Tipis SnO₂ Elektrodeposisi pada FTO: Lapisan Transport Elektron Skalabel untuk Sel Surya Perovskit Planar Tinggi Efisiensi

Abstrak

Kami mendemonstrasikan bahwa tipis SnO₂ elektrodeposisi pada oksida timah doping fluorin (FTO) dapat berfungsi sebagai lapisan transportasi elektron (ETL) yang efektif dalam sel surya perovskit heterojungsi planar (PSC). Dengan menyesalikan hati-hati tegangan yang diterapkan, suhu bak, dan waktu depoersi, kami mengontrol morfologi dan ketebalan tipis SnO₂, yang pada gilirannya mengatur kinerja fotovoltaik. Perlakuan hidrolisis TiCl₄ yang sederhana lebih lanjut mengoptimalkan ekstraksi muatan dan menekan rekombinasi, meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) dari 10,8 % menjadi 15,0 %. Karya ini menawarkan rute hemat biaya dan dapat diskalakan untuk fabrikasi ETL berkualitas tinggi yang kompatibel dengan produksi PSC roll-to-roll.

Latar Belakang

Selama enam tahun terakhir, sel surya perovskit halogen organometalik telah melebihi teknologi fotovoltaik konvensional dalam efisiensi, mencapai >25 % PCE sambil mempertahankan biaya manufaktur yang rendah. Serapan optik yang luar biasa, transportasi muatan ambidextr, dan panjang difusi pembawa yang panjang menjadikannya menarik untuk modul surya generasi mendatang. Namun, lapisan perovskit tetap rentan terhadap kelembaban, panas, dan paparan UV. Strategi seperti mengintegrasikan kation formamidinium atau anorganik (Cs⁺, Rb⁺) ke dalam jaringan perovskit telah memperpanjang stabilitas perangkat, namun daya tahan keseluruhan juga bergantung pada arsitektur perangkat (n-i-p vs. p-i-n) dan pilihan material transportasi elektron.

TiO₂ lama menjadi pilihan ETL untuk PSC n-i-p karena bandgap yang lebar dan persiapan band yang sesuai. Namun, fotokimia yang diinduksi UV dan konduktivitas yang relatif rendah dapat memperkenalkan histeresis dan membatasi kinerja jangka panjang. Laporan terbaru menunjukkan bahwa doping Li atau passivasi permukaan dapat mengatasi masalah ini, namun modifikasi semacam itu menambah kompleksitas proses fabrikasi.

Oksida tim (SnO₂) muncul sebagai alternatif ETL yang menarik. Dengan bandgap sekitar 3,6 eV, konduktivitas intrik yang lebih tinggi, dan stabilitas kimia yang unggul dibandingkan TiO₂, SnO₂ menawarkan potensi untuk ekstraksi muatan yang ditingkatkan dan histeresis yang dikurangi. Meskipun SnO₂ dapat ditinggalkan melalui sol-gel, microwave, ALD, atau metode elektrokimia, elektrodeposisi menonjol karena kesederhanaannya, biaya rendah, dan skalabilitas, menjadikannya ideal untuk manufaktur PSC roll-to-roll.

Metode

Persiapan Tipis SnO₂

Elektrodeposisi dilakukan menggunakan teknik kronovoltametri (CV) pada sel tiga elektroda standar. Larutan elektrolit 0,05 M SnCl₂·2H₂O (dengan 1 mL HNO₃) dalam air deionisasi digunakan. Setelah diaduk selama 1 jam pada 60 °c, larutan dihembuskan dengan nitrogen selama 10 menit sebelum depoersi. Substrat FTO berfungsi sebagai elektroda kerja, plat Pt sebagai elektroda lawan, dan Ag/AgCl sebagai referensi (1 M KCl). Pasca-depoersi, tipis dianneal pada 400 °c selama 30 menit di udara untuk mengonversi Sn menjadi SnO₂.

Fabrikasi Perangkat

Substrat SnO₂/FTO digunakan dalam arsitektur PSC n-i-p. Prekursor PbI₂/PbCl₂ (1 M, rasio molar 1:1) di-spin-coat pada 5.000 rpm selama 30 detik, kemudian ditreati dengan metilamonium iodida (40 mg/mL) dan dianneal pada 105 °c selama 75 menit untuk membentuk MAPbI₃₋ₓClₓ. Material transportasi lubang (HTM) yang terdiri dari 20 mg/mL poli[bis(4-fenyl)(2,4,6-trimetilfenil)amina] (EM-Index) dengan aditif Li-bis(trifluorometanosulfonil)imid dan ter-butilpiridin di-spin-coat pada 3.000 rpm selama 30 detik. Akhirnya, kontak emas dipanaskan termal. Untuk perangkat yang ditreati TiCl₄, tipis SnO₂ elektrodeposisi direndam dalam 40 mM TiCl₄ pada 70 °c selama 30 menit, kemudian dikeringkan pada 150 °c.

Karakterisasi

Perilaku elektrokimia diukur dengan voltametri siklis (50 mV/s). Analisis struktural menggunakan difraksi X-ray (Cu Kα). Morfologi permukaan diperiksa dengan mikroskopi elektron pemindai emisi lapangan (FE-SEM). Kinerja fotovoltaik (kurva J–V) diukur di bawah iluminasi 100 mW/cm² AM 1.5G dengan luas aktif 0,098 cm². Efisiensi kuantum eksternal (EQE) direkam menggunakan lampuksenon yang didorong oleh monokromator. Fotoluminesensi stabil (PL) dan spektroskopi voltase modulasi intensitas (IMVS) memberikan wawasan tentang dinamika muatan dan waktu hayat rekombinasi.

Hasil dan Pembahasan

Skena CV larutan SnCl₂ mengungkapkan awal arus katodik pada −0,5 V, yang mengarahkan pemilihan −0,7 V sebagai potensi depoersi optimal. Citra SEM pada berbagai potensi mengonfirmasi bahwa −0,7 V menghasilkan nanobola SnO₂–Sn seragam, sedangkan potensi yang lebih negatif menghasilkan depoersi yang tidak teratur dan teragregasi.

Optimasi waktu depoersi (150–210 detik) menunjukkan bahwa 180 detik memberikan keseimbangan terbaik antara cakupan permukaan dan kepadatan partikel, yang mengarah pada PCE 10,0 %. Densitas arus pendek (J_sc) meningkat dengan waktu depoersi hingga 180 detik tetapi turun pada 210 detik karena agregasi berlebihan dan resistansi seri yang meningkat.

Studi suhu bak menunjukkan bahwa bak depoersi 60 °c menghasilkan tipis SnO₂ yang paling halus dan konformal, menghasilkan efisiensi tertinggi (10,5 % tanpa TiCl₄). Suhu yang lebih tinggi (70 °c) meningkatkan ketebalan tipis, mengurangi transparansi dan menghambat transportasi muatan, seperti yang ditunjukkan oleh pemisahan puncak-ke-puncak yang lebih besar dalam pengukuran redoks CV.

Perlakuan hidrolisis TiCl₄ secara signifikan meningkatkan kinerja perangkat: J_sc meningkat dari 18,12 ke 18,65 mA/cm², faktor isi naik dari 57,3 % menjadi 79,1 %, dan PCE membaik dari 10,83 % menjadi 14,97 % (peningkatan 38 %). Spektra EQE mengonfirmasi efisiensi kuantum eksternal yang lebih tinggi di seluruh rentang spektral, sementara penurunan PL stabil dan waktu hayat rekombinasi yang lebih lama (1,17×) menunjukkan injeksi elektron yang lebih efisien dan rekombinasi yang dikurangi pada antarmuka ETL/perovskit.

Kesimpulan

Kami telah mendirikan protokol elektrodeposisi yang dapat diskalakan untuk menghasilkan ETL SnO₂ pada FTO yang memberikan sel surya perovskit planar berkinerja tinggi. Dengan menyesalikan hati-hati tegangan, waktu, dan suhu bak depoersi, dan dengan menerapkan perlakuan permukaan TiCl₄ yang sederhana, kami mencapai peningkatan PCE 42 %, menunjukkan kelayakan rute fabrikasi hemat biaya dan kompatibel roll-to-roll ini.

Singkatan

ALD

Depoorsi lapisan atom

CV

Voltametri siklis

ED

Depoorsi elektrokimia

EQE

Efisiensi kuantum eksternal

ETL

Lapisan transportasi elektron

FF

Faktor isi

FTO

Oksida timah doping fluorin

HTM

Material transportasi lubang

IMVS

Spektroskopi voltase modulasi intensitas

PCE

Efisiensi konversi daya

PL

Fotoluminesensi

PSC

Sel surya perovskit

RT

Suhu ruangan

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

XPS

Spektroskopi fotoelektron X-ray

XRD

Difraksi X-ray