Ardfheidhmíocht Comhthreomhar Tandem MoTe2/perovskite Grianchillín Bunaithe ar Ocsaíd Graiféin Laghdaithe Mar Chiseal Iompar Poll

Tá perovskites hibrideacha miotail orgánacha-neamhorgánacha ag cothú suime taighde urghnách sa phobal fótavoltach mar gheall ar a n-airíonna leathsheoltóra eisceachtúla, mar shampla.próiseas monaraithe éasca,fad idirleathadh fada1, saolré iompróir fada2, ionsú panchromatic an tsolais3, etc. Go dtí seo, tá an éifeachtacht chomhshó cumhachta uasta (PCE) a baineadh amach i gcealla gréine perovskite aon-acomhal (PSCanna) chomh hard le 25.5 faoin gcéad1. Chun an CTP a bhí srianta ag teorainn Shockley-Queisser (SQ) a fheabhsú tuilleadh, rinneadh roinnt straitéisí éagsúla a shaothrú, is é sin, éifeacht iolrúcháin an iompróra chun fuinneamh breise (hυ-Eg) fótón a bhaint le fuinneamh níos mó ná an bandgap (Eg).4 agus maolaitheoirí il-acomhal chun fótóin a bhaint a bhfuil fuinneamh níos lú ná E.g5. Cé go bhfuil sé praiticiúil agus do-fheicthe fós an CTP a fháil trí fheiniméin iolrúcháin iompróra, d’éirigh le CPSanna iolracha (comhpháirteach) TCP chomh mór le 29.15 faoin gcéad a bhaint amach6. Mar sin féin, spreagtha ag éachtaí na gcomhghleacaithe de PSCanna i gcomhar, GaAs agus cealla gréine il-acomhal bunaithe ar GaInP a bhfuil uasmhéid TCP de 38.8 faoin gcéad bainte amach acu.7, tá fós asuim mhéadaitheach i bhfeabhsú breise ar fheidhmíocht il-acomhal CPS. Spreag sé seo an cuardach le haghaidhábhair agus ailtireachtaí nua do CPSanna il-acomhal. 

Cliceáil Anseo Chun Airíonna Frith-ocsaídiúcháin Cistanche a Eolas

Tá déchalcogenides miotail trasdula leathsheolta (TMDanna), lena n-áirítear MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, agus WSe2, ag teacht chun cinn mar mhaolaitheoirí an-suntasach do chealla gréine mar gheall ar a gcomhéifeachtaí ionsúcháin ultra-ard8, indéantacht mheicniúil9, soghluaisteacht ardiompróra10, mar aon le bandgap idéalach le haghaidh fótavoltach. iarratais8. Go háirithe, tá ciseal TMD níos tanaí ná 20 nm in ann solas a ionsú fiú deich n-uaire níos mó ná leathsheoltóirí bandbhearna díreach aitheanta8. Cé go bhfuil na TMDanna, go háirithe MoS2, fostaithe go forleathan mar shraitheanna iompair iompróra (HTLanna) sna PSCanna11,12, níl aon tuairisc ann maidir le leas a bhaint as cumas ionsúcháin TMDanna chun éifeachtacht ionsú solais i CPSanna a fheabhsú. Cé go bhfuil beagnach an méid bandáile céanna ag an gcuid is mó de TMDanna agus atá ag perovskites, bheadh ​​bulc-MoTe2 le bindealán de thart ar 1 eV ina ábhar ionsúite comhlántach le haghaidh perovskite chun raon solas na gréine gar-infridhearg (NIR) a bhaint. Tá cumas láidir ionsúcháin NIR MoTe2, mar aon le heaspa bannaí dangling ar a dhromchla, airí TMDanna a eascraíonn as a n-idirghníomhaíocht idirchiseal lag van der Waals (vdW), mar bhuntaca do MoTe2 aa iarrthóir oiriúnach le bheith heitrea-struchtúrtha le hábhair perovskite. le haghaidh cealla gréine i gcomhar13,14. Go turgnamhach, ceadaíonn na modhanna díothaithe ceimiceacha agus meicniúla atá éifeachtach ó thaobh costais atá ar fáil d’ullmhú scannán tanaí MoTe2 aonfhoirmeach agus aonchineálach15,16. Mar sin, bheadh ​​sé níos luachmhaire iniúchadh a dhéanamh ar shaothrú ábhar MoTe2 mar chiseal ionsúite tacaíochta, chun leas a bhaint as an ionsú MoTe2.

Anseo, cuirimid i láthair agus molaimid go huimhriúil cineál Planar de PSCanna il-acomhal comhthreomhar le réigiún ionsúcháin déanta as MoTe2 tanaí agus CH3NH3PbI3. Tá an príomhghléas comhdhéanta de shraitheanna ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/ Spiro-OMeTAD/Ag, cumraíocht a rinneadh mar an gcéanna le MoS2 16. Réitíonn ailíniú banna sár-inmhianaithe MoTe2 le sraitheanna eile, mar aon lena chumas ard ionsúcháin NIR, an bealach chun éifeachtacht fhótavoltach níos airde a bhaint amach. Trí chomparáid a dhéanamh le CPSanna aon-acomhal, táirgeann an fheiste atá beartaithe méadú ar TCP ó 14.01 go 18.52 faoin gcéad . Trí anailís chruinn uimhriúil a dhéanamh ar fheidhmíocht gléas MoTe2 atá ag brath ar thiús, fuarthas an tiús is fearr de 25 nm, atá níos tanaí ó thaobh aimplitiúid de orduithe éagsúla ná na sraitheanna ionsúcháin tacaíochta roimhe seo a tuairiscíodh go dtí seo i PSCanna il-chomhcheangail17.

Mar sin féin, is fíric seanbhunaithe é go bhfuil úsáid a bhaint as ionsúire bearna banna íseal díobhálach do voltas ciorcad oscailte (VOC) na gcealla gréine mar gheall ar scaradh teoranta leictreon agus leibhéal gar-fheirme poll. Mar an gcéanna, thugamar faoi deara laghdú ar Voc tar éis an struchtúr a iompú ina fheiste il-acomhal. D'fhonn na caillteanais fótavoltach seo a chúiteamh, cuirimid Spiro-OMeTAD in ionad bileog laghdaithe ocsaíd graphene (rGO) mar HTL chun eastóscadh agus iompar poll a fheabhsú. Go hiontach, cuireann an leathán rGO feabhas ar an ngléas VOC agus PCE suas go dtí 0.928 agus 20.32 faoin gcéad , faoi seach. Is fiú a thabhairt faoi deara go bhfuil feidhmíocht éifeachtach na ciseal rGO mar chiseal idirchiseal agus ciseal iompair muirir cruthaithe go maith i PSCs18–23.

Cothromóidí bunúsacha agus samhlacha

Sa obair seo, bainimid úsáid as samhail hibrideach optúil agus leictreach chun na struchtúir a chuirtear i láthair a ríomh agus a mheas. Cuirimid a bhfoirmiú traidisiúnta i láthair (ie, sa réimse minicíochta) agus ansin pléimid an síneadh leis an bhfearann ​​​​ama. Úsáidtear modh eiliminte críochta (FEM) chun na cothromóidí difreálach páirteacha (PDEanna) a réiteach.

Múnla optúil.

Léiríonn Fíor 1A an léaráid scéimreach dár mbunscéim CPS plánach. Ó bhun go barr, tá an struchtúr cruachta ag stán trédhearcach indiumocsaíd(ITO) leictreoid, tíotáiniam dhlúthdé-ocsaíd(TiO2), scannán perovskite iaidíde luaidhe meitiolamóiniam (CH3NH3PBI3), ciseal N, N-di(4-methoxyphenyl) aimín]-9,9′-spirobifuorene (spiro-OMeTAD), agus a airgid (Ag) leictreoid cúil. Téann an solas teagmhais isteach sa chill ón gciseal ITO agus ionsúitear an scannán perovskite go pointe áirithe. Chomh maith leis sin, bíonn multirefection ag an solas ag teacht isteach mar gheall ar an bhfrithchaiteoir Ag cúil a chuireann feabhas ar ionsú. Go cainníocht, réitíodh an idirghníomhaíocht idir tonnta leictreamaighnéadacha agus na sraitheanna, chomh maith le dáileadh an réimse leictrigh (E), an chothromóid Helmholtz (arna léiriú mar seo a leanas):

den struchtúr. Seo a leanas foirmle Gopt,

áit arb é ℏ tairiseach laghdaithe Planck, agus ε" an chuid shamhailteach den cheadacht choibhneasta. Mar is léir ón bhfoirmle, tá Gopt comhréireach le cearnach an déine E i dtonnfhad áirithe. ríomh trí Gopt a chomhtháthú thar bandaleithead tonnfhad solais teagmhais.

Múnla leictreach. Úsáidtear an gaol aitheanta J–V seo a leanas chun cur síos a dhéanamh ar shaintréithe leictreacha na CPS reatha:

Chun na sruthanna a ríomh, ba cheart na cothromóidí Poisson agus leanúnachais seo a leanas a réiteach trasna an fheiste:

Torthaí agus plé

Mar a luadh níos luaithe, tá an PSC tagartha déanta as sraitheanna ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, Ag, mar a léirítear i bhFíor 1a. Feidhmíonn sraitheanna Te ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, agus Ag mar an leictreoid trédhearcach tosaigh, ciseal iompair leictreon (ETL), ciseal ionsú, ciseal iompair poll (HTL), agus leictreoid ar ais, faoi seach. Ar fud na lámhscríbhinne seo, tá tiús sraitheanna ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, spiro-OMeTAD, agus Ag socraithe ag 50, 90, 200, 100, agus 100 nm, faoi seach. Taispeánann Figiúr 1b an léaráid banna fuinnimh de chomhpháirteanna sa struchtúr, ag ceadú ailíniú banna fabhrach don aistriú leictreon agus poll ar fud an fheiste. Go docht, déanann an banda valence suntasach de thacar idir perovskite (−5.48 eV) agus ETL (−7.45 eV) an t-instealladh poll a bhlocáil go héifeachtach, agus tá a bhanna seolta ailínithe go deas chun na leictreoin corraithe a bhailiú sa scannán perovskite. Os a choinne sin, déanann ailíniú an bhanna idir CH3NH3PBI3 (−3.93 eV) agus Spiro-OMeTAD (− 1.95 eV) an t-aistriú poll sa bhanda valence go leordhóthanach, agus cuireann sé bac ar aistriú leictreon sa bhanda seolta. Roghnaítear paraiméadair ionchuir, luachanna bearna banna fuinnimh (Eg), agus cleamhnas leictreon (χ) de réir na litríochta17,24,25, agus déantar a luachanna a innéacsú go dtí an leibhéal folúis. Taispeánann cuar dubh Fíor 1c an ionsú iomlán sa PSC tagartha. Tá sonraí innéacs athraonta TiO2, CH3NH3PBI3, agus

Tógtar spiro-OMETAD as tagairtí 26–28. Léiríonn an limistéar gorm-scáthaithe i bhFíor 1c speictream ionsúcháin PSK sa struchtúr. Is léir nach féidir leis an gciseal perovskite solas na gréine a ionsú ach os cionn 300–800 nm mar gheall ar a bandáil (1.55 eV), agus mar sin cuirtear an solas NIR ar fad amú. Chun ionsú solais a bhrú thar an raon infheicthe, cuirtear ciseal ultrathin MoTe2 faoi bhun an scannáin perovskite. Tá leathsheoltóir mórchóir MoTe2 a bhfuil bandáil bheag indíreach de thart ar 1.0 eV29 aige in ann ionsú solais a leathnú go dtí tonnfhaid suas le 1200 nm, mar a léirítear sa réigiún scáthaithe bándearg i bhFíor 1c. Seachas banda bhearna indíreach, tá dhá bhearna dhírigh cheannasacha ag an mórchóir MoTe2, ar a dtugtar A agus B, timpeall 1.2 agus 1.5 eV,30,31 faoi seach, a shonraíonn a bhuaic ionsúcháin, mar atá le feiceáil i bhFíor 1c. Ina dhiaidh sin, taispeánann an cuar dubh i bhFíor 1d an Gopt iomlán sa ghléas. Deimhníonn sé ionsú éifeachtach solais faoi stiúir le giniúint iompróra thar raon NIR. Nochtann limistéir ghorma agus bhándeargacha i bhFíor 1d an méid a chuireann sraitheanna PSK agus MoTe2, faoi seach, leis an iomlán Gopt. Go cainníochtúil, cuireann na sraitheanna PSK agus MoTe2 thart ar 61 faoin gcéad agus 39 faoin gcéad de ghiniúint iompróra, faoi seach. D'fhéadfadh an feabhsú giniúna iompróra seo ag an gciseal MoTe2 a bheith geallta maidir le feabhsú feidhmíochta cille. Ina theannta sin, féadfaidh an ciseal MoTe2, cosúil le hábhair TMD eile, rólanna buntáisteacha breise a imirt chun feidhmíocht an ghléis a threisiú. Leathnaíodh úsáid na TMDanna i CPSanna chun iompar iompróra éifeachtach a éascú32, cur leis an gcobhsaíocht16, agus mar sin de33. Mar sin, tá a gcostas íseal agus próiseas ullmhaithe éasca ag gabháil leis na buntáistí seo - díothacht meicniúil agus aistriú isteach i bhfeiste, ag cur lena n-éifeachtacht i bhfeabhsú éifeachtúlachta PSK.

San ionsamhlúchán seo, fuarthas an t-innéacs athraonta den bhulc MoTe2 ó Thag 34. Chomh maith leis sin, i ngach ríomh, tá an fhoinse solais ionchuir i gcomhréir leis an speictream AM1.5G. Roghnaítear bandaleithead an tonnfhaid ó 300 go 1200 nm i taifeach chomh mór le 20 nm. Úsáidtear an coinníoll teorann tréimhsiúil (PBC) do gach taobh den réigiún inslithe sna struchtúir agus socraítear na taobhanna ciseal Au chuig seoltóir leictreach foirfe (PEC). Meastar gurb iad na teagmhálaithe bun agus barr idéalach ohmic agus Schottky le treoluas athmheasctha dromchla de 107 cm/s, faoi seach. Ina theannta sin, cuirtear mogalra scuabtha i bhfeidhm chun na réimsí timpeall an tsraith tanaí a réiteach níos cruinne. Áirítear i dTábla 1 na luachanna ionchuir optúla agus leictreacha go léir a úsáidtear sna insamhaltaí. Anseo, is é εr an tairiseach tréleictreach, is iad NC agus NV dlús éifeachtúil na stáit seolta agus bannaí valence, is gluaiseachtaí leictreon agus poll iad μn agus μp, is é χ cleamhnas leictreon, Eg is fuinneamh bandgap, glacadóirí agus dlúis deontóra iad NA agus ND. , agus is saolréanna leictreon agus poll iad τn agus τp, faoi seach. Is eol go ndéantar P-dhópáil go nádúrtha ar ábhair Te MoTe235. Ina theannta sin, sa teorainn mórchóir, iompraíonn na TMDanna leathsheoltacha saolréanna iompróra fóta-ghinte suas le cúpla nanasoicindí36,37.

Léirítear saintréithe dlús-voltais srutha (J–V) ár PSC tagartha faoi aon riocht gréine amháin i bhFíor 2a. Taispeánann Te PSC PCE de 14.01 faoin gcéad , le Jsc de 15.20 mA/cm2, Voc de 1.14 V, agus FF de 0.81. Chun leas an tsolais NIR a ionsúitear sa chiseal MoTe2, méadaíonn Jsc go mór 26.2 mA/cm2 sa PSC ilchiseal le tiús optamaithe MoTe2. Ach, titeann an Voc go 0.84 V mar gheall ar an leictreon agus poll quasi-fermi scaradh leibhéal srianta anois ag an bandgap MoTe2. Ar an iomlán, in ainneoin go bhfuil an Voc scriosta tar éis an ciseal MoTe2 a chur isteach, tá feabhsú Jsc an-mhór thar an laghdú Voc, rud a fhágann go dtiocfaidh méadú suntasach ar CTP ó 14.01 faoin gcéad go 18.52 faoin gcéad. Cuireann ailíniú banda oiriúnach idir MoTe2 agus an ciseal perovskite agus HTL le méadú TI PCE freisin, mar a léirítear i bhFíor 2b. Go deimhin, is féidir leis an ailíniú banna atá ag teastáil idir na sraitheanna ionsúcháin caillteanas Voc i CPSanna il-acomhal a mhaolú go héifeachtach mar thoradh ar fheabhsú ar iompar luchtaithe agus ar laghdú ar athchur ar mhuirir38. D'fhonn peirspictíocht níos leithne a sholáthar ar chumas TMD d'ionsú solais, déanaimid comparáid idir speictream ionsúcháin an struchtúir reatha agus nuair a cuireadh trí TMD eile, WSe2, MoSe2, agus MoS2 in ionad ciseal MoTe2, mar a léirítear i bhFíor 2c. Faightear innéacs athraonta te agus paraiméadair struchtúir bhanna de WSe2, MoSe2, agus MoS2 ón litríocht34,39–41. Cé go léiríonn gach TMD idirghníomhaíocht láidir solas-ábhar faoi soilsiú solais, clúdaíonn a mbearnaí banda raon leathan ó 1–2 eV42. Anseo, is féidir le WSe2 agus MoSe2 le bandgap de thart ar 1.3 eV speictream níos leithne solais a ionsú i gcomparáid le MoS2 le bandgap de 1.45 eV. Díobh seo, is léir go bhfuil MoTe2 níos ábalta solas NIR a ionsú, rud a fhágann gurb é an rogha is fearr é a bheith easghluaiseachta leis an PSK. Léiríonn Fíor 2d,e an t-idirghníomhú idir na réimsí leictreacha éadroma agus na sraitheanna éagsúla ag an tonnfhad 600 agus 1000 nm. Is féidir a fheiceáil go n-idirghníomhaíonn an ciseal MoTe2 le solas nuair a shocraítear an tonnfhad go 1000 nm, ach is beag an méid a chuireann sé le hionsú solais sa tonnfhad infheicthe de 600 nm. Is fiú a fhios freisin gur léirigh úsáid TMDanna i CPSanna torthaí rathúla chun cobhsaíocht a fheabhsú16,43. Ar an taobh eile, is féidir TMDanna i ngach tiús a ullmhú go héasca trí chur chuige neamhdhíobhálach don chomhshaol agus neamh-millteach ar nós exfoliation tirim nó leachtach-chéim16, a aistrítear ansin trí mhodhanna tirim nó fliuch. Mar sin, is féidir le meascán d'ábhair PSK agus TMDs feidhmíocht PSC a fheabhsú, ní hamháin in oibriú fótavoltach ach freisin éagobhsaíocht

Chun buaicfheidhmíocht multijunction PSC a bhaint amach, rinneadh anailís ar an spleáchas feidhmíochta cille ar thiús MoTe2, agus fágtar paraiméadair ionchuir eile i dTábla 1 gan athrú. De réir Fíor 3, athraíonn an t-ionsú, giniúint iompróra, agus paraiméadair fhótavoltach na cille mar a mhéadaíonn tiús MoTe2 ó 5 go 100 nm. Taispeánann Fíor 3a an speictrim ionsúcháin de cheithre thiús dhifriúla den chiseal MoTe2 taobh istigh den PSC multijunction. De réir mar a bhíothas ag súil leis, dá thiús an ciseal MoTe2, is amhlaidh is mó ionsú solais sa chiseal MoTe2. Mar sin féin, éiríonn an ráta ionsú solais níos moille mar a mhéadaíonn an tiús MoTe2, go dtí go sroicheann sé saturation ag tiús áirithe. Cé go n-ionsúnn an MoTe2 an iomarca solais ag na tonnfhaid níos faide timpeall 1100 nm, tá giniúint an iompróra lag ag tonnfhaid dá leithéid, mar a léirítear i bhFíor 3b. Is féidir é seo a chur i leith éifeacht cuas athshondach agus trasnaíocht a bhfuil ról acu i speictrim ionsúcháin, ach nach mbíonn aon tionchar acu ar ghiniúint iompróra. Mar a léirítear i bhFíor 3c,d, athraíonn paraiméadair fhótavoltach na cille, PCE, Jsc, Voc, agus FF de réir tiús MoTe2. Le méadú ar thiús ciseal MoTe2, méadaíonn an Jsc de réir a chéile go dtí go sroicheann sé pointe sáithithe. Os a choinne sin, laghdaíonn an Voc mar a mhéadaíonn tiús MoTe2. Ar dtús tagann laghdú tapa ar Te Voc agus ansin éiríonn an ráta laghdaithe níos moille nuair a mhéadaítear tiús MoTe2. Is féidir an luach laghdaitheach Voc a shannadh do mhéadú ar athmheascadh iompróra luchta sa chiseal ionsúcháin níos tiús agus don fhriotaíocht mhéadaithe sraith44. Nuair a bhíonn tiús an chiseal ionsúcháin níos lú ná an fad idirleata iompróra, laghdaítear ráta athmheasctha an iompróra go suntasach, rud a fhágann go bhfuil méadú géar ar voc. Ar an láimh eile, tar éis fad an oiread agus is fad idirleathadh iompróra, tarlaíonn laghdú Voc a eascraíonn as an méadú recombination iompróra. Chomh maith leis sin is fiú a thabhairt faoi deara go bhfuil spleáchas neamhbhríoch ag paraiméadar FF ar thiús MoTe2. Mar thoradh air sin, mar a léirítear i bhFíor 3d, téann an PCE faoi mhéadú sách dian ar dtús ar an bhfreagra ar athruithe géara Voc agus JSC sna tiús MoTe2 níos tanaí agus ansin sroicheann sé uasmhéid (~18.52 faoin gcéad) ag tiús MoTe2 de 25 nm. , agus ina dhiaidh sin, titeann sé de réir mar a bhíonn an méadú Jsc sáithithe.

D'fhonn cúiteamh a dhéanamh ar an éifeacht millteach a bhaineann le hábhair bandgap íseal agus ard a chruachadh go comhthreomhar, cuirimid ciseal 60 nm rGO in ionad an chiseal spiro chun an t-aistriú iompróra a fheabhsú. D’fhéadfaí a áitiú gur féidir le hocsaíd graphene (GO) agus rGO ilsochar a chur ar fáil do CPSanna, eadhon, cobhsaíocht, seoltacht leictreach agus teirmeach a fheabhsú45. Mar sin, baineadh úsáid as na hábhair go forleathan le haghaidh feidhmeanna éagsúla i CPSanna ar nós sraitheanna iompair iompróra, idirshraitheanna, agusocsaídí seoltacha trédhearcacha. Anseo, roghnaítear an ciseal GO le cur isteach mar HTL mar gheall ar a struchtúr banna dea-ailínithe le imill bhanna na sraitheanna in aice láimhe. Faightear paraiméadair banda fuinnimh leictreonacha rGO ó Thag 46. Mar a léirítear i bhFíor 4a, cuireann úsáid rGO mar HTL feabhas suntasach ar FF agus Voc araon suas go dtí

{{0}}.89 agus 0.928, faoi seach, sa chomparáid leis an PSC multijunction gan an ciseal rGO. Dá bhrí sin, tugann sé CTP chomh hard le 20.32, thart ar 1.77 faoin gcéad níos mó ná an PSC il-acomhal le spiro HTL. Tá an feabhas suntasach ar fheidhmíocht fhótavoltach i PSC il-acomhal rGO-bhunaithe dírithe ar iompar luchtaithe níos éifeachtaí agus ailíniú banna fuinnimh níos fearr, in éineacht le laghdú ar fhriotaíocht mhéadaithe na sraithe mar gheall ar an laghdú ar athmheascadh muirear ionchais ag an gcomhéadan.

Déanann Fíor 4b comparáid idir feidhmíocht fhótavoltach PSC multijunction le HTLanna éagsúla lena n-áirítear ábhair Spiro, PTAA, rGO, agus CuS. Tá paraiméadair ionchuir na n-ábhar seo táblaithe i dTábla 2. Feidhmíonn an ciseal rGO mar HTL níos fearr ná ábhair eile mar gheall ar a soghluaisteacht ard poll47, chomh maith le ailíniú banna deas le MoTe2. Os a choinne sin, níl CuS ailínithe go fuinniúil le MoTe2, rud a fhágann go bhfuil laghdú VOC ann. Taispeántar an léaráid bhanna de PSC il-acomhal le HTLanna éagsúla i bhFíor 4c.

Iarr tuilleadh:

Ríomhphost:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Teil: móide 86 15292862950