Peningkatan Efisiensi Signifikan pada Sel Surya Heterosambungan Datar Sb₂S₃ melalui Selenilasi Cepat

Abstrak

Ketidakstabilan termal Sb₂S₃ dalam vakum membatasi penapisan film kristal berkualitas tinggi, yang pada gilirannya menghambat performa fotovoltaik. Kami menerapkan perlakuan pasca-selenilasi waktu pendek untuk meningkatkan properti optoelektronik sel surya heterosambungan datar Sb₂S₃. Langkah selenilasi 15 menit meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) dari sekitar 0,01 % menjadi 2,20 %, disertai peningkatan sepuluh kali lipat pada arus pendek (J_SC) dan peningkatan yang signifikan pada tegangan open-circuit (V_OC). Analisis struktural, morfologis, komposisi, dan level energi menunjukkan bahwa selenilasi meningkatkan kristalinitas, memperkenalkan gradien yang menguntungkan dalam perpaduan gap energi, dan memfasilitasi transportasi muatan dari penyerap ke lapisan buffer.

Latar Belakang

Sel surya tipis anorganik telah menarik minat signifikan karena biaya rendah, sifat ringan, dan stabilitas lingkungan yang lebih baik dibandingkan dengan kontraktor perovskit dan organik [1], [2]. Teknologi CuInGaSe₂ (CIGS) dan CdTe telah mencapai efisiensi masing-masing 21,7 % dan 19,6 % [6], [7]. Bahan Cu₂ZnSnSₓSe₄₋ₓ (CZTSSe) yang melimpah di bumi telah mencapai 12,6 % melalui pemrosesan larutan berbasis hidrazin, tetapi menderita tantangan kontrol fase dan toksisitas hidrazin [10], [11], [12], [13]. Sulfida antimoni (Sb₂S₃) menawarkan gap energi rendah hingga sedang (1,1–1,7 eV) yang dapat disesuaikan dengan penggantian Se, toksisitas rendah, dan bahan baku yang melimpah [14], [15]. Meskipun heterosambungan sensibilisasi Sb₂S₃ telah mencapai 7,5 % PCE, mereka bergantung pada komponen organik kompleks [19]. Di sisi lain, heterosambungan datar mendapatkan manfaat dari arsitektur perangkat yang lebih sederhana dan antarmuka yang lebih halus.

Penapisan vakum konvensional Sb₂S₃ menderita stabilitas termal rendah dan tekanan uap tinggi, yang mengakibatkan drift komposisi dan oksidasi permukaan [25]. Pemrosesan termal cepat (RTP) sebelumnya telah memungkinkan PCE hingga 4,17 % melalui pengendalian evaporasi dan penganalingan yang hati-hati [23]. Namun, RTP memerlukan suhu tinggi yang dapat merusak substrat fleksibel. Pendekatan kami menggunakan evaporasi termal suhu rendah (~175 °c) diikuti oleh langkah selenilasi RTP singkat, memberikan jalur yang dapat diskalakan untuk perangkat Sb₂S₃ berperforma tinggi.

Metode / Eksperimen

Perangkat menggunakan arsitektur superstrat: FTO (SnO₂:F)/CdS (90 nm)/Sb₂S₃/Sb₂S₃(Se)/Au (60 nm). Kaca FTO (Pilkington, Toledo, Amerika Serikat) dengan resistensi permukaan 7 Ω/□ berfungsi sebagai elektroda pengumpan elektron. CdS ditapkan dengan deposition mandi kimia [26]. Film Sb₂S₃ ditapkan termal dari serbuk Aladdin 99,9 % di bawah <5 × 10⁻⁴ Pa pada 175 °c, kemudian didinginkan secara alami. Perlakuan pasca menggunakan furnace RTP dua zona pada 10³ Pa dalam N₂: serbuk Sb pada 350 °c (zona suhu rendah) dan sampel pada 400 °c (zona suhu tinggi). Setelah selenilasi, 60 nm Au ditapkan dengan sputtering magnetron DC.

Performa perangkat diukur di bawah iluminasi xenon AM 1.5 (100 W cm⁻²) (Newport 94043A) menggunakan source meter Keithley 2400. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) dicatat dengan sistem Beijing SOFN 7-SCSpecIII. Analisis struktural menggunakan XRD (Bruker D8), penyerapan optik diukur dengan UV-Vis (Agilent Cary 5000), dan level energi dieksplorasi dengan UPS (Thermo ESCALAB 250Xi). Morfologi permukaan diperiksa dengan SEM (FEI Helios Nanolab 600i). Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) di bawah bias open-circuit mengevaluasi karakteristik transportasi muatan.

Hasil dan Pembahasan

Alur kerja pembuatan diilustrasikan pada Gambar 1a. Setiap sampel berisi delapan sel (luas aktif 4 mm²). Perangkat yang tidak ditangani menampilkan PCE yang bisa diabaikan (<0,01 %) dengan V_OC = 0,31 V dan J_SC = 0,14 mA cm⁻². Penganalingan vakum 10 menit secara modest meningkatkan J_SC menjadi 0,66 mA cm⁻² (PCE = 0,08 %). Di sisi lain, selenisasi secara dramatis meningkatkan performa: perlakuan 15 menit menghasilkan J_SC = 9,04 mA cm⁻² dan PCE = 2,20 %. Memperpanjang selenilasi lebih dari 15 menit merusak keduanya V_OC dan J_SC, dengan perjalanan 20 menit mengurangi PCE menjadi 0,61 %. Spektra EQE (Gambar 1c) mengonfirmasi respons spektral yang lebih baik pada perangkat yang diselenisasi 15 menit, dengan perlebaran jendela respons dan pergeseran merah puncak EQE.

Pola XRD (Gambar 2a) menunjukkan bahwa film Sb₂S₃ yang tidak ditangani sebagian besar amorf. Penganalingan vakum dan selenisasi mempertajam puncak Sb₂S₃ ortombik (JCPDS 15-0861). Puncak (120) bergeser dari 17,50° (seperti ditapkan) menjadi 16,95° setelah selenilasi 15 menit, sesuai dengan PDF Sb₂Se₃ (JCPDS 73-0393). Pergeseran menunjukkan penyerapan atom Se yang lebih besar (1,98 Å) menggantikan S (1,84 Å), memperluas jaringan. Gambar SEM (Gambar 3) mengungkapkan pertumbuhan butir dari skala sub-mikron ke mikron dengan selenisasi, tetapi perlakuan 20 menit memperkenalkan bengkak dan retakan permukaan yang mengganggu kontak antarmuka dan meningkatkan resistansi seri.

Penyerapan optik (Gambar 4a) meningkat dengan penganalingan dan selenisasi, dengan tepi penyerapan bergeser merah, yang mengindikasikan gap energi yang berkurang. Analisis Tauc memberikan E_g = 2,03 eV (seperti ditapkan), menurun menjadi 1,60 eV setelah penganalingan vakum, dan lebih lanjut menjadi 1,44 eV setelah selenilasi 20 menit. Spektra luminescensi foto (PL) (Gambar 4c) mendukung tren ini: film yang diselenisasi 15 menit menunjukkan PL dua puncak (1,62 eV dan 1,31 eV), yang mengindikasikan gradien komposisi di mana inti tetap Sb₂S₃ sementara permukaan sebagian dikonversi menjadi Sb₂Se₃. Pengukuran UPS (Gambar 4d-f) mengonfirmasi perpaduan gap energi yang menguntungkan Sb₂S₃/Sb₂S₃(Se)/Sb₂Se₃ dengan CdS, mengurangi hambatan transportasi lubang dan meningkatkan V_OC dan J_SC.

Data EIS (Gambar 5) cocok dengan rangkaian ekivalen R-CPE. Resistansi seri (R₁) menurun dari 519,8 × 10⁻³ Ω cm² (tidak ditangani) menjadi 0,4 × 10⁻³ Ω cm² (diselenisasi 15 menit), mengindikasikan transportasi muatan yang unggul. Resistansi bypass (R₂) dan kapasitansi (CPE-T) tetap relatif tidak berubah di seluruh sampel, yang mengindikasikan bahwa kualitas antarmuka sebagian besar terpelihara hingga selenilasi berlebihan menyebabkan bengkak.

Kesimpulan

Selenilasi cepat pada 350 °c (Se) dan 400 °c (Sb₂S₃) selama 15 menit secara signifikan meningkatkan sel surya heterosambungan datar Sb₂S₃ dengan meningkatkan kristalinitas, menciptakan gradien gap energi yang bermanfaat, dan mengurangi hambatan transportasi pembawa muatan. Selenilasi berlebihan (>15 menit) menyebabkan defek permukaan yang merusak antarmuka penyerap-buffer, mengurangi hasil dan performa perangkat. Metode ini menawarkan jalur suhu rendah yang dapat diskalakan untuk perangkat Sb₂S₃ berdaya tinggi, dengan potensi untuk aplikasi fotovoltaik fleksibel.