Proses Photocurrent dan Optoelektronik Terkait Ketebalan Sb2S3 di Sel Surya Hibrida Planar TiO2/Sb2S3/P3HT

Hasil dan Diskusi

Deposisi dan Karakterisasi Sb₂ S₃ /TiO₂ Film

Gambar FE-SEM (Gbr. 2a) dengan jelas menunjukkan bahwa ketebalan yang berbeda dari Sb₂ S₃ film disimpan di TiO₂ substrat kaca berlapis dengan waktu CBD yang berbeda t (1.0 h, 1.5h, 2.0 h, 3.0h). Terlihat seragam Sb₂ S₃ lapisan berhasil diperoleh dengan teknik CBD. Ketebalan rata-rata Sb₂ S₃ film yang diperkirakan dari gambar FE-SEM penampang diplot pada Gambar 2b sebagai fungsi waktu CBD. Ketebalan rata-rata d dari Sb₂ S₃ film meningkat secara linier dengan t (Gbr. 2b). Ketebalan rata-rata meningkat hampir secara linier dari 96 menjadi 373 nm dengan mengubah waktu CBD dari 1 menjadi 3 h. Pola XRD dari Sb₂ S₃ film dengan ketebalan berbeda dari Sb₂ S₃ film pada kaca FTO ditunjukkan pada Gambar. 3. Spektrum XRD yang diukur diindeks ke ortorombik Sb₂ S₃ (JCPDS PCPDFWIN #42-1393) [23].

a Gambar FE-SEM penampang Sb₂ S₃ film di TiO₂ substrat kaca berlapis lapisan padat. b Rata-rata Sb₂ S₃ ketebalan d diplot sebagai fungsi dari waktu reaksi CBD t untuk Sb₂ S₃ deposisi film. Nilai diperkirakan dengan gambar penampang FE-SEM

Pola XRD dari Sb yang disintesis₂ S₃ film di FTO dengan waktu deposisi yang berbeda. Sampel 1 adalah substrat kaca FTO murni, dan sampel 2–5 adalah Sb₂ S₃ film dengan t masing-masing 1 h, 1,5h, 2h, dan 3h

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, TiO₂ sampel menunjukkan onset penyerapan pada 386 nm (3,21 eV) sesuai dengan penyerapan celah pita TiO₂ [24]. Semua TiO yang disetorkan₂ /Sb₂ S₃ lapisan dengan t . yang berbeda dari CBD menunjukkan tepi penyerapan di ca. 750 nm [25]. Intensitas penyerapan Sb₂ S₃ pada TiO₂ permukaan jelas dalam urutan 3 h > 2 h > 1.5 h > 1 h. Hasil ini juga menunjukkan bahwa Sb₂ S₃ film secara bertahap menjadi lebih tebal dengan CBD yang lebih panjang t , yang juga sesuai dengan hasil SEM.

Penyerapan UV-vis TiO₂ dan TiO₂ /Sb₂ S₃ film dengan t dari 1-3 h, masing-masing

Sel Surya

J -V karakteristik sel surya dengan ketebalan berbeda d (yaitu, CBD t ) dibandingkan pada Gambar. 5a. Tabel 1 menyajikan kinerja fotovoltaik secara keseluruhan dari perangkat ini. Meningkatkan ketebalan d (yaitu, waktu CBD t ) secara signifikan memengaruhi kinerja perangkat. PCE meningkat seiring d meningkat dari 96 menjadi 175 nm (yaitu, t meningkat dari 1,0 menjadi 1,5 h) dan menurun setelahnya, terutama menurun sebagian besar setelah d> 280 nm (yaitu, t> 2 h). Sb Optimal₂ S₃ ketebalan 175 nm dapat ditentukan dengan perbandingan efisiensi perangkat, di mana titik PCE maksimum 1,65%, J _sc dari 6,64 mA cm ⁻² , V _ok sebesar 0,61 V, dan FF sebesar 40,81% dapat dicapai. Hasil ini sebanding dengan laporan lain [16, 26]. Liu dkk. mempelajari ZnO/Sb hibrida₂ S₃ /P3HT sel n-i-p dengan Sb₂ S₃ lapisan tiga ketebalan yang berbeda (50, 100, dan 350 nm) dengan penguapan termal mencapai PCE tertinggi (~ 2%) dengan Sb setebal 100-nm₂ S₃ [12]. Kamruzzaman dkk. mempelajari TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT sel n-i-p dengan Sb₂ S₃ ketebalan 45–120 nm dengan metode penguapan termal, dan penyerap Sb₂ S₃ dan lapisan pengangkut lubang P3HT dianil dalam kondisi atmosfer. Dalam studi mereka, ketebalan 100-120 nm menunjukkan efisiensi konversi daya yang lebih baik dari 1,8-1,94% [26]. Jelas, ketebalan Sb₂ S₃ memang sangat mempengaruhi kinerja perangkat, bahkan dengan strategi deposisi Sb₂ . yang berbeda S₃ film atau kondisi anil.

a J–V kurva dan b Spektrum EQE sel surya dengan CBD berbeda t untuk Sb₂ S₃ film

Mengisi Biaya Transportasi

Perangkat J _sc meningkat pesat dengan meningkatnya Sb₂ S₃ ketebalan d dari 96 menjadi 175 nm dan kemudian berkurang sebagai d meningkat (Gbr. 5 dan Tabel 1). Perangkat J _sc sangat tergantung pada Sb₂ S₃ ketebalan d. Pembangkitan pembawa muatan dan disosiasi adalah proses kunci untuk pembangkitan arus foto. Pertama, cahaya tampak akan melewati TiO₂ lapisan karena properti jendela cahaya tampak (Gbr. 4) dan mulai diserap dari TiO₂ /Sb₂ S₃ antarmuka. Sb₂ S₃ telah terbukti menjadi koefisien penyerapan yang tinggi α sekitar 10 ⁵ cm ⁻¹ di daerah yang terlihat [27]. Di sini, kita mengambil α = 10 ⁵ cm ⁻¹ untuk Sb₂ S₃ . Kedalaman iluminasi yang bergantung pada ketebalan digambarkan pada Gambar. 6 menurut hukum Beer-Lambert I (x ) = Saya ₀ e ^-ax , di mana I ₀ adalah fluks foton insiden dan I (x ) adalah fluks foton di Sb₂ S₃ . Jelas, foton insiden tidak dapat diserap sepenuhnya ketika Sb₂ S₃ memiliki ketebalan 100 nm atau 200 nm (Gbr. 6b). d -rasio terkait foton yang diserap (N_a )/foton insiden (N_i ) dapat dihitung dengan integrasi luas daerah yang diarsir dalam koordinat. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 6b (juga lihat Gbr. 7b), N_a /N_i adalah 61% ketika d = 96 nm dan N_a /N_i ditingkatkan menjadi 82% saat d =175 nm. Dapat dipercaya bahwa 21% foton lebih lanjut yang diserap dapat menyebabkan peningkatan J _sc dari 5,50 hingga 6,64 mA/cm ² . Ketika d meningkat menjadi 280 nm, 11% foton ekstra diserap dan N_a /N_i ditingkatkan lebih lanjut menjadi 93%, yang menunjukkan bahwa lebih banyak foton dapat diserap lebih lanjut dan kemudian dapat menghasilkan lebih banyak elektron. Namun, perangkat J _sc diturunkan menjadi 5,06 mA/cm ² yang lebih rendah dari kasus d =96 nm. Ketika d meningkat menjadi 373 nm, N_a /N_i mendekati 100%, dan perangkat J _sc menurun tajam menjadi 2,64 mA/cm ² . Oleh karena itu, penyerapan bukanlah satu-satunya faktor yang mempengaruhi J _sc .

Ilustrasi Sb₂ S₃ ketebalan d -kedalaman iluminasi tergantung x dan E _di

a Plot semilogaritmik J–V karakteristik dalam kegelapan sel surya dengan CBD yang berbeda t untuk Sb₂ S₃ film. b Ketergantungan V _di , J _sc , T _a /T _i , E _ke , dan E _kh di Sb₂ S₃ ketebalan d

Plot semilogaritmik dari J–V kurva sel surya dalam gelap biasanya menunjukkan tiga rezim yang berbeda:( i) peningkatan linier untuk arus yang didominasi kebocoran, (ii) peningkatan eksponensial untuk arus yang didominasi difusi, dan (iii) peningkatan kuadrat untuk arus terbatas muatan ruang. Tegangan bawaan (V _di ) biasanya dapat diperkirakan pada titik balik di mana kurva gelap mulai mengikuti perilaku kuadrat (Gbr. 7a). Ketergantungan V _di , J _sc , T _a /T _i , E _ke , dan E _kh di CBD t ditunjukkan pada Gambar. 7b. Kapan d meningkat dari 96 menjadi 175 nm, N _a /T _i ditingkatkan 34,44%; namun, J _sc hanya meningkat 20,72%, yang berarti ada faktor lain yang membatasi J _sc kenaikan. Telah disimpulkan bahwa ini mungkin karena penurunan medan listrik internal di Sb₂ S₃ lapisan, yang melemahkan elektron / lubang melayang foton yang dihasilkan [16]. Oleh karena itu, kami menghitung medan listrik internal E _di seberangi Sb₂ S₃ berdasarkan hubungan E _di = V _di /d (Meja 2). Selain itu, kecepatan hanyut elektron v _e dan lubang v _e , energi kinetik elektron E _ke , dan lubang E _kh di bawah medan listrik internal E _di juga dihitung (Tabel 2 dan Gambar 7b). Ketika d adalah 96 nm, E _ke adalah 296,56 meV, dan E _kh adalah 53,25 meV. Ketika d meningkat menjadi 175 nm, E _ke sebagian besar menurun menjadi 95,29 meV dan E _kh menurun menjadi 17,12 meV, yang lebih rendah dari energi panas pada suhu sekitar (E _kt , 26 meV). Hasil ini menunjukkan bahwa medan listrik internal memiliki efek yang kecil pada pergeseran lubang ketika Sb₂ S₃ ketebalannya atau lebih besar dari 175 nm. Jelas, pengurangan E _ke dan E _kh dengan Sb yang lebih tebal₂ S₃ seharusnya menjadi alasan yang membatasi kenaikan J _sc . Peningkatan lebih lanjut d dari 175 hingga 280 nm, N _a /T _i ditingkatkan menjadi 13,84%; namun, J _sc mendapatkan penurunan. Ini mungkin karena penurunan E _ke yang dekat dengan E _kt (d = 280 nm) tetapi jauh lebih rendah dari E _kh (d = 373 nm), yang berarti E _di secara bertahap memiliki sedikit efek pada perpindahan elektron ketika d> 280 nm seperti yang diamati dalam karya ini. Oleh karena itu, E _di pergeseran elektron terkait penurunan mungkin bertanggung jawab atas J _sc pengurangan saat d meningkat dari 175 menjadi 280 nm. Namun, ketika d meningkat menjadi 373 nm, E _di memiliki sedikit efek pada pergeseran elektron dan lubang, tapi J _sc sebagian besar masih menurun, yang menunjukkan bahwa E _di juga bukan satu-satunya faktor yang mempengaruhi J _sc .

Kami menggunakan KPFM untuk mengkarakterisasi elektron yang dihasilkan foto dan potensial permukaan terkait konsentrasi lubang (SP) di Sb₂ S₃ /P3HT. Sampel untuk pengukuran KPFM disiapkan dengan cara menjatuhkan larutan prekursor P3HT ke bagian FTO/TiO₂ /Sb₂ S₃ permukaan film (Gbr. 8). Sebagai Sb₂ S₃ ketebalan meningkat dari 96 menjadi 373 nm, SP di atas Sb₂ S₃ secara bertahap menjadi lebih kecil, yang berarti tingkat Fermi di Sb₂ S₃ permukaan menjadi lebih rendah [28]. Ini menunjukkan bahwa elektron yang dapat berdifusi ke permukaan atas secara bertahap berkurang, menunjukkan bahwa ada daerah inferior untuk elektron yang dihasilkan foto di Sb yang lebih tebal₂ S₃ film seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Kami juga memeriksa SP bagian P3HT. Perubahan SP dari P3HT berbeda dengan Sb₂ S₃ . P3HT mungkin tereksitasi oleh cahaya untuk menghasilkan eksiton dan kemudian terpisah menjadi elektron dan hole [29, 30], ketika Sb₂ S₃ sangat tipis (< 200 nm). Saat Sb₂ S₃ menjadi lebih tebal, P3HT hanya bertindak sebagai lapisan transport lubang, karena sebagian besar foton diserap oleh Sb₂ S₃ (Gbr. 3). Oleh karena itu, ketika ketebalan Sb₂ S₃ kurang 280 nm, P3HT dapat tereksitasi, menghasilkan tingkat Fermi P3HT secara bertahap menurun saat Sb₂ S₃ ketebalan secara bertahap meningkat (penurunan photo-exciton). Dalam kasus 280 nm, SP dari P3HT turun dengan cepat, karena tidak ada photo-exciton dan P3HT bekerja hanya sebagai lapisan transport lubang untuk mengumpulkan lubang. Sebagai Sb₂ S₃ ketebalan meningkat menjadi 373 nm yang jauh lebih besar dari panjang transportasi lubang, koleksi lubang juga turun dengan cepat, menyebabkan tingkat Fermi di P3HT naik lagi. Apalagi perubahan SP di P3HT jauh lebih besar daripada di Sb₂ S₃ dalam kasus d = 373 nm, yang berarti bahwa pengumpulan lubang lebih buruk daripada pengumpulan elektron dan oleh karena itu mungkin akan menyebabkan penurunan yang jauh J _sc .

Ilustrasi pengukuran SP Sb₂ S₃ /P3HT antarmuka oleh KPFM

Selanjutnya, IMPS dan IMVS, sebagai metode fotoelektrokimia dinamis yang kuat dalam sel surya peka-pewarna [31] dan sel surya perovskit [32], telah diterapkan untuk mempelajari dinamika transportasi muatan dalam karya ini. IMPS/IMVS mengukur respons fotoarus/fotovoltase terhadap gangguan cahaya sinusoidal kecil yang ditumpangkan pada intensitas cahaya latar belakang dalam kondisi hubung singkat/sirkuit terbuka [31,32,33]. Respons IMPS atau IMVS yang diukur muncul di kuadran keempat bidang kompleks dengan bentuk setengah lingkaran yang terdistorsi (Gbr. 10a, b). Konstanta waktu τ ditentukan oleh frekuensi (f min) komponen imajiner terendah dari respons IMPS atau IMVS adalah evaluasi waktu transit τ _IMPS agar elektron mencapai elektroda koleksi dalam kondisi hubung singkat atau masa pakai elektron τ _IMVS terkait dengan rekombinasi muatan antarmuka dalam kondisi rangkaian terbuka. Menurut hubungan τ = (2πf ) ⁻¹ [31,32,33,34,35], τ _IMPS dan τ _IMVS di perangkat dihitung (Tabel 1). τ . yang meningkat _IMPS menunjukkan jalur transportasi muatan yang lebih panjang ke elektroda pengumpul, sedangkan τ . yang tidak berubah _IMVS menyimpulkan rekombinasi muatan antarmuka yang sama [33]. Efisiensi pengumpulan muatan antarmuka η _c tipikal dianggap sebagai η _c = 1-τ _IMPS /τ _IMVS [31,32,33,34,35]. Jelas, waktu transportasi yang lebih lama dari τ _IMPS dan masa pakai rekombinasi muatan antarmuka yang pendek dari τ _IMVS akan menyebabkan pengumpulan muatan yang lebih buruk dan sebaliknya. Dalam penelitian ini, τ _IMPS meningkat dengan Sb yang lebih tebal₂ S₃ sedangkan τ _IMVS tidak berubah. Oleh karena itu, efisiensi pengumpulan muatan antarmuka η _c berkurang dengan Sb yang lebih tebal₂ S₃ , dan perubahan J _sc dalam ketebalan yang berbeda dari Sb₂ S₃ sel surya seharusnya disebabkan oleh jalur transportasi dan efisiensi pengumpulan muatan, bukan oleh rekombinasi muatan.

Peningkatan Sb₂ S₃ ketebalan bisa menyerap lebih banyak foton yang dapat meningkatkan arus foto. Namun, dalam Sb yang lebih tebal₂ S₃ lapisan, sebagian besar elektron dan lubang dihasilkan di dekat TiO₂ sisi karena penyerapan foton eksponensial (Gbr. 10c); oleh karena itu, jalur transpor sebagian besar elektron hampir sama. Namun, sebagian besar lubang perlu disebarkan di jalur yang lebih panjang daripada elektron di Sb yang lebih tebal₂ S₃ lapisan, yang ditunjukkan oleh τ . yang lebih panjang _IMPS pada Gambar. 10d. Ketika ketebalan melebihi panjang difusi lubang, area inferior di Sb₂ S₃ untuk pembangkitan lubang dan transportasi yang tidak efisien akan mengurangi arus foto dan melemahkan J _sc dan EQE. Panjang difusi lubang di Sb₂ S₃ sekitar 180 nm [18]. Ketika ketebalan Sb₂ S₃ melebihi panjang difusi lubang, kinerja pengumpulan lubang berkurang yang juga ditanggapi oleh spektrum EQE (Gbr. 5b) karena koefisien penyerapan gelombang panjang jauh lebih rendah daripada gelombang pendek, menghasilkan kedalaman iluminasi yang lebih panjang untuk gelombang panjang ( Gbr. 9) [35]. Lubang yang dihasilkan foto dari pita panjang dapat mendistribusikan lebih seragam di Sb₂ S₃ daripada dari pita pendek (lubang yang dihasilkan foto dari pita pendek bisa mendekati TiO₂ samping), menghasilkan pengumpulan lubang yang lebih efisien dari pita panjang. Oleh karena itu, EQE pada bagian gelombang panjang tidak mengalami penurunan yang besar seperti pada bagian gelombang pendek dengan Sb₂ S₃ ketebalan 373 nm (Gbr. 5b).

Gambar KPFM dari Sb₂ S₃ dari 1 jam (a ), 1,5 j (b ), 2 h (c ), dan 3 h (d ) dan P3HT di Sb₂ S₃ dari 1 jam (e ), 1,5 j (f ), 2  jam (g ), dan 3 h (h ) di bawah penerangan cahaya putih dari kaca FTO, masing-masing. saya , j Distribusi SP yang sesuai dari Sb₂ S₃ dan P3HT

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10d, mudah dipahami bahwa τ . yang lebih kecil _IMPS disertai dengan Sb yang lebih tipis₂ S₃ (yaitu, jalur transportasi muatan yang lebih pendek); namun, τ _IMVS sebagian besar tetap sama ketika Sb₂ S₃ ketebalan meningkat dari 96 menjadi 373 nm dalam percobaan ini, yang berarti bahwa tidak ada ketergantungan langsung J _sc dan V _ok di τ _IMVS (yaitu, rekombinasi antarmuka) ketika Sb₂ S₃ perubahan ketebalan. Sudah diketahui bahwa V _ok dari TiO₂ /Sb₂ S₃ /P3HT sel surya biasanya ditentukan oleh perbedaan antara tingkat kuasi-Fermi elektron di TiO₂ dan lubang di P3HT [36]. Karena kumpulan lubang berkurang di P3HT ketika ketebalan Sb₂ S₃ lebih besar dari panjang difusi lubang, itu akan meningkatkan perbedaan antara tingkat kuasi-Fermi elektron dan lubang untuk V yang lebih rendah _ok . Selain itu, Sb yang lebih tebal₂ S₃ akan meningkatkan resistansi seri yang lebih tinggi dan efisiensi pengumpulan muatan yang lebih buruk; faktor-faktor yang tidak menguntungkan ini dapat menyebabkan FF yang lebih rendah pada Sb yang lebih tebal₂ S₃ perangkat.

a IMPS dan b Karakterisasi IMVS sel surya dengan CBD berbeda t untuk Sb₂ S₃ film. c Ilustrasi daerah difusi elektron dan lubang untuk penerangan panjang gelombang pendek dan panjang. d Ketergantungan τ _IMPS dan τ _IMVS di CBD t

Meskipun, efisiensi planar TiO₂ /Sb₂ S₃ Sel surya /P3HT n-i-p sangat rendah, dan bagaimana meningkatkan efisiensi perangkat lebih lanjut merupakan tantangan. Namun, hasil kami masih menunjukkan bahwa beberapa perbaikan lebih lanjut dapat dilakukan. Misalnya, meningkatkan medan listrik built-in dengan menggunakan beberapa lapisan transpor elektron atau lapisan transpor lubang yang berbeda dapat meningkatkan transportasi dan pengumpulan muatan. Selain itu, bagaimana meningkatkan kemampuan difusi lubang harus dipertimbangkan; mungkin beberapa aditif konduktif dapat membantu. Selain itu, insinyur antarmuka juga penting untuk meningkatkan transfer muatan dan disosiasi. Last but not least, metode yang diungkapkan dalam makalah ini mungkin menawarkan beberapa referensi bermanfaat untuk sel surya efisiensi tinggi lainnya (misalnya, sel surya organik, sel surya perovskit).