Properti Fotovoltaik yang Disempurnakan dalam Sel Surya Heterojungsi Planar Sb2S3 dengan Pendekatan Selenylasi Cepat

Hasil dan Diskusi

Skema seluruh prosedur fabrikasi perangkat ditunjukkan pada Gambar. 1a. Setiap sampel terdiri dari delapan sel dengan ukuran 4 mm ² area aktif yang diuji dalam kondisi yang sama. Tipikal J -V karakter tidak diobati, vakum-anil (A) dan selenized (S) Sb₂ S₃ ditunjukkan pada Gambar. 1b dan kinerjanya yang sesuai diringkas dalam Tabel 1. Sb yang tidak diobati₂ S₃ perangkat menunjukkan PCE rata-rata rendah < 0,01% dengan tegangan rangkaian terbuka (V _OC ) sebesar 0,31 V dan rapat arus pendek (J _SC ) sebesar 0,14 mA/cm ² _. Setelah langkah anil vakum 10 menit, peningkatan kecil diperoleh dengan J _SC = 0,66 mA/cm ² dan PCE = 0,08%. Sebaliknya, perangkat selenized menunjukkan peningkatan yang signifikan di kedua V _OC dan J _SC dibandingkan dengan perangkat yang tidak dirawat dengan J _SC = 7,80 mA/cm ² dan PCE = 1,57%. Performa perangkat terbaik dengan PCE maksimum = 2,20% dan J _SC = 9.04 mA/cm ² diperoleh ketika waktu selenisasi ditingkatkan menjadi 15 menit. Meningkatkan waktu selenisasi lebih dari 15 menit tidak membawa peningkatan performa lebih lanjut. Untuk waktu selenisasi 20 menit, rata-rata PCE menurun menjadi 0,61% karena degenerasi keduanya V _OC dan J _SC . Perpanjangan lebih lanjut dari waktu selenisasi lebih dari 30 menit menghasilkan hasil yang buruk. EQE perangkat dengan efek selenisasi ditunjukkan pada Gambar 1c, di mana terbukti bahwa respons spektral perangkat yang dirawat secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat yang tidak diobati. Tren ini sangat konsisten dengan J -V karakteristik perangkat. Perangkat yang diseleksi selama 15 mnt memiliki EQE tertinggi, yang menunjukkan respons spektral yang baik dalam rentang yang terlihat. Puncak EQE juga menunjukkan pergeseran merah bertahap, dan rentang respons spektral menjadi lebih lebar dengan meningkatnya waktu selenisasi. Untuk perangkat yang diseleksi selama 20 mnt, rentang EQE yang jauh lebih luas dari 350 hingga 400 nm diamati, yang dapat dikaitkan dengan perubahan komposisi di dekat p-n junction di atmosfer Se annealing.

Fabrikasi perangkat dan kinerja fotovoltaik. a Diagram skema pembuatan selenized Sb₂ S₃ perangkat fotovoltaik. b J -V karakteristik di bawah iluminasi. c EQE dari Sb₂ S₃ perangkat fotovoltaik dalam kondisi perlakuan yang berbeda

Analisis XRD digunakan untuk menentukan struktur kristal keseluruhan film di bawah perlakuan anil dan selenisasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, Sb₂ yang tidak diobati S₃ film menunjukkan puncak XRD yang lemah dan tidak jelas yang menunjukkan kristalinitas rendah, yang menjelaskan PCE yang buruk dengan J yang rendah _SC . Film vakum-anil dan selenisasi menunjukkan kristalinitas yang lebih baik dengan puncak difraksi yang dapat dibedakan, yang kira-kira cocok dengan Sb ortorombik₂ S₃ (JCPDS NO. 15-0861). Semua puncak difraksi film berselenisasi secara bertahap bergeser ke 2θ . yang lebih kecil sudut ketika waktu selenisasi meningkat. Dari puncak difraksi yang diperbesar (120) yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, 2θ nilai Sb₂ S₃ ditemukan menjadi 17,50 °, yang bergeser ke 16,95 ° setelah waktu selenisasi 15 menit. Pola difraksi cenderung sesuai dengan standar Sb₂ Se₃ Kartu PDF (JCPDS NO. 73-0393). Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa terjadi peningkatan konstanta kisi setelah selenisasi, di mana atom S yang lebih kecil (1,84 Å) sebagian digantikan oleh atom Se yang lebih besar (1,98 Å).

Karakterisasi struktur kristal Sb₂ S₃ (Se) film. a Pola XRD dari Sb₂ S₃ film di bawah berbagai kondisi perawatan. b Pembesaran (120) puncak XRD dari film yang sama seperti di a

Selenisasi lebih lanjut (20 menit) diamati membawa perubahan kecil pada (120) XRD dari 16,95° menjadi 16,90°. Kami menyimpulkan bahwa laju reaksi penggantian menurun dengan cepat dalam proses selenisasi. Film yang tidak diberi perlakuan menunjukkan permukaan bertekstur amorf, dan butiran berukuran kecil di permukaan menjadi lebih menonjol ketika film dianil vakum hingga 400 °C. Perlakuan selenisasi 15 menit menyebabkan pembentukan butiran besar berukuran mikron, menunjukkan selenisasi dapat secara efektif mendorong pertumbuhan butiran yang konsisten dengan hasil XRD. Permukaan kompak menghambat difusi penggantian Se, sehingga menurunkan laju reaksi dengan cepat. Film yang diselenisasi selama 20 menit menunjukkan butiran besar dengan tepi yang berbeda pada gambar SEM pada Gambar 3. Namun, beberapa tonjolan (elips merah pada Gambar 3d) dapat diamati pada permukaan yang bertanggung jawab atas kontak yang buruk antara penyerap dan lapisan penyangga. Oleh karena itu, perangkat selenized 20 menit menunjukkan J . yang buruk _SC dengan resistansi seri tinggi (R _s ) seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Selanjutnya, memperpanjang waktu selenisasi mengakibatkan tonjolan berkembang menjadi retakan dan menyebabkan hubungan arus pendek pada perangkat.

Gambar SEM tampilan atas Sb₂ S₃ film di bawah berbagai kondisi perawatan. a tidak diobati. b vakum anil. c Selenized selama 15 mnt. d Selenisasi selama 20 mnt

Untuk menyelidiki efek pengobatan pada Sb₂ S₃ tingkat energi, spektrum serapan dari 500 hingga 1100 nm diukur dengan spektroskopi UV-Vis. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, film yang dianil vakum dan diselenisasi menunjukkan peningkatan penyerapan optik. Profil absorbansi menunjukkan tepi serapan gelombang yang meningkat secara bertahap dan panjang dengan pergeseran merah terus menerus seiring bertambahnya waktu selenisasi. Hal ini menunjukkan bahwa proses selenisasi memperkecil celah energi. Sejak Sb₂ S₃ adalah semikonduktor celah pita langsung, celah pita (E _g ) dapat dihitung dengan rumus Tauc [27]:

Analisis tingkat energi Sb₂ S₃ (Se) sel surya. a Ultraviolet–tampak dekat spektroskopi transmisi inframerah (b ) variasi dari (αhv ) ² sebagai fungsi dari energi foton (hv ) dari Sb₂ S₃ film di bawah kondisi perlakuan yang berbeda. c Spektrum PL dari vakum disiapkan Sb₂ S₃ , Sb₂ S₃ (Se), dan Sb₂ Se₃ film. Spektrum UPS d Sb₂ Se₃ , e Sb₂ S₃ , dan f CDS. g Model distribusi komposisi dan h tingkat energi di sepanjang kedalaman vertikal selenized Sb₂ S₃ film. saya Gambar Sb yang diseleksi₂ S₃ contoh perangkat

dimana A adalah konstanta, h adalah konstanta Planck, dan ν adalah frekuensi foton datang. E _g ditentukan dari kecocokan linier (αhv ) ² versus (hv ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. E _g dari Sb yang tidak diobati₂ S₃ film adalah 2,03 eV yang menurun menjadi 1,60 eV setelah anil. E _g secara bertahap menurun menjadi 1,44 eV seiring waktu selenisasi meningkat menjadi 20 mnt. Untuk memverifikasi ini, spektrum fotoluminesensi (PL) film yang dieksitasi oleh laser 325 nm dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, puncak PL dari Sb₂ S₃ diamati pada 772 nm (1,61 eV) dengan pergeseran Stokes yang sangat kecil (0,01 eV), yang konsisten dengan celah pita optik. Menariknya, spektrum PL dari Sb₂ S₃ selenized selama 15 menit terbagi menjadi dua puncak, salah satunya terletak pada 765 nm (1,62 eV) dan yang lainnya terletak pada 948 nm (1,31 eV). Puncak PL 765-nm sangat dekat dengan Sb₂ S₃ puncak (772 nm), menyiratkan bahwa komposisi jauh di dalam Sb₂ S₃ film hampir tidak berubah setelah 15 menit selenisasi. Untuk mempelajari tingkat energi serta sifat transportasi pembawa perangkat fotovoltaik, analisis UPS Sb₂ Se₃ , Sb₂ S₃ , dan CdS dilakukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c–f. Pita konduksi tingkat energi minimum (E _C ) dan pita valensi maksimum (E _V ) ditentukan seperti tercantum dalam Tabel 2. Sesuai dengan hasil XRD dan PL, model difusi pengganti diusulkan, di mana sebagian besar S di permukaan digantikan oleh Se sementara komposisi di dekat persimpangan pn tetap sebagai Sb₂ S₃ (Gbr. 4g). Tingkat energi dapat direpresentasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4h. Sekelompok Sb selenized₂ S₃ perangkat ditunjukkan pada Gambar. 4i. Dibandingkan dengan Sb anil vakum₂ S₃ Perangkat /CdS, perangkat selenized memiliki medan listrik built-in yang memuaskan di p-n junction karena E yang menguntungkan _g dari Sb₂ S₃ (1,61 eV) yang memberikan V . yang lebih tinggi _OC daripada Sb₂ Se₃ (E _g = 1.2 eV) [28, 29]. Karena distribusi gradien komposisi, selenized Sb₂ S₃ menunjukkan E . terus menerus _v bervariasi dari 5.37 hingga 5.08 eV dan penghalang yang lebih rendah untuk transpor pembawa positif yang difotogenerasi dari sekitar persimpangan p-n ke anoda. Oleh karena itu, peningkatan yang cukup besar dari J _SC direalisasikan, menghasilkan PCE yang lebih tinggi.

Untuk memvalidasi efek selenisasi pada perilaku elektronik di perangkat fotovoltaik, pengukuran impedansi elektrokimia dilakukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 bersama dengan simulasi. Untuk perangkat heterojunction planar, kurva pengujian mematuhi profil setengah lingkaran. Model rangkaian ekuivalen seri elemen fase-konstan resistansi (R-CPE) diterapkan untuk mensimulasikan hasil pengujian [30,31,32]. Resistansi seri R ₁ mewakili semua faktor yang mempengaruhi transpor pembawa fotogenerasi ke elektroda, terutama resistansi transpor pembawa film dan elektroda fotovoltaik. Dalam studi ini, efek antarmuka pada resistansi antara Au dan penyerap dapat diabaikan karena kontak ohmik, dan perbedaan utama muncul karena penyerap diperlakukan dalam kondisi yang berbeda. Oleh karena itu, R ₁ Nilai ini hanya berhubungan dengan transport pembawa positif dari absorber ke elektroda Au. Pasangan shunt R ₂ dan CPE1 dikaitkan dengan antarmuka antara penyerap dan lapisan penyangga CdS. CPE dapat didefinisikan oleh kapasitansi (CPE-T) dan konstanta non-homogenitas (CPE-P). Semua parameter yang dihitung dari plot yang dipasang tercantum dalam Tabel 3. Tidak ada perbedaan nyata CPE-T antara sampel yang diuji, dan nilainya berada dalam kisaran 0,94–0,96, yang menunjukkan bahwa semua perangkat dapat diperlakukan sebagai kapasitor ideal dengan kapasitor ideal antarmuka. Besarnya R ₁ diamati sebagian besar tergantung pada kondisi pengobatan. Untuk perangkat yang tidak dirawat, R ₁ = 519.8 × 10 ⁻³  cm ² , yang turun menjadi 10.0 × 10 ⁻³  cm ² setelah proses vakum annealing. Untuk perangkat yang diseleksi selama 15 mnt, minimum R ₁ dari 0,4 × 10 ⁻³  cm ² ditentukan. Penurunan R ₁ menunjukkan anil vakum atau selenisasi memfasilitasi transportasi muatan dari penyerap ke lapisan penyangga. Untuk perangkat yang diseleksi selama 15 mnt, R ₁ meningkat menjadi 815,5 × 10 ⁻³  cm ² dengan CPE-T lebih rendah dari 0,84 10 ⁻⁷ F cm ⁻² . Degradasi kemungkinan disebabkan oleh kontak antarmuka yang buruk antara penyerap yang menonjol dan lapisan penyangga CdS.

Spektrum impedansi Sb₂ S₃ di bawah berbagai kondisi perawatan yang diukur dalam gelap, sisipan yang menunjukkan diagram penyempitan keseluruhan dan rangkaian ekivalen