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Jun 06, 2023

AgSCN como um novo material de transporte de furos para células solares de perovskita invertida

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7939 (2023) Citar este artigo

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Um novo HTM baseado em tiocianato de prata (AgSCN) foi projetado para ser usado em células solares de perovskita de pinos (PSCs). Com rendimento de massa, o AgSCN foi sintetizado em laboratório e elucidado por XRD, XPS, espectroscopia Raman, UPS e TGA. A produção de filmes AgSCN finos e altamente conformes que permitem a extração rápida do transportador e a coleta foram possibilitadas por uma abordagem de remoção rápida do solvente. Experimentos de fotoluminescência mostraram que a adição de AgSCN melhorou a capacidade de transferir cargas entre HTL e a camada de perovskita em comparação com PEDOT:PSS na interface. Discrepâncias cristalográficas no filme de perovskita policristalina são descobertas após um exame mais aprofundado da microestrutura e morfologia do filme, apontando para o desenvolvimento de perovskita modelada na superfície do AgSCN. Em comparação com dispositivos devido ao conhecido PEDOT:PSS, a tensão de circuito aberto (VOC) é aumentada pelo AgSCN com sua alta função de trabalho em 0,1–1,14 V (1,04 V para PEDOT:PSS). Com uma eficiência de conversão de energia (PCE) de 16,66%, PSCs de alto desempenho são efetivamente gerados usando perovskita CH3NH3PbI3 em comparação com 15,11% para dispositivos PEDOT:PSS controlados. O HTL inorgânico processado em solução foi demonstrado empregando diretamente para construir módulos PSCs de pinos flexíveis duráveis ​​e eficazes ou seu uso como uma célula frontal em células solares híbridas em tandem.

A pesquisa sobre células solares de perovskita (PSCs) percorreu um longo caminho na década anterior. PSC alcançou um alto grau de eficiência de conversão de energia (PCE), acima de 25,7%; no entanto, vários problemas, incluindo baixa estabilidade e alto custo, continuam impedindo sua implantação prática1,2,3,4. Um PSC padrão tradicional é composto por um substrato TCO condutor (ITO ou FTO), uma camada de transporte/extração de elétrons (ETL), uma camada absorvedora de perovskita, uma camada de transporte/extração de furos (HTL) e contato traseiro como eletrodo5,6 . Devido à sua capacidade bem-sucedida de transporte/extração de furos e ajuste de interface que impedem a transferência de elétrons da camada absorvedora (perovskita) para ânodos metálicos (materiais de transporte de furos (HTMs) ou HTLs) são importantes para PSCs eficazes7. HTMs avançados como PTAA, Spiro-MeOTAD e PEDOT: PSS estão disponíveis para comercialização hoje8,9,10. No entanto, cristalinidade limitada, pouca mobilidade, alto custo e potencial deterioração do ar devido à umidade são apenas alguns problemas com esses HTMs orgânicos11,12. Alternativas inorgânicas, termicamente e quimicamente compatíveis com baixas temperaturas de tratamento e muito estáveis ​​são extremamente raras13,14. A criação de alternativas HTM atualizadas, de baixo custo e convenientes de obter para PSCs altamente eficazes é, obviamente, imperativa. HTMs apropriados requerem alta mobilidade, o mais alto grau de energia orbital molecular ocupada (HOMO) e propriedades químicas/físicas estáveis14,15. Considerando sua alta mobilidade, estabilidade, facilidade de síntese e baixo custo, os semicondutores inorgânicos do tipo p são uma opção melhor do que os HTMs orgânicos13,14,16.

O condutor de orifício orgânico de PEDOT:PSS17 é substituído por material inorgânico tipo p HTM baseado em PSCs planares invertidos. Como o VOC de um PSC de heterojunção planar é significativamente estabelecido por meio das interfaces perovskitas/intercamadas transportadoras de carga, a possível perda de energia na interface entre PEDOT:PSS e CH3NH3PbI3 resulta em VOC18 reduzido. Por exemplo, quando comparado com PEDOT:PSS, CuSCN se distingue com níveis de energia de VB = − 5,3 eV e CB = − 1,8 eV, o que é consistente com CH3NH3PbI3 (VB = − 5,4 eV). Além disso, o CuSCN oferece melhor transparência em toda a faixa UV-Vis-NIR com um amplo intervalo de banda (Eg) de 3,6 eV, tornando mais fácil para os materiais fotoativos absorver mais luz em uma estrutura invertida para gerar maior fotocorrente19. Este estudo emprega AgSCN como um HTM inorgânico substituto para CuSCN20. Notavelmente, além de seu uso como fonte de dopagem de Cu e Ag em uma célula solar de dicalcogeneto de metal complementar (CdTe)21, CuSCN processado em solução e AgSCN não foram relatados como PSCs inorgânicos baseados em HTL. As vantagens do CuSCN residem no fato de que ele pode servir tanto como camada de transporte de furos quanto como fonte de dopagem de Cu, enquanto o AgSCN, com sua maior resistividade, pode servir apenas como fonte de dopagem de Ag com taxa de difusão mais lenta21. Na Tabela S1 (SI), resumimos os parâmetros fotovoltaicos de PSCs invertidos baseados em CuSCN como HTM inorgânico durante o período de 2015-2020, a fim de defender a eficiência em comparação com os novos resultados de AgSCN. Sabe-se que CuSCN consiste em Cu+, que é menos estável que Cu2+ e indesejável para estabilidade química. A estrutura depende da entalpia dos íons conforme eles se ligam a outras moléculas (energia de hidratação). O íon Cu2+ tem uma densidade de carga maior que o íon Cu+, criando ligações muito mais fortes que liberam energia extra22,23,24.