Efficiënte TiO2-oppervlaktebehandeling met behulp van Cs2CO3 voor oplossing-verwerkte planaire Sb2S3-zonnecellen

Resultaten en discussie

Afbeelding 1a toont een schematische weergave van de apparaatstructuur. De onderste laag is samengesteld uit c-TiO₂ lagen op een glas/FTO-substraat die werken als elektronentransporterend. Licht wordt geabsorbeerd door de Sb₂ S₃ laag, terwijl gaten worden getransporteerd door de P3HT HTL en verzameld bij de Au-tegenelektrode.

een Schema van de apparaatstructuur van het vlakke type Sb₂ S₃ zonnepanelen. b Sb₂ S₃ dunne-film fabricageproces met behulp van FCA-methode

De Sb₂ S₃ absorberende laag werd via de FCA afgezet met behulp van de Sb-complexprecursor om zeer grote korrelgroottes te realiseren. De voorloper werd thermisch ontleed tot de amorfe toestand bij 200 ° C gedurende 1 minuut en kristallijne toestand bij 350 ° C gedurende 2 minuten (figuur 1b). De SEM-afbeelding in Fig. 2 geeft een zeer grote korrelgrootte aan, die bijna hetzelfde is als de Sb₂ S₃ dunne film morfologie gerapporteerd door Wang et al. [22].

een Bovenaanzicht en b transversale SEM-afbeeldingen van Sb₂ S₃ absorberende laag na gloeien bij 350 °C gedurende 2 min

De efficiëntie van het planaire type Sb₂ S₃ zonnecel is verbeterd via oppervlaktebehandeling met Cs₂ CO₃ van de c-TiO₂ laag.

De apparaateigenschappen op basis van de concentratie van Cs₂ CO₃ oplossing werden uitgevoerd om de optimale Cs₂ . te bepalen CO₃ concentratie. Afbeelding 3a en Tabel 1 tonen de J –V kenmerken voor de apparaten die verschillende concentraties Cs₂ . gebruiken CO₃ oplossing onder AM 1.5G-verlichting (100 mW/cm ² ). Wanneer de concentratie te laag is (1 mg/ml), is er een probleem met de volledige dekking van de c-TiO₂ oppervlak met Cs₂ CO₃ . Als het echter te hoog is (5 en 10  mg/mL), werkt het als een diëlektrisch materiaal, wat resulteert in een toename van de serieweerstand en een afname van de efficiëntie van het apparaat. De optimale concentratie van Cs₂ CO₃ bleek 3 mg/ml te zijn. (Hierna, “met Cs₂ CO₃ behandeling” betekent behandeling met een concentratie van 3 mg/ml Cs₂ CO₃ tenzij anders vermeld.)

een Stroomdichtheid–spanning (J –V ) kenmerken en b EQE-spectra van vlak-type Sb₂ S₃ zonnecellen met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling van c-TiO₂

Als resultaat had het apparaat een PCE van 2,83%, V _OC van 0,549 V, J _SC van 10,71 mA/cm ² , en FF van 48,14% vóór de behandeling. Na de behandeling met een oplossing van 3 mg/ml namen al deze parameters echter significant toe, d.w.z. tot een V _OC van 0,596 V, J _SC van 11,71 mA/cm ² , en FF van 56,89%, wat leidt tot een PCE van 3,97%. Deze behandeling resulteerde in een verbetering van ~ 40% in de PCE. De hogere EQE over het volledige spectrumbereik, zoals weergegeven in figuur 3b, geeft aan dat het licht efficiënter wordt omgezet in stroom, wat leidt tot een toename van J _SC door deze Cs₂ CO₃ behandeling. Uit de EQE-spectra kunnen we ook zien dat het begin van EQE bij 750 nm goed overeenkomt met een band gap van 1,65 eV voor Sb₂ S₃ laag en een afname in EQE van 500 naar 650 nm wordt toegeschreven aan de absorptie van P3HT HTL-laag.

We hebben de XRD-patronen van de c-TiO₂ . gemeten op FTO glassubstraten met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling om te onderzoeken of Cs₂ CO₃ heeft effecten op de kristallisatie van de c-TiO₂ laag en/of de vorming van een nieuwe secundaire fase door diffuse Cs-gerelateerde soorten. Er was geen verandering in de XRD-piek na Cs₂ CO₃ behandeling zoals weergegeven in Fig. 4. Dit geeft aan dat de Cs₂ CO₃ behandeling heeft weinig effect op de kristalstructuur van c-TiO₂ en creëert ook geen nieuwe fase. Verder was er geen bewijs van een afgebroken Cs-gerelateerde fase (cesiumoxide, cesiumsuboxide of Cs-element) na thermische behandeling van Cs₂ CO₃ , wat betekent dat de dikte van de Cs₂ CO₃ is erg dun. Zoals weergegeven in figuur 5d, was de dikte van Cs-gerelateerde soorten ongeveer 2 ~ 3 nm, wat werd bepaald door XPS-diepteprofielanalyse voor het monster van FTO / c-TiO₂ /Cs₂ CO₃ (3 mg/ml). De gemeten dikte van Cs₂ CO₃ (2~3 nm) komt goed overeen met de AFM-analyse, die een verbeterde oppervlakteruwheid laat zien via Cs₂ CO₃ behandeling van 9,89 tot 8,03 nm (zie Fig. 6a).

XRD-patronen van de c-TiO₂ op FTO glassubstraten met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling

XPS-spectra van a survey scan en Cs 3d peak, b Ti 2p piek, c O 1 s piek voor c-TiO₂ oppervlak met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling, en d diepteprofiel voor Cs 3d piek voor FTO/c-TiO₂ /Cs₂ CO₃ monster om de dikte van Cs-gerelateerde laag te bepalen

een AFM-beelden (2 μm × 2 μm) van de oppervlaktemorfologie en b UV-Vis absorptie- en transmissiespectra van c-TiO₂ met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling

We bestudeerden de oppervlaktetoestand van de c-TiO₂ laag met behulp van XPS-metingen. De XPS-spectra in Fig. 5 laten zien dat zowel de onderzoeksscan als de Cs 3d-piekscan duidelijk het bestaan ​​van Cs op de c-TiO₂ aangeeft. oppervlakte. De pieken van Ti 2p en O 1 werden verschoven naar lagere bindingsenergieën als gevolg van de Cs₂ CO₃ behandeling, wat aangeeft dat de Cs₂ CO₃ behandeling beïnvloedde de elektronische structuur van de c-TiO₂ laag. Het verschijnen van een lichte schouder bij ~ 531 eV in het O 1s-spectrum kan worden toegeschreven aan het cesiumoxide dat wordt gegenereerd door Cs₂ CO₃ ontleding via gloeien bij 150 °C, wat een lage werkfunctie heeft [26].

De AFM-afbeeldingen in Fig. 6a onthullen een verschil in de oppervlaktemorfologie van de c-TiO₂ laag voor en na Cs₂ CO₃ behandeling. Het oppervlak werd gladder en de wortelgemiddelde ruwheid (Rg) nam na behandeling af van 9,89 naar 8,03 nm. Dit gladde oppervlak was nuttig voor het vergroten van het fysieke contact tussen de c-TiO₂ (/Cs₂ CO₃ ) laag en de Sb₂ S₃ laag, wat leidt tot een afname van de R _S waarde vanaf 11,14 Ω cm ² (zonder Cs₂ CO₃ ) tot 8,82 Ω cm ² (met Cs₂ CO₃ ) (zie Tabel 1). De verminderde R _S heeft mogelijk bijgedragen aan het verhogen van de FF van 48,14 naar 56,89% [5].

De UV-Vis-transmissiespectra van de c-TiO₂ films met en zonder Cs₂ CO₃ worden getoond in Fig. 6b. De figuur laat zien dat er weinig verandering is in de optische transmissie tussen golflengten van 300 en 800 nm, wat bevestigt dat Cs₂ CO₃ behandeling heeft een verwaarloosbaar effect op de intensiteit van het licht dat de Sb₂ . bereikt S₃ laag.

UPS werd gebruikt om de verandering in de werkfunctie van de c-TiO₂ . te bepalen laag voor en na Cs₂ CO₃ behandeling om het effect van Cs₂ . te onderzoeken CO₃ op V _OC . De resultaten worden getoond in Fig. 7a. De werkfunctie van c-TiO₂ neemt af met 0,3 eV na Cs₂ CO₃ behandeling. Cs₂ CO₃ wordt veel gebruikt als een efficiënt elektronentransportmateriaal in veel opto-elektronische apparaten door middel van thermische verdamping of een oplossingsproces. De nauwkeurige analyse van het elektronentransportmechanisme en het type ontbonden Cs-gerelateerde soorten die verantwoordelijk zijn voor de eigenschappen van elektronentransport zijn echter nog steeds onzeker en controversieel. Onder eerdere rapporten over oplossing-verwerkte Cs₂ CO₃ , Liao et al. toonde aan dat Cs₂ CO₃ kan worden ontleed in een lage werkfunctie, gedoteerde halfgeleider in de vorm van Cs₂ O gedoteerd met Cs₂ O₂ na thermisch gloeien bij 150 °C met behulp van XPS-analyse [26]. Deze vorm van gedoteerd cesiumoxide kan werken als een n-type halfgeleider met een intrinsiek lage werkfunctie, wat zou kunnen bijdragen aan de vermindering van de werkfunctie van c-TiO₂ in ons systeem. Bovendien was er geen verandering in het begin van de absorptie zoals weergegeven in Fig. 6b, wat wijst op een kleine verandering in de optische bandgap van de c-TiO₂ na de behandeling.

een UPS-spectra van c-TiO₂ , b energieniveaudiagram, en c voorgesteld werkingsprincipe van planair type Sb₂ S₃ zonnecellen met en zonder Cs₂ CO₃ behandeling

Het energiebanddiagram in Fig. 7b laat zien dat het energieniveau van de geleidingsband van c-TiO₂ verschoven naar een lagere energie met 0,3 eV. Deze verschuiving leidt niet alleen tot een verbeterde V _OC door een toename van het ingebouwde potentieel (V _BI ) in de apparaten, maar ook een verhoogde J _SC vanwege de afstemming van het energieniveau tussen c-TiO₂ en Sb₂ S₃ om de ladingstransportbarrière op de interface te verminderen. Het voorgestelde werkingsprincipe wordt geïllustreerd in figuur 7c. Bij open circuit is de verschoven geleidingsband van de c-TiO₂ laag door Cs₂ CO₃ behandeling leidt tot een verhoogde V_BI , wat bijdraagt ​​aan de verbeterde V _OC . Tegelijkertijd is de verhoogde V_BI resulteert in de grotere buiging van de energieband van de Sb₂ S₃ laag onder kortsluiting, en dus kunnen de fotogegenereerde elektronen snel naar de c-TiO₂ laag. Dit snelle elektronentransport wordt toegeschreven aan de oorzaak van de verbeterde J _SC en FF. Dus de Cs₂ CO₃ behandeling op c-TiO₂ laag kan zowel V . verhogen _OC en J _SC tegelijkertijd, wat leidt tot de verbeterde PCE. Vandaar, Cs₂ CO₃ is een veelbelovend materiaal voor c-TiO₂ oppervlaktemodificatie omdat het de prestaties van het apparaat verbetert door de werkfunctie te veranderen en de elektronentransporteigenschappen te verbeteren.