In-situ vorming van CdS en Sb₂S₃ nanokristallen in P3HT:PC₆₁BM versterkt fotostroom in omgekeerde hybride zonnecellen

Samenvatting

Het incorporeren van nano-heterostructuren in de actieve laag van bulk-heterojunction zonnecellen kan de apparaatprestaties aanzienlijk verbeteren. Hier rapporteren we de in-situ generatie van CdS of Sb₂S₃ nanokristallen binnen een P3HT:PC₆₁BM mengsel door cadmium- of antimoon-xanthaat-voorlopers toe te voegen aan de polymere oplossing. Bij thermische aanlaging decomponeren de voorlopers om uniform gedispergeerde nanokristallen te vormen, wat een intiem polymer-nanokristal-interface creëert dat optische absorptie, gatmobiliteit en oppervlakteruwigheid verbetert. Apparaten geproduceerd met 3 wt% CdS of Sb₂S₃ vertonen vermogensomzettings-efficiënties (PCEs) van 2,91% en 2,92% respectievelijk—aanzienlijk hoger dan conventionele P3HT:PC₆₁BM cellen. UV-Vis, SCLC en AFM studies bevestigen de verbeterde ladingstransport en morfologische voordelen verliehen door de nanokristallen, wat de effectiviteit van in-situ synthese voor hoge-efficiënte hybride zonnecellen benadrukt.

Achtergrond

Organische fotovoltaïsche (OPV) technologieën bieden lichte, lage-kost en flexibele oplossingen, terwijl anorganische halfgeleiders hoge ladingmobiliteit en chemische stabiliteit bieden. Hybride zonnecellen (HSCs) die deze twee materialenklassen combineren, hebben als doel het beste van beide werelden te benutten. Traditionele benaderingen mengen vooraf gesynthetiseerde, ligand-gecapte anorganische nanokristallen met de polymermatrix, maar lang-keten liganden creëren isolerende barrières en het gebruik van co-oplostoffen kan de polymere ketenordeling verstoren, wat ladingstransport en efficiëntie beperkt. In tegenstelling, in-situ synthese van anorganische nanoparticles direct in de polymere film elimineert surfactantia en co-oplostoffen, bevordering intieme menging en efficiënte foto-geïnduceerde ladingstransport.

Eerdere studies hebben getoond dat metaal-sulfide nanokristallen zoals CdS en Sb₂S₃ kunnen dienen als elektronencascades of dopanten, wat ladingsextractie en lichtabsorptie in P3HT:PC₆₁BM mengsels verbetert. Echter, het bereiken van optimale nanokristallading zonder de polymermorfologie te compromitteren blijft een uitdaging.

Methoden / Experimenteel

Apparaatfabricatie

Omgekeerde HSCs werden gemonteerd op gepatroneerd ITO/glas (10–15 Ω □⁻¹). Een 10 nm CdS-interface-laag werd gespind-coated vanuit een 100 mg mL⁻¹ chlorbenzeen-oplossing van cadmium-xanthaat en geanneald bij 160 °C gedurende 15 min onder N₂. De actieve laag werd bereid door 1:1 P3HT:PC₆₁BM (17 mg mL⁻¹) te mengen met 3 wt% (of 0, 5, 7 wt%) van de passende xanthaat-voorloper. De film werd gespind-coated bij 600 toer/min, daarna geanneald bij 160 °C gedurende 30 min om de voorloper te decomponeren in CdS of Sb₂S₃ nanokristallen. Een 8-nm MoO₃ gat-transportlaag en een 100-nm Ag-anode werden thermisch verdampt door een schaduwmasker om een 0,10 cm² actief gebied te definiëren.

Karakterisatie

XRD (Cu Kα, 40 kV) beoordeelde kristallijnheid, terwijl TGA (10 °C min⁻¹, N₂) voorloperdecompositie bevestigde. UV-Vis-absorptie werd opgenomen met een U-3900H spectrophotometer. Fotovoltaïsche prestaties (J–V onder 1 zon, AM 1.5G) werden gemeten met een Keithley 2410 bronmeter in N₂. EQE/IPCE-spectra werden verkregen met een gekalibreerde silicium-detector. Gatmobiliteiten werden geëxtraheerd uit SCLC-metingen op gat-enkel-apparaten (ITO/PEDOT:PSS/actieve laag/MoO₃/Ag). AFM (tapping mode) leverde oppervlaktemorfologie en ruwheidsdata.

Resultaten en discussie

Thermische stabiliteit van voorlopers

TGA onthulde dat cadmium-xanthaat decomposeert tussen 50–150 °C, met ~25% rest overkomend overeenkomend met CdS (28%), terwijl antimoon-xanthaat decomposeert tussen 120–160 °C, met ~35% rest overkomend consistent met Sb₂S₃ (35%). Deze profielen giden de aanlagingscondities om complete voorloperconversie te garanderen.

TGA-plots van cadmium- en antimoon-xanthaten

Nanokristalvorming en morfologie

Na aanlaging vertoonde de actieve laag gele of oranje kleurering indicatief voor CdS of Sb₂S₃-vorming. XRD-patronen bevestigten hexagonale/kubieke CdS en orthorombische Sb₂S₃-fasen, in lijn met de TGA-data. AFM toonde verhoogde oppervlakteruwheid van 2,82 nm (pristine) naar 8,89 nm (3 wt% CdS) en 7,13 nm (3 wt% Sb₂S₃), wat nanokristal-geïnduceerde morfologische veranderingen suggereert die interpenetratie en exciton-dissociatie verbeteren.

XRD-patronen van CdS- en Sb₂S₃-films

Fotovoltaïsche prestaties

J–V-curven (Fig. 3b-c) tonen aan dat toevoeging van 3 wt% CdS of Sb₂S₃ de kortsluitstroom (Jsc) verhoogt van 7,77 mA cm⁻² naar 8,72 mA cm⁻² (CdS) of 9,15 mA cm⁻² (Sb₂S₃). De serieweerstand daalt van 22,15 Ω cm² naar 16,70 Ω cm² (CdS) of 17,50 Ω cm² (Sb₂S₃), wat de vulfactor verbetert van 0,52 naar 0,56 of 0,54. De resulterende PCEs pieken bij 2,91% (CdS) en 2,92% (Sb₂S₃), wat de controle (2,34%) overtreft en eerdere gerapporteerde CdS-gedopte P3HT:PC₆₁BM cellen overstijgt.

Fig. 3. a Apparaatschema. b J–V-curven voor CdS-lading. c J–V-curven voor Sb₂S₃-lading. d Energiebanddiagram.

Spectrale respons en absorptie

IPCE-spectra (Fig. 4a) tonen hogere kwantumefficiënties over 300–650 nm voor de nanokristal-gedopte apparaten. Bij 540 nm bereiken de IPCE-pieken 60% (CdS) en 65% (Sb₂S₃) versus 55% voor het pristine mengsel. UV-Vis-absorptie (Fig. 4b) toont bescheiden verbetering voor CdS en duidelijke toename voor Sb₂S₃, correlerend met de verbeterde Jsc.

Fig. 4. a IPCE-curven. b UV-Vis-absorptiespectra.

Ladingstransport

SCLC-metingen (Fig. 5) onthullen dat de gatmobiliteit toeneemt van 4,09 × 10⁻⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹ (pristine) naar 1,53 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (CdS) en 1,69 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (Sb₂S₃). De verbeterde gat-transport balanceert de inherent hogere elektronenmobiliteit van P3HT:PC₆₁BM, wat recombinatie vermindert en Jsc en FF verhoogt.

Fig. 5. J½–V-curven voor gat-enkel-apparaten.

Oppervlaktemorfologie

AFM-beelden (Fig. 6) bevestigen dat de 3 wt% nanokristallagen hogere ruwheid vertonen, wat betere contact met de MoO₃ gat-transportlaag vergemakkelijkt en ladingsextractie verbetert. De verhoogde interface-oppervlakte bijdraagt aan de waargenomen winsten in Jsc en FF.

Fig. 6. AFM-hoogtebeelden: a pristine, b 3 wt% CdS, c 3 wt% Sb₂S₃.

Conclusies

Door in-situ CdS of Sb₂S₃ nanokristallen te synthetiseren in een P3HT:PC₆₁BM matrix, bereikten we 3 wt% doping die optische absorptie, gatmobiliteit en oppervlakteruwigheid aanzienlijk verbetert—kernfactoren die de hoogst gerapporteerde PCEs van 2,91% (CdS) en 2,92% (Sb₂S₃) voor omgekeerde HSCs drijven. Deze ligand-vrije, oplosmiddel-vrije benadering biedt een schaalbaar pad naar hoge-efficiënte hybride fotovoltaïsche toepassingen.