Tối ưu hóa quang điện perovskite hiệu quả
bởi Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd
(a) Mức năng lượng của vùng hóa trị đối với perovskite (PVSK), HTL1-4 và Cu. (b) Chênh lệch mức năng lượng của dải hóa trị đối với các HTL khác nhau giữa PVSK / HTL và HTL / Cu. (c – f) Biểu đồ chênh lệch mức năng lượng giữa PVSK / HTL / Cu và các hành vi vận chuyển lỗ tương ứng. Ảnh: Tiến bộ Vật liệu Năng lượng (2022). DOI: 10.34133 / 2022/9781073
Việc phát triển các điện cực kim loại ổn định và chi phí thấp là rất quan trọng để sản xuất hàng loạt pin mặt trời perovskite (PSC). Là một nguyên tố có nhiều trong đất, Cu trở thành một ứng cử viên thay thế để thay thế các điện cực kim loại quý như Au và Ag, do các đặc tính hóa lý tương đương của nó, đồng thời có độ ổn định tốt và chi phí thấp. Tuy nhiên, sự liên kết dải không mong muốn liên quan đến kiến trúc thiết bị cản trở việc khám phá các PSC n-i-p dựa trên Cu hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã nghiên cứu sự khác biệt mức năng lượng ở các giao diện khác nhau và đưa ra một lộ trình tiềm năng để đạt được các PSC n-i-p hiệu quả hơn với điện cực Cu.
Họ đã xuất bản công việc của mình vào ngày 8 tháng 7 trên tạp chí Energy Material Advances.
Tác giả bài báo Huanping Zhou, giáo sư Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Bắc Kinh (PKU) cho biết: “Việc phát triển các PSC hiệu suất cao và hiệu quả về mặt chi phí là cấp thiết. "Hiện nay, điện cực Cu đã thu hút được nhiều sự chú ý do giá thành rẻ và độ ổn định tốt, nhưng nó bị hạn chế về hiệu suất đối với các PSC cấu trúc n-i-p."
Zhou giải thích rằng điện cực Cu có một số lợi thế đáng kể để thay thế cho Au hoặc Ag, đặc biệt là điện cực sau, chịu trách nhiệm vận chuyển hạt tải điện trong thiết bị.
Zhou nói: “Cu là nguyên tố có nhiều trong đất, và nó có giá thấp hơn 1/10 so với Ag và 1/500 so với Au”. "Cu là ứng cử viên đầy hứa hẹn để làm điện cực PSC vì các đặc tính vật lý có thể so sánh được (tức là độ dẫn điện) với Au và Ag, và độ ổn định tốt."
Nhưng các PSC n-i-p gốc Cu không thể thể hiện hiệu suất quang điện cao. Theo Zhou, trở ngại chính là mức Fermi của lớp vận chuyển lỗ (HTL, chẳng hạn như Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) khá khác biệt với chức năng làm việc của Cu (–4,7 eV), dẫn đến rào cản Schottky lớn. tại giao diện HTL / Cu. Hiện tượng này không tồn tại trong các PSC p-i-n, vì mức Fermi của C60 (lớp vận chuyển electron) thường được sử dụng là khoảng –4,5 eV, tương tự với chức năng hoạt động của Cu. Đây là lý do tại sao PSC p-i-n dựa trên Cu có thể thể hiện hiệu suất quang điện tử cao trong khi PSC n-i-p dựa trên Cu thì không.
Để giải quyết vấn đề này, Zhou và nhóm của cô đã điều chỉnh một cách có hệ thống mức Fermi của HTL để phù hợp với chức năng làm việc của điện cực Cu, để có thể giảm sự chênh lệch năng lượng tại giao diện HTL / Cu để vận chuyển hạt tải điện tốt hơn. Tuy nhiên, sự chênh lệch năng lượng giữa perovskite (mức Fermi là –4,08 eV) và điện cực Cu là không đổi, vì vậy sự khác biệt năng lượng nhỏ hơn giữa HTL và Cu có nghĩa là sự chênh lệch năng lượng lớn hơn giữa perovskite và HTL, có hại cho việc khai thác hạt tải điện. Làm thế nào để cân bằng sự khác biệt năng lượng giữa các giao diện perovskite / HTL và HTL / Cu đang trở nên quan trọng đối với hiệu suất của PSC.
"Cũng giống như hiệu ứng xô, chúng tôi hy vọng cả giao diện perovskite / HTL và HTL / Cu không phải là những xô ngắn nhất trong quá trình vận hành thiết bị", Zhou nói. "Trong bài báo này, chúng tôi đã cẩn thận điều chỉnh mức Fermi của HTL để cân bằng sự chênh lệch năng lượng tại các giao diện perovskite / HTL và HTL / Cu, thông qua việc thêm lượng PTAA khác nhau vào Spiro-OMeTAD."
Zhou nói: “Chúng tôi kết luận rằng sự chênh lệch năng lượng cân bằng giữa các giao diện perovskite / HTL và HTL / Cu có thể cải thiện đáng kể đặc tính thu và vận chuyển điện tích trong các thiết bị PSC n-i-p.
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra hiệu suất quang điện tử của n-i-p PSC dựa trên điện cực Cu và các HTL khác nhau. Thông qua các thông số quang điện, Zhou cho biết, chênh lệch năng lượng nhỏ hơn giữa HTL và Cu có thể dẫn đến mật độ dòng ngắn mạch (Jsc) cao hơn, trong khi chênh lệch năng lượng nhỏ hơn giữa perovskite và HTL có thể dẫn đến điện áp mạch hở (Voc) cao hơn. Cuối cùng, sự chênh lệch năng lượng cân bằng giữa các giao diện perovskite / HTL và HTL / Cu có thể dẫn đến Jsc và Voc vừa phải, đặc biệt là hệ số lấp đầy cao hơn (FF), điều này cuối cùng đã góp phần cải thiện hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE).
Zhou cho biết: “PSC n-i-p hoạt động tốt nhất với điện cực Cu đạt được PCE là 20,10% với Voc là 1,084 V và FF là 78,77%. "Các thiết bị cũng thể hiện độ ổn định tốt, có thể duy trì ở mức 92% PCE ban đầu sau 1000 giờ lưu trữ. Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết về sự liên kết dải của lớp chức năng bán dẫn lân cận trong kiến trúc thiết bị để cải thiện hiệu suất kết quả, mà cũng cho thấy tiềm năng lớn của điện cực Cu để ứng dụng trong cộng đồng PSC. "
