Efficiëntieverbetering van solid-state CuInS2 Quantum Dot-Sensitized zonnecellen door verbetering van de ladingsrecombinatie

Resultaten en discussie

Een schematische weergave van de architectuur van het apparaat wordt getoond in Fig. 1, waarin het dwarsdoorsnede-SEM-beeld is opgenomen met valse kleuren om de verschillende lagen die in het apparaat zijn voorbereid, te onderscheiden. De uniforme verdeling van deeltjes en superieur contact tussen interfaces kan de elektrische geleidbaarheid van dunne films verbeteren, wat de overdracht van ladingsdragers zou verbeteren [27,28,29]. De elementaire mapping van CIS-gesensibiliseerde TiO₂ mesoporeuze filmelektrode wordt ook uitgevoerd door middel van energiedispersieve röntgenanalyse (EDX), wat duidelijk bewijs levert om de uniforme verdeling van CIS door de film te bewijzen.

een Schema van de apparaatarchitectuur. b Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van de zonnecel (overeenkomend met het monster bereid met 20 cycli en uitgegloeid bij 400 ° C). c De elementaire distributiekaarten van Cu-, In- en S-elementen in TiO₂ /CIS-laag

De procedure voor het vervaardigen van CIS QD-gesensibiliseerde TiO₂ foto-elektroden in ons werk is schematisch geïllustreerd in Fig. 2. Het is de moeite waard erop te wijzen dat de spincoating-geassisteerde SILAR-methode die in dit werk wordt gebruikt, de hoeveelheid QD-afzettingen nauwkeurig kan regelen. Het aantal CIS QD's dat is opgenomen in de mesoporeuze TiO₂ laag werd geëvalueerd met behulp van de UV-vis absorptiespectra. Figuur 3a toont de variatie van spectra met verschillende spincoating-ondersteunde SILAR-cycli. Na vier uitgevoerde cycli wordt slechts een veel kleinere hoeveelheid CIS QD's gedeponeerd in TiO₂ film, zoals aangegeven door de lagere absorptie van TiO₂ /CIS foto-elektrode. Een toename van het aantal cycli resulteert in een toename van de absorptie en een lichte roodverschuiving van het begin van de absorptie, overeenkomend met de kleurverandering van foto-elektroden van donkergeel naar zwart, zoals weergegeven in de inzet van figuur 3a. Vervolgens hebben we de fotovoltaïsche apparaten gefabriceerd en gekarakteriseerd met TiO₂ /CIS-foto-elektroden.

Schema van het proces voor het vervaardigen van CIS QD-gesensibiliseerde TiO₂ foto-elektroden

een UV-vis absorptiespectra van CIS QD-gesensibiliseerde TiO₂ film bereid door spincoating-geassisteerde SILAR met verschillende cycli. De inzet is de foto's van de bijbehorende foto-elektrodefilms. b J-V-curven van QDSSC's bereid in verschillende cycli

Figuur 3b toont de J-V-curven van CIS QDSSC's. Met het verhogen van het aantal door spincoating ondersteunde SILAR-cycli, worden zowel J_SC en PCE nemen geleidelijk toe van 2,49 mA cm ⁻² en 0,14% voor 4 cycli tot 4,21 mAcm ⁻² en 0,75% voor cycli van 20 , en vervolgens verlagen tot 4,05 mA cm ⁻² en 0,72% voor respectievelijk 24 cycli, zoals duidelijk blijkt uit tabel 1. Dit resultaat toont aan dat het cyclusproces in de beginfase tot doel heeft de dekking van CIS QD's te vergroten door de onbedekte gebieden in TiO₂ opnieuw te vullen. mesoporeuze laag. Het lijdt geen twijfel dat een verhoging van de QD-laadhoeveelheid en een vorming van QD's monolaag op het oppervlak van TiO₂ fotoanode zijn voordelig om veel meer geëxciteerde elektronen te genereren onder lichte verlichting, wat de fotostroom van zonnecellen zou verhogen [30]. Bovendien een hogere oppervlaktedekking voor TiO₂ wordt bereikt met de toename van de laadhoeveelheid van CIS QD's. De afname van direct aan het HTM blootgestelde oppervlakten is gunstig voor de onderdrukking van het ladingsrecombinatieproces dat optreedt bij TiO₂ /HTM-interface, wat leidt tot een dramatische toename van V_OC en een verbetering van FF, vooral in de vroege cycli. De dikte van de CIS-laag zou echter continu kunnen toenemen na elke spincoating-geassisteerde SILAR-cyclus vanwege de extra QD-ladingen. Vanwege de verhoogde kans op generatie van ladingsrecombinatie in de CIS-laag, is het proces van het transporteren van fotogegenereerde elektronen van de QD-lagen naar de TiO₂ matrix zal moeilijker worden, zoals weergegeven in de schematische tekening van Fig. 4. De elektronen in de QD-geleidingsband (CB) kunnen worden gevangen door de toestanden van oppervlaktedefecten [31, 32], die dienen als de recombinatiecentra, wat uiteindelijk leidt tot een verslechtering van het apparaat. Ondertussen zou het ongewenste recombinatiepad van de elektronen in QD CB en de gaten in QD VB de elektroneninjectie van CIS in TiO₂ kunnen belemmeren. ook. Daarom geeft het, na de evaluatie en verificatie van deze effecten, duidelijk aan dat het ideale aantal cycli (20) moet worden uitgevoerd voor de depositie CIS QD's in dit werk.

Schematisch diagram van de belangrijkste paden van elektronenoverdracht en ladingsrecombinatie die bestaan ​​in QDSSC's

Daarna wordt de invloed van gloeibehandeling op de prestaties van fotovoltaïsche apparaten geëvalueerd. Figuur 5 geeft de evolutie weer van de absorptie van CIS QD-gesensibiliseerde TiO₂ films met verschillende gloeitemperaturen. Gebleken is dat de absorptie geleidelijk wordt verbeterd bij verhoging van de gloeitemperatuur. De absorptie bereikt een verzadigingswaarde bij een temperatuur van 400 °C. Tegelijkertijd zou overmatige gloeibehandeling de CIS QD-sensibilisator verslechteren vanwege het optreden van aggregatie en oxidatie [33]. Het resulteert in een afname van de absorptie wanneer de gloeitemperatuur verder wordt verhoogd tot 500 °C. Daarom wordt geconcludeerd dat een buitensporige verhoging van de gloeitemperatuur (>-400 °C) nadelig is voor de prestaties van celapparaten.

UV-vis absorptiespectra van TiO₂ /CIS-foto-elektroden met gloeibehandeling bij verschillende temperaturen

De J-V-curven van QDSSC's die werden gemeten onder gesimuleerde AM1.5-zonlichtverlichting worden getoond in Fig. 6a, waarbij de fotostroom-fotospanningskenmerken van celapparaten met verschillende uitgloeitemperaturen worden vergeleken. De gedetailleerde parameters staan ​​vermeld in Tabel 2. Het apparaat op basis van de foto-elektrode gegloeid bij 200 °C vertoont een veel lagere J_SC van 5,63 mA cm ⁻² . Een relatief hogere J_SC van 7,76 mA cm ⁻² werd verkregen door het uitgloeien van de TiO₂ /CIS-foto-elektrode bij 300 °C. Bij 400 °C vertoont het apparaat de hoogste PCE van 3,13%, samen met V_OC van 0,68 V, J_SC van 11,33 mA cm ⁻² , en FF van 0,41. De verbeterde J_SC resultaten van de gunstige verbetering van de lichtopbrengst over het UV-vis spectrum voor de foto-elektroden met een uitgloeibehandeling bij een hogere temperatuur. Niettemin, met het verhogen van de temperatuur tot 500 °C, is het niet langer in staat om de prestaties van zonnecellen te verbeteren, wat helaas een significante daling in J_SC veroorzaakt. en PCE. Dus de film gloeide op 400  ^° C vertoont de beste fotovoltaïsche prestaties in vergelijking met de andere drie monsters. Om de lichtabsorptie en de kenmerken van elektronengeneratie te beoordelen, worden IPCE-spectra getoond in Fig. 6b. Het vertoont een sterke fotorespons met een waarde van 66% in het zichtbare golflengtebereik tussen 400 en 550 nm voor QDSSC's met een gloeitemperatuur van 400  ^° C, met een verbetering van bijna 20% vergeleken met die van 200  ^° C. De hogere IPCE-respons schreef over het algemeen het uitstekende absorptievermogen van QD's in het spectrale gebied toe. Volgens het spectraal kan worden gevonden dat een breder bereik van de responsgolflengte en een hogere IPCE-waarde verschenen, wat in overeenstemming is met de variatietendens van J_SC zoals waargenomen bij J-V-meting. Het resultaat kan worden ondersteund door de interpretatie dat de juiste gloeibehandeling potentieel gunstiger is voor de vorming van een gedwongen interfaceverbinding tussen CIS en TiO₂ , wat leidt tot de effectieve elektronenoverdracht in QDSSC's [34].

een J-V-curven en b IPCE-spectra van de mobiele apparaten op basis van TiO₂ /CIS-foto-elektroden met gloeibehandeling bij verschillende temperaturen

Om het overdrachts- en recombinatieproces van ladingsdragers te analyseren, worden de apparaten verder onderzocht door EIS. Afbeelding 7a geeft de Nyquist-plot weer van de verkregen EIS-resultaten bij een bias van − 0,4 V, en de aangepaste waarden die zijn geëvalueerd op basis van het equivalente circuit staan ​​vermeld in Tabel 3, waar de levensduur van het elektron kan worden geschat met τ _n = R _r × C _μ [35,36,37]. Bij de HTM/tegenelektrode-interface is de ladingsoverdrachtsweerstand R_ct die gerelateerd is aan de hoogfrequente halve cirkels, vertoont geen duidelijke verschillen, terwijl dezelfde HTM en tegenelektrode werden gebruikt in de huidige QDSSC's. De gesimuleerde datum van recombinatieweerstand R _r die gerelateerd is aan de laagfrequente halve cirkels, vertegenwoordigt het elektronenoverdrachtsproces op de foto-elektrode / HTM-interface. Deze datum voor QDSSC's met TiO₂ /CIS-foto-elektrode gegloeid bij 400 ° C is groter in vergelijking met de andere, wat wordt toegeschreven aan de onderdrukte grensvlakrecombinatie, wat resulteert in een verbeterde V_OC . Bovendien zouden de langlevende ladingsdragers de verbetering van de efficiëntie van het verzamelen van ladingen kunnen bevorderen, en zo bijdragen aan de aanzienlijke vooruitgang in IPCE en J_SC [6]. Volgens tabel 3 is in het onderhavige geval de TiO₂ /CIS-foto-elektrode gegloeid bij 400 °C blijft de hoogste waarde van τ _n , ∼ 117 ms, waardoor de hoogste waarde van J_SC . wordt verkregen zoals waargenomen in de J-V-meting. Niettemin, τ _n daalt tot -78 ms wanneer de hogere temperatuur van 500 °C werd toegepast. De V_app -afhankelijke C _μ en R _r geëxtraheerd uit EIS-metingen worden respectievelijk geïllustreerd in Fig. 7b en c. C _μ neemt exponentieel toe met de V_app , zoals verwacht van de theoretische basis. De vergelijkbare C _μ waarden van alle cellen illustreren dat verschillende uitgloeitemperaturen geen verschuiving veroorzaken op de positie van TiO₂ CB [38, 39]. Bovendien, met het verhogen van de temperatuur van 200 tot 400 °C, zal de R _r waarde wordt geleidelijk verbeterd. Aangezien de recombinatiesnelheid die optreedt bij de foto-elektrode/HTM-interface omgekeerd evenredig is met R _r [39], de grotere waarde van R _r betekent de verminderde recombinatiesnelheid die optreedt in de zonnecel op basis van TiO₂ /CIS-foto-elektrode gegloeid bij 400 °C. Over het algemeen kan uit deze EIS-resultaten worden geconcludeerd dat de celapparaten een grote recombinatiesnelheid vertonen in plaats van een verschuiving van TiO₂ CB. Het ondersteunt ook de lagere recombinatiesnelheid en langere elektronenlevensduur voor de zonnecel op basis van TiO₂ /CIS-foto-elektrode uitgegloeid bij 400 ° C, wat bevorderlijk is voor de verbeterde V_OC , J_SC , en FF-waarden voor cellen die een uitgloeibehandeling ondergaan op foto-elektroden zoals waargenomen in de J-V-curven.

een EIS-spectra van de celapparaten gemeten in het donker bij een bias van − 0.4 V. De inzet in a illustreert het equivalente circuit dat is gesimuleerd om in de impedantiespectra te passen. R_S vertegenwoordigt de substraatweerstand. R_ct en CPE vertegenwoordigen respectievelijk de ladingsoverdrachtsweerstand en capaciteit op de HTM/tegenelektrode-interface. R _r en C _μ vertegenwoordigen respectievelijk de recombinatieweerstand en chemische capaciteit op de foto-elektrode/HTM-interface. b C _μ en c R _r bij verschillende toegepaste spanningen (V_app ), berekend op basis van de aanpassing van de impedantiespectra

Om het effect van de gloeitemperatuur op de ladingsoverdracht verder te verduidelijken, worden de in de tijd opgeloste transiënte fotoluminescentie (TRPL) spectra van de monsters weergegeven in Fig. 8. Het is te zien dat de PL-levensduur van de fotoanode aanzienlijk afneemt met de toename van de gloeitemperatuur, wat aangeeft dat er meer elektronen zouden kunnen worden overgedragen van CIS naar TiO₂ efficiënt, waardoor de kans op interne fotogegenereerde dragerrecombinatie binnen QD's tot op zekere hoogte wordt verminderd. Volgens de berekening van de snelheid van elektronenoverdracht (k_et ) [40, 41], kan worden waargenomen dat de zonnecel op basis van TiO₂ /CIS-foto-elektrode gegloeid bij 400 °C heeft de hogere k_et waarde van 1,17 × 10 ⁷ s ⁻¹ , waardoor uitstekende ladingsoverdrachtsprestaties van QDSSC's worden geboden. Bijgevolg levert het verder bewijs om te ondersteunen dat de juiste gloeibehandeling potentieel gunstiger is voor het verkrijgen van een effectieve verbinding bij TiO₂ /QDs-interfaces [33], wat uiterst gunstig is voor het transport van ladingdragers in QDSSC's, wat leidt tot een hogere efficiëntie.

TRPL-spectra van CIS QD-gesensibiliseerde TiO₂ films. De inzet geeft de PL-levensduur en de snelheid van elektronenoverdracht weer