science >> Wetenschap >  >> Fysica

Oplossen van ruimtelijke en energetische verdelingen van valtoestanden in perovskiet-zonnecellen met metaalhalogenide

DLCP-techniek. (A) Schematische voorstelling van bandbuiging van een p-type halfgeleider met diepe traptoestanden in een n+ -p-overgang. X geeft de afstand aan vanaf de junctiebarrière waar de vallen hun ladingstoestanden dynamisch kunnen veranderen met de ac-bias dV. dX geeft de differentiële verandering van X met betrekking tot dV aan. Ew is de demarcatie-energie bepaald door Ew =kTln(w0/w) (waarbij k de constante van Boltzmann is). EG, EV, en EF geven de rand van de geleidingsband aan, valentiebandrand, en Fermi-niveau, respectievelijk. (B) Afhankelijkheid van de dragerdichtheid van de profileringsafstand van een Si-zonnecel bij verschillende AC-frequenties gemeten door DLCP. De inzet toont het schema van de apparaatstructuur. (C) Schematische voorstelling van de synthese van een bulk MAPbI3 eenkristal in een open-air-oplossing. (D) Schematische voorstelling van de synthese van een dubbellaags MAPbI3 dun enkelkristal met behulp van de in de ruimte beperkte groeimethode. (E) Afhankelijkheid van de dichtheid van de val op de profileringsafstand van een MAPbI3-enkelkristal gemeten door DLCP. De inzet toont de apparaatstructuur. (F) Afhankelijkheid van de valdichtheid van de profileringsafstand van een dubbellaags MAPbI3 dun enkelkristal. De inzet toont het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van het dubbellaagse MAPbI3-dunne eenkristal. De diktes van de bovenste en onderste enkele kristallen waren 18 en 35 mm, respectievelijk. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aba0893

In een nieuw rapport gepubliceerd op Wetenschap , Zhenyi Ni en een onderzoeksteam in toegepaste natuurwetenschappen, mechanische en materiaaltechniek en computer- en energietechniek in de VS geprofileerde ruimtelijke en energetische verdelingen van valtoestanden of defecten in monokristallijne polykristallijne zonnecellen van metaalhalogenideperovskiet. De onderzoekers schreven de fotovoltaïsche prestaties van metaalhalogenideperovskieten (MHP's) toe aan hun hoge optische absorptiecoëfficiënt, vervoerder mobiliteit, lange ladingsdiffusielengte en kleine Urbach-energie (wat staat voor wanorde in het systeem). Theoretische studies hebben de mogelijkheid aangetoond van het vormen van diepe ladingsvallen aan het materiaaloppervlak vanwege de lage vormingsenergie, structurele defecten en korrelgrenzen van perovskieten om de ontwikkeling van passiveringstechnieken (verlies van chemische reactiviteit) in perovskiet-zonnecellen te begeleiden. Laadvaltoestanden spelen een belangrijke rol tijdens de afbraak van perovskiet-zonnecellen en andere apparaten. Het begrijpen van de verdeling van traptoestanden in hun ruimte en energie kan de impact van ladingsvallen (defecten) op ladingstransport in perovskietmaterialen en apparaten verduidelijken voor hun optimale prestaties.

Wetenschappers hebben op grote schaal thermische toelatingsspectroscopie (TAS) en thermisch gestimuleerde stroom (TSC) methoden gebruikt om de energieafhankelijke trapdichtheid van toestanden (tDOS) in perovskiet-zonnecellen te meten. De methoden kunnen over het algemeen een valdiepte van ongeveer 0,55 eV bereiken - diep genoeg om efficiënte zonnecellen te maken. Om diepere valtoestanden te detecteren die bestaan ​​in perovskieten met een brede bandafstand, onderzoekers hebben technieken gebruikt zoals oppervlakte-fotospanningsspectroscopie en sub-band gap-fotostroom. Echter, de meeste technieken kunnen niet worden toegepast op reeds voltooide zonne-apparaten om de ruimtelijke verdeling van trap-toestanden te meten. In dit werk, Ni et al. demonstreerde de drive-level capacitance profiling-methode (DLCP) - een alternatieve op capaciteit gebaseerde techniek om goed gekarakteriseerde ruimtelijke distributies van carrier- en trap-dichtheden in perovskieten te bieden. De wetenschappers brachten de ruimtelijke en energetische verdeling van valtoestanden in perovskiet-eenkristallen en polykristallijne dunne films in kaart voor een eenvoudige vergelijking.

Variatie van de junctiecapaciteit met de amplitude van de AC-voorspanningen voor een Si-zonnecel. Variatie van de junctiecapaciteit (C) van een Si-zonnecel met betrekking tot de amplitude van de AC-bias (δV) onder verschillende DC-biases gemeten bij AC-frequenties van (a) 1 kHz en (b) 100 kHz. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aba0893

Het team ontwikkelde de DLCP-methode (drive-level capacitance profiling) om de ruimtelijke verdeling van defecten in de band gap van amorfe en polykristallijne halfgeleiders zoals amorf silicium te bestuderen. De methode zou de dragerdichtheid direct kunnen bepalen om zowel de dichtheid van de vrije drager als de valdichtheid binnen de bandafstand van halfgeleiders te omvatten, evenals hun verdeling in ruimte en energie. Ze schatten de valdichtheid door de geschatte vrije dragerdichtheid, gemeten bij hoge wisselstroomfrequenties (ac) af te trekken van de totale dragerdichtheid gemeten bij lage wisselstroomfrequentie. Dankzij de techniek kon het team de energetische verdeling van valtoestanden afleiden. Om de nauwkeurigheid van de dragerdichtheid gemeten met de DLCP-methode te valideren, de wetenschappers voerden DLCP-metingen uit op een siliciumzonnecel vervaardigd op een p-type kristallijne Si (p-Si) wafer met een n-type diffusielaag Si (n + ) bovenop. De meting was consistent met de doteerstofconcentratie van de p-Si-wafer die werd verkregen uit de geleidbaarheidsmeting om de nauwkeurigheid van de dragerdichtheid gemeten met DLCP te valideren.

Om de drager- en trapdichtheden te profileren met behulp van DLCP, de onderzoekers onderzochten over een apparaat van de ene elektrode naar de tegenelektrode om de locatie van kruispunten in planair gestructureerde perovskiet-zonnecellen te begrijpen. Het team voerde verschillende experimenten uit en merkte op dat perovskietcellen doorgaans een n + -P-overgang tussen apparaatcomponenten. Om de profieldiepte te bepalen die overeenkomt met de fysieke materiaaldiepte, Ni et al. bouwde een apparaat met een dubbellaags methylammoniumloodjodide (MAPbI 3 ) dunne kristallen om de ladingsvallen te lokaliseren. Toen ze de valdichtheid van het geconstrueerde apparaat profileerden, ze bereikten een piek in de valdichtheid op een profileringsafstand van 18 µm.

Ruimtelijke verdelingen van traptoestanden in een MAPbI3 dun eenkristal. (A) Afhankelijkheid van de dragerdichtheid van de profileringsafstand van een 39 mm dik MAPbI3 dun eenkristal bij verschillende AC-frequenties, zoals gemeten door DLCP. (B) Afhankelijkheid van de trapdichtheid van de profileringsafstand van een MAPbI3 dun eenkristal gemeten bij een wisselstroomfrequentie van 10 kHz. De draaggolfdichtheid gemeten bij 500 kHz wordt beschouwd als vrije draaggolf. (C) Schema's van een MAPbI3 dun eenkristal op een PTAA/ITO-substraat vóór mechanisch polijsten, na mechanisch polijsten, en na behandeling met oxyzout [(C8–NH3)2SO4]. (D) Trapdichtheid nabij de junctiebarrière van een MAPbI3-dun eenkristal vóór mechanisch polijsten, na mechanisch polijsten, en na oxyzoutbehandeling. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aba0893

Het team bestudeerde vervolgens de valverdeling in perovskiet-eenkristal-zonnecellen en observeerde de hoogste stroomconversie-efficiëntie (PCE) van de eerste gerapporteerde MAPbI 3 eenkristal zonnecel slechts 17,9 procent; veel lager dan die van polykristallijne zonnecellen. Ze waren niet op de hoogte van het onderliggende mechanisme dat de diffusie van dragers in dunne kristallen beperkte en voerden DLCP-metingen uit om de relatie tussen valdichtheid en valverdelingen te onderzoeken met behulp van synthetische kristalmethoden. Het team observeerde de ruimtelijke verdeling van dragerdichtheden in een typische MAPbI 3 dun eenkristal, die ze synthetiseerden met behulp van een in de ruimte beperkte groeimethode op verschillende frequenties, en merkte toenemende dragerdichtheid op met afnemende wisselstroomfrequentie, wat wijst op het bestaan ​​van ladingsvallen in de MAPbI 3 dun eenkristal.

Dikte-afhankelijke valdichtheidsverdelingen in dunne eenkristallen MAPbI3. (A) Afhankelijkheid van de valdichtheden van de profileringsafstanden van MAPbI3 dunne eenkristallen met verschillende kristaldiktes gemeten bij een wisselstroomfrequentie van 10 kHz. De locatie van de MAPbI3/C60-interface voor elk kristal is ter vergelijking uitgelijnd. De zwarte gestippelde pijl geeft de trend aan van de verandering van de minimale valdichtheid NT min in MAPbI3-enkele kristallen met verschillende diktes. (B) Afhankelijkheid van de NT min in de MAPbI3 dunne eenkristal op de kristaldikte. De horizontale stippellijn geeft de NT min-waarde aan in een bulk MAPbI3-eenkristal. De inzet toont een schema van de laminaire stroming van de voorloperoplossing tussen twee PTAA/ITO-glazen tijdens de groei van het kristal. De pijlen geven de richting van de laminaire stroming van de voorloperoplossing aan, en de lengte van de pijl geeft de laminaire stroomsnelheid aan. (C) tDOS van een MAPbI3 dun eenkristal, zoals gemeten met de TAS-methode. De dikte van het dunne eenkristal van MAPbI3 was 39 mm. (D) Ruimtelijke en energiekartering van de dichtheden van valtoestanden in het dunne eenkristal van MAPbI3, zoals gemeten door DLCP. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aba0893

Om de oorsprong van diepe valdichtheid op het perovskiet-interface te begrijpen, het team gebruikte transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en onderzocht perovskietmonsters van verschillende samenstellingen. Ze vergeleken valdichtheidsverdelingen tussen perovskiet-eenkristallen en polykristallijne dunne films met verschillende samenstellingen. De valdichtheidsverdelingen voor dunne eenkristallen waren enkele ordes van grootte lager dan die in polykristallijne dunne films. De resultaten toonden het belang aan van adequate oppervlaktemodificatieprocessen om de valdichtheden in perovskiet-eenkristallen op het grensvlak van polykristallijne dunne films te verminderen om de prestaties van het apparaat te verbeteren. De resultaten wijzen in de richting van een belangrijke richting om de prestaties van perovskiet-zonnecellen en andere elektronische apparaten te verbeteren door de valdichtheid op het grensvlak te verminderen.

Ruimtelijke en energetische verdelingen van valtoestanden in dunne films van perovskiet. (A) J-V-curve van de Cs0.05FA0.70MA0.25PbI3 dunne-film zonnecellen. De inzet toont de apparaatstructuur. (B) Afhankelijkheid van de valdichtheid van de profileringsafstand voor de perovskiet-dunne film in de zonnecel gemeten bij een AC-frequentie van 10 kHz. (C) tDOS van de perovskiet dunne-film zonnecel, zoals gemeten met de TAS-methode. (D) Ruimtelijke en energiekartering van de dichtheden van valtoestanden van de perovskiet-dunne film in de zonnecel, zoals gemeten door DLCP. (E) Dwarsdoorsnede HR-TEM-beeld van de stapel perovskiet en PTAA. De gestippelde vierkanten markeren de gebieden waar de snelle Fourier-transformaties van de roosters werden uitgevoerd, met witte en gele zone-assen van [1 −1 −1] en [2 1 0], respectievelijk. De rode lijnen geven de oriëntatie van de facetten aan. (F) Fast Fourier-transformaties van de gebieden aangegeven in (E). (G) Gemeten en gesimuleerde J-V-curven van planair gestructureerde zonnecellen op basis van MAPbI3 polykristallijne dunne films. De dunne-film (single crystal) bulk- en interface-valdichtheden werden aangenomen voor de simulaties. (H) Afhankelijkheid van de PCE van de MAPbI3 dunne-film zonnecel op de bulk- en interface-valdichtheden. De stippellijnen geven de contourlijnen van bepaalde PCE-waarden aan, die worden opgemerkt. Krediet:Wetenschap, doi:10.1126/science.aba0893

Op deze manier, Zhenyi Ni en collega's gebruikten de zonnecelcapaciteitssimulator om de dunne-film en monokristallijne perovskiet-zonnecellen met variërende valdichtheden te simuleren. Het bereik van vallen gemeten met DLCP-metingen was diep genoeg om het gedrag van zonnecellen te voorspellen en de bulk-trapdichtheid van materialen te verminderen en de stroomconversie-efficiëntie (PCE) tot 20 procent te verhogen. Door de dichtheid van de interface-val te verminderen, ze verhoogden de PCE-waarden dichter bij de PCE die werd waargenomen voor een valvrije dunne-filmzonnecel. De gesimuleerde gegevens voor monokristallijne zonnecellen kwamen goed overeen met experimenten, waaruit blijkt dat de PCE van de eenkristal-zonnecel verder kan worden verbeterd op de apparaatinterface om meer zonlicht te oogsten.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Door geplande experimenten online te volgen, kunnen manieren worden gevonden om dierproeven te verbeteren
  2. Ongebreidelde consumptie van nijlpaardentanden in combinatie met onvolledige handelsrecords brengen bedreigde nijlpaarden in gevaar
  3. Nieuwe vliegsoort in Central Park krijgt bijnaam CCNY-professoren
  4. Wat zijn de leefgebieden van de zes koninkrijken?
  5. Maleisië redt 140 schubdieren van vermoedelijke smokkelaars
  6. Tijgers klampen zich vast aan overleving in steeds meer gefragmenteerde bossen op Sumatras
  7. Kluizenaar of niet? Wetenschappers gebruiken Twitter om spidervragen aan te pakken
  8. Leef snel, sterf jong:signaaldetectietheorie bijwerken
  9. Hoe zijn cellen, weefsels en organen verwant?

Wetenschap