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Jun 06, 2023

AgSCN come nuovo materiale di trasporto dei fori per celle solari a perovskite invertita

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7939 (2023) Citare questo articolo

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Un nuovo HTM basato sul tiocianato d'argento (AgSCN) è stato progettato per essere utilizzabile nelle celle solari a perovskite (PSC). Con una resa di massa, l'AgSCN è stato sintetizzato in laboratorio e chiarito mediante XRD, XPS, spettroscopia Raman, UPS e TGA. La produzione di film AgSCN sottili e altamente conformi che consentono l'estrazione e la raccolta rapida del vettore è stata resa possibile da un approccio di rimozione rapida del solvente. Esperimenti di fotoluminescenza hanno dimostrato che l'aggiunta di AgSCN ha migliorato la capacità di trasferire cariche tra HTL e lo strato di perovskite rispetto a PEDOT:PSS all'interfaccia. Discrepanze cristallografiche nel film di perovskite policristallina vengono scoperte dopo un ulteriore esame della microstruttura e della morfologia del film, indicando lo sviluppo di perovskite modellata sulla superficie di AgSCN. Rispetto ai dispositivi basati sul noto PEDOT:PSS, la tensione a circuito aperto (VOC) viene aumentata da AgSCN con la sua funzione di lavoro elevato di 0,1–1,14 V (1,04 V per PEDOT:PSS). Con un'efficienza di conversione di potenza (PCE) del 16,66%, i PSC ad alte prestazioni vengono effettivamente generati utilizzando la perovskite CH3NH3PbI3 rispetto al 15,11% dei dispositivi PEDOT:PSS controllati. L'HTL inorganico elaborato in soluzione è stato dimostrato utilizzando semplici strumenti per costruire moduli PSC a pin flessibili durevoli ed efficaci o il loro utilizzo come cella anteriore nelle celle solari tandem ibride.

La ricerca sulle celle solari alla perovskite (PSC) ha fatto molta strada nel decennio precedente. PSC ha raggiunto un elevato grado di efficienza di conversione di potenza (PCE), superiore al 25,7%; tuttavia, vari problemi, tra cui la scarsa stabilità e i costi elevati, continuano a impedirne l’implementazione pratica1,2,3,4. Un PSC standard tradizionale è composto da un substrato conduttivo TCO (ITO o FTO), uno strato di trasporto/estrazione di elettroni (ETL), uno strato assorbente di perovskite, uno strato di trasporto/estrazione di lacune (HTL) e un contatto posteriore come elettrodo5,6 . A causa della loro capacità di trasporto/estrazione dei fori e della regolazione dell'interfaccia che ostacolano il trasferimento di elettroni dallo strato assorbente (perovskite) agli anodi metallici (materiali di trasporto dei fori (HTM) o HTL) sono importanti per PSC efficaci7. HTM avanzati come PTAA, Spiro-MeOTAD e PEDOT: PSS sono disponibili per la commercializzazione oggi8,9,10. Tuttavia, la cristallinità limitata, la scarsa mobilità, i costi elevati e il potenziale deterioramento dell'aria dovuto all'umidità sono solo alcuni dei problemi relativi a questi HTM organici11,12. Le alternative inorganiche, termicamente e chimicamente compatibili a basse temperature di trattamento e molto stabili sono estremamente rare13,14. La creazione di alternative HTM aggiornate, a basso costo e convenienti da ottenere per PSC altamente efficaci è, ovviamente, imperativa. Gli HTM appropriati richiedono elevata mobilità, il più alto grado di energia dell'orbitale molecolare occupato (HOMO) e proprietà chimico/fisiche stabili14,15. Considerando la loro elevata mobilità, stabilità, facilità di sintesi e basso costo, i semiconduttori inorganici di tipo p rappresentano un'opzione migliore rispetto agli HTM organici13,14,16.

Il conduttore a foro organico di PEDOT:PSS17 è sostituito da materiale inorganico di tipo HTM p basato su PSC planari invertiti. Poiché il VOC di un PSC a eterogiunzione planare è stabilito in modo significativo tramite le interfacce perovskiti/interstrati di trasporto di carica, la possibile perdita di energia all'interfaccia tra PEDOT:PSS e CH3NH3PbI3 che si traduce in una riduzione del VOC18. Ad esempio, se confrontato con PEDOT:PSS, CuSCN si distingue con livelli di energia di VB = − 5,3 eV e CB = − 1,8 eV che è coerente con CH3NH3PbI3 (VB = − 5,4 eV). Inoltre, CuSCN offre una migliore trasparenza in tutta la gamma UV-Vis-NIR con un ampio band-gap (Eg) di 3,6 eV, rendendo più facile per i materiali fotoattivi assorbire più luce in una struttura invertita per generare fotocorrente più elevata19. Questo studio utilizza AgSCN come sostituto dell'HTM inorganico per CuSCN20. In particolare, oltre al loro utilizzo come fonte di drogaggio di Cu e Ag in una cella solare dicalcogenuro di metallo complementare (CdTe)21, CuSCN e AgSCN elaborati in soluzione non sono stati segnalati come PSC inorganici a base di HTL. I vantaggi di CuSCN risiedono nel fatto che può servire sia come strato di trasporto delle lacune che come fonte di drogaggio di Cu, mentre AgSCN, con la sua maggiore resistività, può servire solo come fonte di drogaggio di Ag con una velocità di diffusione più lenta21. Nella Tabella S1 (SI), abbiamo riassunto i parametri fotovoltaici delle PSC invertite basate su CuSCN come HTM inorganico durante il periodo 2015-2020 per resistere all'efficienza rispetto ai nuovi risultati di AgSCN. È noto che CuSCN è costituito da Cu+, che è meno stabile di Cu2+ e indesiderabile per la stabilità chimica. La struttura si basa sull'entalpia degli ioni mentre si legano ad altre molecole (energia di idratazione). Lo ione Cu2+ ha una densità di carica maggiore rispetto allo ione Cu+, creando legami molto più forti che rilasciano energia extra22,23,24.