سلول خورشیدی موازی موازی MoTe2 / پروسکایت با عملکرد بالا بر اساس اکسید گرافن کاهش یافته به عنوان لایه انتقال سوراخ

پروسکایت های هیبریدی فلزات آلی و معدنی به دلیل خواص نیمه هادی استثنایی خود به طور مداوم علاقه تحقیقاتی فوق العاده ای را در جامعه فتوولتائیک برانگیخته اند.فرآیند ساخت آسان,طول انتشار طولانی1, طول عمر حامل طولانی2، جذب پانکروماتیک نور3و غیره تا به امروز، حداکثر راندمان تبدیل توان (PCE) به دست آمده در سلول های خورشیدی پروسکایت تک پیوندی (PSC) به 25.5 درصد رسیده است.1. برای افزایش بیشتر PCE محدود شده توسط حد شاکلی-کویسر (SQ)، استراتژی‌های متفاوتی دنبال شد، یعنی اثر ضرب حامل برای برداشت انرژی اضافی (hυ-Eg) فوتون‌ها با انرژی بزرگ‌تر از bandgap (Eg)4 و جاذب های چند پیوندی برای برداشت فوتون هایی با انرژی کمتر از Eg5. در حالی که به دست آوردن PCE از طریق پدیده های ضرب حامل هنوز غیر عملی و گریزان است، PSC های چندجانبه (پشت سر هم) با موفقیت به PCE به بزرگی 29.15 درصد دست یافته اند.6. با این حال، با الهام از دستاوردهای همتایان PSC های پشت سر هم، سلول های خورشیدی چند اتصالی مبتنی بر GaAs و GaInP که به حداکثر PCE 38.8 درصد رسیده اند.7، هنوز وجود داردعلاقه فزاینده به بهبود بیشتر عملکرد PSC چند اتصالی. این امر باعث شده است که جستجو برایمواد و معماری های جدید برای PSC های چند اتصالی. 

برای اطلاع از خواص ضد اکسیداسیون سیستانچ اینجا را کلیک کنید

دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه نیمه‌رسانا (TMDs)، از جمله MoS2، MoSe2، MoTe2، WS2، و WSe2، به دلیل ضریب جذب فوق‌العاده بالا، انعطاف‌پذیری مکانیکی، تحرک بالا همراه با باند نوری ایده‌آل10، به عنوان جاذب‌های بسیار چشمگیر برای سلول‌های خورشیدی در حال ظهور هستند. برنامه های کاربردی 8. نکته قابل توجه این است که یک لایه TMD نازکتر از 20 نانومتر قادر به جذب نور حتی ده برابر بزرگتر از نیمه هادی های باند باند مستقیم شناخته شده است. در حالی که TMD ها، به ویژه MoS2، به طور گسترده به عنوان لایه های انتقال حامل (HTL) در PSCs11،12 استفاده شده اند، هیچ گزارشی مبنی بر بهره مندی از ظرفیت جذب TMDs به منظور بهبود راندمان جذب نور در PSC ها وجود ندارد. اگرچه بیشتر TMD ها تقریباً همان اندازه فاصله باند پروسکایت ها را دارند، MoTe2 حجیم با فاصله باند حدود 1 eV می تواند یک ماده جاذب مکمل برای پروسکایت برای برداشت محدوده مادون قرمز نزدیک (NIR) نور خورشید باشد. قابلیت جذب NIR قوی MoTe2، همراه با عدم وجود پیوندهای آویزان در سطح آن، خاصیت TMD ها که از برهمکنش بین لایه ضعیف واندروالس (vdW) آنها سرچشمه می گیرد، MoTe2 aa را به عنوان یک نامزد مناسب برای ساختار ناهمگن با مواد پروسکایتی تشکیل می دهد. برای سلول های خورشیدی پشت سر هم 13،14. از نظر تجربی، روش‌های مقرون‌به‌صرفه لایه‌برداری شیمیایی و مکانیکی موجود، امکان تهیه فیلم نازک MoTe2 یکنواخت و همگن را فراهم می‌کند. بنابراین، کشف بهره برداری از مواد MoTe2 به عنوان یک لایه جاذب حمایتی، برای بهره مندی از جذب MoTe2 ارزشمندتر خواهد بود.

در اینجا، ما به صورت عددی یک نوع مسطح از PSCهای چند اتصالی موازی با یک ناحیه جذبی ساخته شده از یک MoTe2 نازک و CH3NH3PbI3 ارائه و پیشنهاد می‌کنیم. دستگاه اصلی از لایه‌های ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/ Spiro-OMeTAD/Ag تشکیل شده است، پیکربندی که به همین ترتیب با MoS ساخته شده است. هم ترازی باند بسیار مطلوب MoTe2 با لایه های دیگر، همراه با ظرفیت جذب NIR بالای آن، به طور قابل توجهی راه را برای دستیابی به راندمان فتوولتائیک بالاتر هموار می کند. با مقایسه با PSCهای تک اتصالی، دستگاه پیشنهادی افزایش PCE از 14.01 به 18.52 درصد را به همراه دارد. با انجام یک تجزیه و تحلیل عددی دقیق عملکرد دستگاه وابسته به ضخامت MoTe2، ضخامت بهینه 25 نانومتر به دست آمد که چندین مرتبه باریکتر از لایه‌های جاذب حمایتی قبلی است که تاکنون در PSCs17 چند اتصالی گزارش شده است.

با این وجود، این یک واقعیت ثابت شده است که استفاده از یک جاذب شکاف باند کم به دلیل جداسازی سطح شبه فرمی محدود الکترون و سوراخ، برای ولتاژ مدار باز (VOC) سلول‌های خورشیدی مضر است. به همین ترتیب، ما کاهش Voc را مشاهده کرده‌ایم که ساختار را به یک دستگاه چند اتصالی تبدیل می‌کند. به منظور جبران این تلفات فوتوولتاژ، ما یک ورق اکسید گرافن کاهش یافته (rGO) را با Spiro-OMeTAD به عنوان HTL جایگزین می کنیم تا استخراج سوراخ و حمل و نقل را بهبود بخشد. به طور برجسته، صفحه rGO VOC و PCE دستگاه را به ترتیب تا 0.928 و 20.32 درصد افزایش می‌دهد. قابل توجه است که عملکرد موثر لایه rGO هم به عنوان لایه بین لایه و هم لایه انتقال بار در PSCs18-23 به خوبی ثابت شده است.

معادلات و مدل های پایه

در این کار از یک مدل ترکیبی نوری و الکتریکی برای محاسبه و ارزیابی سازه های ارائه شده استفاده می کنیم. ما فرمول سنتی آنها را ارائه می کنیم (یعنی در حوزه فرکانس) و سپس در مورد گسترش دامنه زمان بحث می کنیم. برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی (PDE) از روش اجزای محدود (FEM) استفاده می شود.

مدل نوری

شکل 1A نمودار شماتیک طرح PSC مسطح پایه ما را نشان می دهد. از بالا به پایین، ساختار توسط یک قلع ایندیوم شفاف روی هم چیده شده استاکسیدالکترود (ITO)، یک تیتانیوم فشردهدی اکسیدلایه (TiO2)، یک لایه پروسکیت یدید سرب متیل آمونیوم (CH3NH3PBI3)، یک لایه N، N-di(4-متوکسی فنیل) آمینو]-9،9'-spirobifuorene (spiro-OMeTAD) و یک لایه الکترود عقب نقره ای (Ag). نور فرودی از لایه ITO وارد سلول شده و تا حدی توسط لایه پروسکایت جذب می شود. همچنین، نور ورودی به دلیل بازتابنده نقره عقب که باعث افزایش جذب می شود، بازتاب چندگانه را تجربه می کند. از نظر کمیت، برهمکنش بین امواج الکترومغناطیسی و لایه‌ها، و همچنین توزیع میدان الکتریکی (E)، معادله هلمهولتز (به شکل زیر نشان داده شده است) حل شد:

از ساختار. فرمول Gopt به شرح زیر است

که در آن ℏ ثابت پلانک کاهش یافته است، و ε" بخش خیالی گذردهی نسبی است. همانطور که فرمول به وضوح نشان می دهد، Gopt متناسب با مجذور شدت E در یک طول موج معین است. نرخ تولید کل (Gtot) می تواند باشد. با ادغام Gopt بر روی پهنای باند طول موج نور فرودی محاسبه می شود.

مدل برقی. رابطه J-V معروف زیر برای توصیف ویژگی های الکتریکی PSC های حاضر استفاده می شود:

برای محاسبه جریان ها، معادلات پواسون و تداوم زیر باید در سراسر دستگاه حل شود:

نتایج و بحث

همانطور که قبلا ذکر شد، PSC مرجع از لایه های ITO، TiO2، CH3NH3PBI3، spiro-OMeTAD، Ag ساخته شده است، همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است. لایه های Te ITO، TiO2، CH3NH3PBI3، spiro-OMeTAD و Ag به ترتیب به عنوان الکترود شفاف جلویی، لایه انتقال الکترون (ETL)، لایه جذب کننده، لایه انتقال سوراخ (HTL) و الکترود پشتی عمل می کنند. در سراسر این مقاله، ضخامت لایه‌های ITO، TiO2، CH3NH3PBI3، spiro-OMeTAD و Ag به ترتیب در 50، 90، 200، 100 و 100 نانومتر ثابت شده‌اند. شکل 1b نمودار باند انرژی اجزای سازه را نشان می‌دهد که تراز باند مطلوبی را برای انتقال الکترون و حفره در سراسر دستگاه تأیید می‌کند. به بیان دقیق، باند ظرفیت قابل توجه مجموعه بین پروسکایت (-5.48 eV) و ETL (-7.45 eV) به طور موثر تزریق سوراخ را مسدود می کند، در حالی که نوار رسانش آنها به خوبی برای جمع آوری الکترون های برانگیخته در فیلم پروسکایت تراز شده است. برعکس، هم ترازی باند بین CH3NH3PBI3 (-3.93 eV) و Spiro-OMeTAD (-1.95 eV) انتقال حفره در باند ظرفیت را به اندازه کافی امکان پذیر می کند، در حالی که مانع از انتقال الکترون در باند رسانایی می شود. پارامترهای ورودی، مقادیر شکاف باند انرژی (به عنوان مثال)، و میل الکترونی (χ) همه اجزا با توجه به ادبیات 17،24،25 انتخاب شده‌اند و مقادیر آنها در سطح خلاء نمایه می‌شوند. منحنی سیاه شکل 1c کل جذب را در PSC مرجع نشان می دهد. داده های ضریب شکست TiO2، CH3NH3PBI3 و

spiro-OMeTAD از منابع 26-28 گرفته شده است. ناحیه آبی رنگ شکل 1c طیف جذبی PSK را در ساختار نشان می دهد. واضح است که لایه پروسکایت فقط می تواند نور خورشید را بیش از 3{12}}0-800 نانومتر به دلیل فاصله باند (1.55 eV) جذب کند، بنابراین تمام نور NIR هدر می رود. برای فشار دادن جذب نور به فراتر از محدوده مرئی، یک لایه بسیار نازک MoTe2 در زیر لایه پروسکایت قرار می گیرد. نیمه هادی حجیم MoTe2 مجهز به شکاف باند غیرمستقیم کوچک در حدود 1.0 eV29 می تواند جذب نور را تا طول موج های 1200 نانومتر گسترش دهد، همانطور که با ناحیه سایه دار صورتی شکل 1c نشان داده شده است. علاوه بر شکاف باند غیرمستقیم، MoTe2 حجیم از دو شکاف برانگیخته مستقیم غالب، به نام‌های A و B، به ترتیب حدود 1.2 و 1.5 eV، به ترتیب 30،31 برخوردار است، که قله‌های جذب آن را مشخص می‌کند، همانطور که در شکل 1c نشان داده شده است. پس از آن، منحنی سیاه در شکل 1d کل Gopt را در دستگاه نشان می دهد. این یک جذب نور کارآمد منجر به تولید حامل در محدوده NIR را تأیید می کند. نواحی سایه‌دار آبی و صورتی شکل 1d به ترتیب سهم لایه‌های PSK و MoTe2 را در کل Gopt نشان می‌دهند. از نظر کمی، لایه‌های PSK و MoTe2 به ترتیب حدود 61 درصد و 39 درصد از تولید حامل را تشکیل می‌دهند. این افزایش تولید حامل توسط لایه MoTe2 می تواند برای بهبود عملکرد سلول امیدوار کننده باشد. علاوه بر این، لایه MoTe2 مانند سایر مواد TMD می‌تواند نقش‌های سودمند بیشتری در افزایش عملکرد دستگاه ایفا کند. کاربرد TMD ها در PSCها برای تسهیل حمل و نقل کارآمد حامل32، افزایش پایداری16 و غیره گسترش یافته است. از این رو، این مزایا با هزینه کم و فرآیند آماده سازی آسان آنها همراه است - لایه برداری مکانیکی و انتقال به یک دستگاه، از اثربخشی آنها در افزایش کارایی PSK.

در این شبیه سازی، ضریب شکست MoTe2 حجیم از Ref34 به دست آمد. همچنین در تمامی محاسبات منبع نور ورودی با طیف AM1.5G مطابقت دارد. پهنای باند طول موج از 300 تا 1200 نانومتر در وضوح 20 نانومتر انتخاب می شود. شرایط مرزی تناوبی (PBC) برای هر طرف از ناحیه عایق در سازه ها استفاده می شود و طرف های لایه طلا روی یک هادی الکتریکی کامل (PEC) تنظیم می شوند. کنتاکت های پایین و بالایی به ترتیب اهمی و شاتکی ایده آل با سرعت نوترکیبی سطحی 107 سانتی متر بر ثانیه در نظر گرفته می شوند. علاوه بر این، یک مش جاروب برای حل دقیق‌تر میدان‌های اطراف لایه نازک اعمال می‌شود. جدول 1 شامل تمام مقادیر ورودی نوری و الکتریکی استفاده شده در شبیه سازی ها می باشد. در اینجا εr ثابت دی الکتریک است، NC و NV چگالی موثر حالت های هدایت و نوارهای ظرفیت، μn و μp تحرک الکترون و حفره، χ میل ترکیبی الکترون، Eg انرژی باند، NA و ND گیرنده و چگالی دهنده هستند. ، و τn و τp به ترتیب طول عمر الکترون و حفره هستند. مواد Te MoTe2 به طور طبیعی P-doped هستند35. علاوه بر این، در محدودیت حجمی، TMD های نیمه رسانا طول عمر حامل نوری تا چند نانوثانیه را تحمل می کنند 36،37.

ویژگی های چگالی-ولتاژ جریان (J-V) PSC مرجع ما تحت یک شرایط خورشیدی در شکل 2a نشان داده شده است. PSC PCE 14 را نشان می‌دهد.01 درصد، با Jsc 15.20 mA/cm2، Voc 1.14 ولت و FF 0.81. با بهره مندی از نور NIR جذب شده در لایه MoTe2، Jsc به میزان قابل توجهی 26.2 mA/cm2 در PSC چند اتصالی با ضخامت بهینه MoTe2 افزایش می یابد. اما، Voc به 0.84 V کاهش می یابد، زیرا جداسازی سطح شبه فرمی الکترون و حفره اکنون توسط باند گپ MoTe2 محدود شده است. در مجموع، علی‌رغم اینکه Voc پس از قرار دادن لایه MoTe2 از بین می‌رود، بهبود Jsc به شدت بر کاهش Voc غالب است و منجر به افزایش قابل‌توجه PCE از 14.01 درصد به 18.52 درصد می‌شود. همانطور که در شکل 2b نشان داده شده است، این افزایش PCE نیز توسط یک تراز باند مناسب بین MoTe2 و لایه پروسکایت و HTL کمک می کند. در واقع، هم ترازی باند مورد نظر بین لایه‌های جاذب می‌تواند به طور مؤثری از دست دادن Voc را در PSCهای چند اتصالی در نتیجه بهبود انتقال بار و کاهش نوترکیبی بار کاهش دهد. به منظور ارائه دیدگاه گسترده تر در مورد قابلیت TMD برای جذب نور، ما طیف جذب ساختار فعلی را با زمانی که لایه MoTe2 با سه TMD دیگر، WSe2، MoSe2 و MoS2 جایگزین شد، مقایسه می کنیم، همانطور که در شکل 2c نشان داده شده است. ضریب شکست و پارامترهای ساختار باند WSe2، MoSe2، و MoS2 از مقالات 34،39-41 به دست آمده است. در حالی که همه TMD ها برهمکنش قوی نور-ماده را در زیر نور نور نشان می دهند، فاصله باند آنها محدوده وسیعی از 1-2 eV42 را پوشش می دهد. در اینجا، WSe2 و MoSe2 با فاصله باند حدود 1.3 eV می توانند طیف وسیع تری از نور را در مقایسه با MoS2 با فاصله باند 1.45 eV جذب کنند. از این میان، MoTe2 به وضوح قادر به جذب نور NIR است، و بهترین انتخاب برای آبشار شدن با PSK است. شکل 2d، e برهمکنش بین میدان های الکتریکی سبک و لایه های مختلف را در طول موج 600 و 1000 نانومتر نشان می دهد. هنگامی که طول موج روی 1000 نانومتر تنظیم شود، لایه MoTe2 با نور تعامل دارد، در حالی که سهم آن در جذب نور در طول موج مرئی 600 نانومتر ناچیز است. همچنین شایان ذکر است که استفاده از TMD ها در PSCها نتایج موفقیت آمیزی را برای افزایش پایداری نشان داده است16،43. از طرف دیگر، TMD ها در هر ضخامت را می توان به راحتی از طریق روش های غیرمحیط محیطی و غیر مخرب مانند لایه برداری خشک یا فاز مایع (16) تهیه کرد و سپس به روش های خشک یا مرطوب منتقل کرد. بنابراین، ترکیبی از مواد PSK و TMD ها به طور بالقوه می تواند عملکرد PSC را نه تنها در عملکرد فتوولتائیک بلکه در ناپایداری نیز بهبود بخشد.

برای دستیابی به عملکرد پیک PSC چند اتصالی، تحلیلی از وابستگی عملکرد سلول به ضخامت MoTe2 انجام شده است، در حالی که سایر پارامترهای ورودی در جدول 1 بدون تغییر باقی مانده اند. مطابق شکل 3، پارامترهای جذب، تولید حامل و فتوولتائیک سلول با افزایش ضخامت MoTe2 از 5 به 100 نانومتر تغییر می‌کنند. شکل 3a طیف جذب چهار ضخامت مختلف لایه MoTe2 را در داخل PSC چند پیوندی نشان می دهد. همانطور که انتظار می رفت، هرچه لایه MoTe2 ضخیم تر باشد، جذب نور بیشتری در لایه MoTe2 می شود. با این حال، سرعت جذب نور با افزایش ضخامت MoTe2 کندتر می شود تا زمانی که در ضخامت خاصی به اشباع برسد. حتی اگر نور بیش از حد توسط MoTe2 در طول موج های بلندتر در حدود 1100 نانومتر جذب شود، تولید حامل در چنین طول موج هایی ضعیف است، همانطور که در شکل 3b نشان داده شده است. این را می توان به اثر حفره تشدید و تداخلی نسبت داد که در طیف های جذبی نقش دارند، اما هیچ تاثیری بر تولید حامل ندارند. همانطور که در شکل 3c,d نشان داده شده است، پارامترهای فتوولتائیک سلول، PCE، Jsc، Voc، و FF با ضخامت MoTe2 متفاوت است. با افزایش ضخامت لایه MoTe2، Jsc به تدریج افزایش می یابد تا به نقطه اشباع برسد. برعکس، Voc با افزایش ضخامت MoTe2 کاهش می یابد. Te Voc در ابتدا کاهش سریعی را تجربه می کند و سپس با افزایش ضخامت MoTe2 سرعت کاهش کندتر می شود. کاهش مقدار Voc را می توان به افزایش نوترکیبی حامل بار در لایه جذب کننده ضخیم تر و افزایش مقاومت سری 44 نسبت داد. هنگامی که ضخامت لایه جاذب کوچکتر از طول انتشار حامل باشد، نرخ نوترکیب حامل به طور قابل توجهی کاهش می یابد و منجر به افزایش شدید صدای می شود. از سوی دیگر، پس از فاصله ای به اندازه طول انتشار حامل، کاهش Voc ناشی از افزایش نوترکیبی حامل رخ می دهد. همچنین، شایان ذکر است که پارامتر FF وابستگی ناچیزی به ضخامت MoTe2 دارد. در نتیجه، همانطور که در شکل 3d نشان داده شده است، PCE در ابتدا تحت یک افزایش نسبتا شدید در پاسخ به تغییرات شدید Voc و JSC در ضخامت‌های نازک‌تر MoTe2 قرار می‌گیرد و سپس در ضخامت MoTe2 25 نانومتر به حداکثر (~18.52 درصد) می‌رسد. ، و متعاقباً با اشباع شدن افزایش Jsc کاهش می یابد.

به منظور جبران اثر مخرب انباشته شدن موازی مواد با فاصله باند کم و زیاد، لایه spiro را با یک لایه rGO 60 نانومتری جایگزین می کنیم تا انتقال حامل را بهبود بخشد. مسلماً، اکسید گرافن (GO) و rGO می‌توانند مزایای چندگانه‌ای را برای PSCها فراهم کنند، یعنی بهبود پایداری، هدایت الکتریکی و حرارتی. از این رو، مواد به طور گسترده برای عملکردهای مختلف در PSC ها مانند لایه های حمل و نقل حامل، لایه های بین لایه واکسیدهای رسانای شفاف. در اینجا، لایه GO برای درج به عنوان HTL انتخاب می‌شود، زیرا ساختار نواری آن با لبه‌های باند لایه‌های مجاور هم‌تراز است. پارامترهای باند انرژی الکترونیکی rGO از Ref46 به دست آمده است. همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است، کاربرد rGO به عنوان HTL به طور قابل توجهی FF و Voc را تا حد قابل توجهی بهبود می بخشد.

{0}}.89 و 0.928، به ترتیب، در مقایسه با PSC چند اتصالی بدون لایه rGO. در نتیجه، PCE به 20.32 می دهد، که حدود 1.77 درصد بزرگتر از PSC چند اتصالی با spiro HTL است. بهبود قابل توجه عملکرد فتوولتائیک در PSC چند اتصالی مبتنی بر rGO به انتقال بار کارآمدتر و هم ترازی باند انرژی بهتر، در کنار کاهش مقاومت سری افزایش یافته به دلیل کاهش نوترکیبی بار مورد انتظار در رابط اختصاص داده شده است.

شکل 4b عملکرد فتوولتائیک PSC چند پیوندی را با HTL های مختلف از جمله مواد Spiro، PTAA، rGO و CuS مقایسه می کند. پارامترهای ورودی این مواد در جدول 2 آورده شده است. لایه rGO به دلیل تحرک بالای حفره 47، همراه با تراز باند خوب با MoTe2، بهتر از سایر مواد به عنوان HTL عمل می کند. برعکس، CuS از نظر انرژی به خوبی با MoTe2 همسو نیست و منجر به کاهش VOC می شود. نمودار نواری PSC چند پیوندی با HTL های مختلف در شکل 4c نشان داده شده است.

بیشتر بخواهید:

ایمیل:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950