로 만족스러운 개선을 보였습니다.
간단한 슈퍼스트레이트 소자 구조(FTO(SnO2 :F)/CdS/ Sb2 S3 /Au)가 Sb2에 적용되었습니다. S3 필름 태양 전지. 면저항이 7Ω/□인 FTO 코팅 유리(Pilkington, Toledo, USA)를 바닥 전극으로 사용하여 전자를 수집했습니다. CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을 사용하여 FTO 유리에 두께 90nm의 CdS 버퍼층을 증착했습니다[26]. Sb2 S3 필름은 Sb2를 사용하여 열 증발되었습니다. S3 5 × 10 −4 미만의 분말(aladin, 99.9%, Aladdin) Pa는 기판 온도를 175°C로 유지한 다음 자연적으로 실온으로 냉각할 때입니다. 그런 다음 샘플을 10 3 에서 2구역 튜브 RTP 퍼니스로 옮겼습니다. 보호 N2의 Pa 대기. 과량의 셀레늄 분말은 저온 영역(350°C)의 석영 보트에 배치하고 샘플은 고온 영역(400°C)에 배치했습니다. 이어서, DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 흡수체 층 표면에 60nm Au 전극을 증착하였다.
전류 밀도-전압(J -V ) 특성은 AM 1.5(100W/cm 2 )에서 Keithley 2400 장치를 사용하여 측정되었습니다. ) 크세논 램프 조명(Newport 94043A). Sb2의 외부 양자 효율(EQE) S3 (Se) 박막은 통합 측정 시스템(Beijing SOFN 7-SCSpecIII)을 사용하여 얻었다. 결정 구조 및 조성은 X선 회절(XRD, Bruker D8)로 특성화되었습니다. 광학 특성은 자외선-가시광선 근적외선 투과 분광법(UV-Vis, Agilent Cary5000)으로 특성화되었습니다. 자외선 광전자 분광법(UPS, Thermo ESCALAB 250Xi)을 사용하여 중요한 광전지 층의 에너지 준위를 결정했습니다. Sb2의 표면 형태 S3 CdS 상의 (Se) 막 성장은 주사 전자 현미경(SEM, FEI Helios Nanolab 600i)에 의해 특성화되었습니다. 적절한 개방 회로 전압에서 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)으로 캐리어 수송 거동을 조사했습니다.
전체 장치 제조 절차의 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. 각 샘플은 4mm 2 동일한 조건에서 테스트한 활성 영역. 전형적인 J -V 미처리, 진공 어닐링(A) 및 셀렌화(S) 문자 Sb2 S3 그림 1b에 표시되며 해당 성능은 표 1에 요약되어 있습니다. 처리되지 않은 Sb2 S3 장치는 개방 회로 전압(V)에서 낮은 평균 PCE <0.01%를 보였습니다. OC ) 0.31V 및 단락 전류 밀도(J SC ) 0.14mA/cm 2 . 10분 진공 어닐링 단계 후 J SC =0.66mA/cm 2 및 PCE =0.08%. 대조적으로, selenized 장치는 V OC 및 J SC J가 있는 처리되지 않은 기기와 비교하여 SC =7.80mA/cm 2 및 PCE =1.57%. 최대 PCE =2.20% 및 J가 있는 기기의 최고의 성능 SC =9.04mA/cm 2 셀렌화 시간을 15분으로 늘렸을 때 얻은 결과입니다. 셀렌화 시간을 15분 이상으로 늘려도 성능이 더 이상 향상되지 않았습니다. 20분의 셀렌화 시간 동안 평균 PCE는 V의 변성으로 인해 0.61%로 감소했습니다. OC 및 J SC . 셀렌화 시간을 30분 이상으로 추가로 연장하면 수율이 저하되었습니다. 셀렌화 효과가 있는 장치의 EQE는 그림 1c에 나와 있으며, 여기에서 처리된 장치의 스펙트럼 응답이 처리되지 않은 장치에 비해 상당히 높은 것이 분명합니다. 이 경향은 J와 잘 일치합니다. -V 장치의 특성. 15분 동안 셀렌화된 기기의 EQE가 가장 높아 가시 범위에서 스펙트럼 응답이 양호함을 나타냅니다. EQE 피크는 또한 점진적인 적색 편이를 나타내며 스펙트럼 응답 범위는 셀렌화 시간이 증가함에 따라 넓어집니다. 20분 동안 셀렌화된 장치의 경우 350~400nm에서 훨씬 더 넓은 EQE 범위가 관찰되며, 이는 Se 분위기 어닐링에서 p-n 접합 근처의 조성 변화에 기인할 수 있습니다.
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장치 제작 및 광전지 성능. 아 셀렌화된 Sb2 제작의 개략도 S3 광전지 장치. ㄴ 제 -V 조명 아래의 특성. ㄷ Sb2의 EQE S3 다양한 처리 조건에서 태양광 장치
XRD 분석은 어닐링 및 셀렌화 처리에서 필름의 전체 결정 구조를 결정하는 데 사용되었습니다. 그림 2a와 같이 처리되지 않은 Sb2 S3 필름은 낮은 결정도를 나타내는 약하고 불명확한 XRD 피크를 보여 낮은 J SC . 진공 어닐링되고 셀렌화된 필름은 사방정계 Sb2와 거의 일치하는 구별 가능한 회절 피크로 더 나은 결정도를 나타냈습니다. S3 (JCPDS 번호 15-0861). 셀렌화된 필름의 모든 회절 피크는 점차적으로 더 작은 2θ로 이동했습니다. 셀렌화 시간이 증가함에 따라 각도. 그림 2b에 표시된 확대된(120) 회절 피크에서 2θ Sb2의 값 S3 15분의 셀렌화 시간 후에 16.95°로 이동한 17.50°인 것으로 밝혀졌습니다. 회절 패턴은 표준 Sb2와 일치하는 경향이 있습니다. Se3 PDF 카드(JCPDS NO. 73-0393). 따라서 더 작은 S 원자(1.84Å)가 부분적으로 더 큰 Se 원자(1.98Å)로 대체된 셀렌화 후 격자 상수가 증가했다고 결론지을 수 있습니다.
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Sb2의 결정 구조 특성화 S3 (Se) 영화. 아 Sb2의 XRD 패턴 S3 다양한 처리 조건에서 필름. ㄴ a에서와 같은 동일한 필름의 확대된(120) XRD 피크
추가 셀렌화(20분)는 (120) XRD에서 16.95°에서 16.90°로 약간의 이동을 일으키는 것으로 관찰되었습니다. 셀렌화 과정에서 대체반응속도가 급격히 감소함을 추론하였다. 처리되지 않은 필름은 비정질 질감의 표면을 나타내었고, 필름을 400°C로 진공 열처리했을 때 표면의 작은 입자가 더 두드러졌습니다. 15분의 셀렌화 처리는 마이크론 크기의 큰 입자를 형성했으며, 이는 셀렌화가 XRD 결과와 일치하는 입자의 성장을 효과적으로 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 조밀한 표면은 Se의 대체확산을 방해하여 반응속도를 급격히 감소시켰다. 20분 동안 셀렌화된 필름은 그림 3의 SEM 이미지에서 뚜렷한 가장자리를 가진 큰 입자를 보여주었습니다. 그러나 흡수체와 흡수체 사이의 불량한 접촉을 담당하는 표면에서 일부 팽창(그림 3d의 빨간색 타원)이 관찰될 수 있습니다. 버퍼층. 따라서 20분 셀렌화 장치는 불량한 J를 나타냅니다. SC 높은 직렬 저항(R s )는 표 1과 같습니다. 또한 셀렌화 시간을 연장하면 팽창이 균열로 발전하고 장치가 단락됩니다.
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Sb2의 상위 뷰 SEM 이미지 S3 다양한 처리 조건에서 필름. 아 미처리. ㄴ 진공 소둔. ㄷ 15분 동안 셀렌화되었습니다. d 20분 동안 셀렌화됨
Sb2에 대한 치료 효과를 조사하기 위해 S3 에너지 준위에서 500~1100nm의 흡수 스펙트럼을 UV-Vis 분광법으로 측정했습니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 진공 어닐링된 필름과 셀렌화된 필름 모두 향상된 광 흡수를 보여줍니다. 흡광도 프로파일은 셀렌화 시간이 증가함에 따라 연속적인 적색 편이와 함께 점진적으로 증가하고 장파 흡수 가장자리를 보였다. 이는 셀렌화 과정이 에너지 갭을 감소시킨다는 것을 나타냅니다. Sb2 이후 S3 직접 밴드 갭 반도체, 밴드 갭(E g )는 Tauc 공식으로 계산할 수 있습니다[27]:
$$ \alpha =\left(A/ h\nu \right)\times {\left( h\nu -{E}_g\right)}^{1/2} $$ (1) <그림><출처 type="image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-018-2651-x/MediaObjects/11671_2018_2651_Fig4_HTML.png?>
Sb2의 에너지 수준 분석 S3 (Se) 태양 전지. 아 자외선-가시광선 근적외선 투과 분광법(b ) (αhv의 변형) ) 2 광자 에너지(hv )의 Sb2 S3 다양한 처리 조건에서 필름. ㄷ 진공 준비 Sb2의 PL 스펙트럼 S3 , Sb2 S3 (Se) 및 Sb2 Se3 영화. d의 UPS 스펙트럼 Sb2 Se3 , e Sb2 S3 , 및 f CDS. 지 작곡 분포 및 h 모델 셀렌화된 Sb2의 수직 깊이에 따른 에너지 준위 S3 영화. 나 셀렌화된 Sb2의 이미지 S3 기기 샘플
여기서 A 상수입니다. h 는 플랑크 상수이고 ν 는 입사 광자의 빈도입니다. 이 g (αhv의 선형 적합에서 결정되었습니다. )
2
대 (hv ), 그림 4b와 같이 이 g 처리되지 않은 Sb2 S3 필름은 어닐링 후 1.60eV로 감소한 2.03eV입니다. E g 셀렌화 시간이 20분으로 증가함에 따라 점차적으로 1.44eV로 감소합니다. 이를 확인하기 위해 325nm 레이저로 여기된 필름의 광발광(PL) 스펙트럼을 수행했습니다. 그림 4c와 같이 Sb2의 PL 피크 S3 772nm(1.61eV)에서 매우 작은 스톡스 시프트(0.01eV)로 관찰되었으며 이는 광학 밴드 갭과 일치합니다. 흥미롭게도 Sb2의 PL 스펙트럼 S3 15분 동안 셀렌화된 피크는 두 개의 피크로 나뉩니다. 그 중 하나는 765nm(1.62eV)에 있고 다른 하나는 948nm(1.31eV)에 있습니다. 765nm PL 피크는 Sb2에 매우 가깝습니다. S3 피크(772 nm), Sb2 S3 필름은 15분의 셀렌화 후에도 거의 변하지 않은 상태로 유지됩니다. 태양광 장치의 에너지 수준과 캐리어 수송 특성을 연구하기 위해 Sb2의 UPS 분석 Se3 , Sb2 S3 , 그리고 CdS는 그림 4c-f와 같이 수행되었습니다. 에너지 준위 전도대 최소값(E C ) 및 가전자대 최대값(E V )은 표 2에 나열된 대로 결정되었습니다. XRD 및 PL 결과에 따라 표면의 S의 상당 부분이 Se로 대체되고 pn 접합 근처의 조성은 Sb
광전지 장치의 전자 동작에 대한 셀렌화 효과를 검증하기 위해 시뮬레이션과 함께 그림 5와 같이 전기 화학적 임피던스 측정을 수행했습니다. 평면 이종접합 장치의 경우 테스트 곡선은 반원형 프로파일을 따릅니다. R-CPE(Resistance-Constant Phase Element) 계열 등가 전기 회로 모델을 적용하여 테스트 결과를 시뮬레이션했습니다[30,31,32]. 직렬 저항 R 1 전극으로의 광발생 캐리어 수송에 영향을 미치는 모든 요인, 주로 광전지 필름 및 전극의 캐리어 수송 저항을 나타냅니다. 이 연구에서 Au와 흡수체 사이의 저항에 대한 계면 효과는 옴 접촉으로 인해 무시할 만하며 주요 차이점은 흡수체가 다른 조건에서 처리되기 때문에 발생합니다. 따라서 R 1 값은 흡수체에서 Au 전극으로의 양의 캐리어 수송에만 관련됩니다. 션트 쌍 R 2 및 CPE1은 흡수체와 CdS 완충층 사이의 계면과 연관되어 있습니다. CPE는 커패시턴스(CPE-T)와 비균일성 상수(CPE-P)로 정의할 수 있습니다. 적합도에서 계산된 모든 매개변수는 표 3에 나열되어 있습니다. 테스트된 샘플 간에 CPE-T의 눈에 띄는 차이는 없으며 값이 0.94–0.96 범위에 있어 모든 장치가 이상적인 커패시터로 취급될 수 있음을 나타냅니다. 인터페이스. R의 크기 1 치료 조건에 크게 좌우되는 것으로 나타났다. 처리되지 않은 기기의 경우 R 1 =519.8 × 10 −3 Ω cm 2 , 10.0 × 10 −3 으로 감소했습니다. Ω cm 2 진공 어닐링 공정 후. 15분 동안 셀렌화된 기기의 경우 최소 R 1 0.4 × 10 −3 Ω cm 2 결정되었다. R의 감소 1 흡수체에서 버퍼층으로의 진공 어닐링 또는 셀렌화 촉진 전하 수송을 나타냅니다. 15분 동안 셀렌화된 기기의 경우 R 1 815.5 × 10 −3 으로 증가 Ω cm 2 더 낮은 CPE-T 0.84 10 −7 F cm −2 . 열화는 팽창된 흡수체와 CdS 완충층 사이의 접촉 불량으로 인해 발생했을 가능성이 있습니다.
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Sb2의 임피던스 스펙트럼 S3 어두운 곳에서 측정된 다양한 처리 조건에서 전체 축소 다이어그램 및 등가 회로를 보여주는 삽입
셀렌화 접근법은 Sb2의 결정성을 향상시켰습니다. S3 박막을 형성하고 소자의 광전지 성능을 향상시켰습니다. 셀렌화된 Sb2 S3 필름은 표면 근처에서 S 원자가 Se 원자로 부분적으로 대체되기 때문에 구배 조성 분포를 나타내지만 벌크 조성은 거의 변하지 않습니다. 따라서 셀렌화된 필름은 연속 Sb2 S3 /Sb2 S3 (Se)/Sb2 Se3 pn 접합 부근에서 양극으로 광생성된 양의 캐리어 수송을 위한 전위 장벽을 감소시킨 구조. 최적의 셀렌화 조건에는 Se를 350°C 및 Sb2에서 유지하는 것이 포함됩니다. S3 약 15분의 셀렌화 시간으로 400°C에서 과도한 셀렌화 시간은 흡수체와 CdS 완충층 사이의 계면 접촉 불량으로 이어지는 일부 팽창을 유발하여 성능 및 수율을 저하시키는 경향이 있습니다.
단련
화학조 증착
구리 인듐 갈륨 셀레나이드
Cu2 ZnSnSx Se4 − x
전기화학적 임피던스 스펙트럼
외부 양자 효율
(SnO2 :F)
단락 전류 밀도
전류 밀도-전압
전력 변환 효율
광발광
저항 일정 위상 요소
신속한 열처리
셀렌화됨
주사전자현미경
자외선 광전자 분광법
자외선 – 가시광선 근적외선 투과 분광기
개방 회로 전압
X선 회절
나노물질
간단한 태양 전지를 구성하는 방법은 무엇입니까? (단계별) | 태양광 전지의 기본 작동 원리 태양 전지 또는 광전지 소개 태양 전지 (또는 태양광 전지 ) 화학 작용 또는 햇빛에 노출되었을 때 빛을 전류로 변환하여 전류를 생성하는 장치입니다. 이 기사에서는 태양 전지에만 주목합니다. 또한 읽어보기 태양 전지 및 광전지 패널의 유형태양 전지 표면이 햇빛에 노출될 때 전류를 생성하는 광전지라고도 합니다. 이 기사의 과정에서 우리는 햇빛을 전자기 복사(EM-radiation)로 언급할 것입니다. 태양 전지에서 전지에서 생성되는
모듈의 셀 수 결정, 모듈 매개변수 측정 및 태양광 모듈 및 어레이의 단락 전류, 개방 회로 전압 및 V-I 특성 계산 태양광 모듈이란 무엇입니까? 일일 부하에 필요한 전력 범위는 몇 와트 또는 때로는 킬로와트입니다. 단일 태양 전지는 이러한 부하 수요를 충족시키기에 충분한 전력을 생산할 수 없으며 셀 면적에 따라 0.1~3와트 범위의 전력을 생산하기 어렵습니다. 그리드 연결 및 산업용 발전소의 경우 메가와트 또는 기가와트 범위의 전력이 필요합니다. 따라서 단일 PV 전지는 이러한 높은 수요를 감당할 수 없습니다. 따라서 이러
