Insights sobre as propriedades fotovoltaicas do sulfeto de índio como um material de transporte de elétrons em células solares de perovskita

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9076 (2023) Cite este artigo

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De acordo com relatórios recentes, as células solares de perovskita organometálicas (OPSCs) baseadas em estrutura planar alcançaram notável eficiência de conversão de energia (PCE), tornando-as muito competitivas com os fotovoltaicos de silício mais tradicionais. Uma compreensão completa dos OPSCs e suas partes individuais ainda é necessária para aprimoramento adicional no PCE. Neste trabalho, OPSCs de heterojunção planares baseados em sulfeto de índio (In2S3) foram propostos e simulados com o programa SCAPS (a Solar Cell Capacitance Simulator)-1D. Inicialmente, o desempenho do OPSC foi calibrado com a arquitetura fabricada experimentalmente (FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au) para avaliar os parâmetros ótimos de cada camada. Os cálculos numéricos mostraram uma dependência significativa do PCE na espessura e densidade de defeitos do material absorvedor MAPbI3. Os resultados mostraram que à medida que a espessura da camada de perovskita aumentava, o PCE melhorava gradualmente, mas subseqüentemente atingiu um máximo em espessuras superiores a 500 nm. Além disso, parâmetros envolvendo a resistência em série, bem como a resistência em shunt, foram reconhecidos como afetando o desempenho do OPSC. Mais importante ainda, um PCE campeão de mais de 20% foi produzido nas condições de simulação otimistas. No geral, o OPSC teve melhor desempenho entre 20 e 30 °C, e sua eficiência diminui rapidamente acima dessa temperatura.

The scientific community has shown a great deal of interest in researching perovskite solar cells (OPSCs), which are mainly comprised of organic–inorganic metal halide compounds and are used to produce high-efficiency and inexpensive photovoltaic (PV) technologies1,2,3. These semiconductors have a number of important characteristics, including high charge carrier mobility, long carrier diffusion length, adjustable bandgaps, and a high absorption coefficient4,5,6,7. Due to such exceptional properties, photoconversion efficiency (PCE) values spiked substantially, from 3.8% in 2009 to over 25% in 20218, 25% conversion efficiency. Joule 5, 1033–1035 (2021)." href="#ref-CR9" id="ref-link-section-d8458561e671_1"> 9,10,11. Em ordem, um OPSC tem um eletrodo frontal, um material de transporte de elétrons (ETM), uma camada de coleta de luz, um material de transporte de furos (HTM) e um eletrodo traseiro. O material coletor de um OPSC gera portadores de carga quando exposto à luz solar12,13,14,15. Esses fotoportadores são entregues aos eletrodos apropriados por ETMs e HTMs. A relevância dos materiais de transporte de carga é crucial para todo o desempenho fotovoltaico dos OPSCs, além do papel da camada de perovskita. Por exemplo, o dióxido de titânio (TiO2), um ETM comum, não é adequado para a fabricação de grandes dispositivos, pois exige uma temperatura operacional superior a 400 °C. O uso de TiO2 em OPSCs de alta eficiência é ainda mais limitado pela baixa mobilidade de elétrons (µe) do material e instabilidade UV16,17,18. Isso destaca a necessidade de procurar uma camada de ETM candidata com propriedades apropriadas, como alto µe, boa condutividade elétrica (σ) e fabricação em baixa temperatura.

PSCs planares compactos baseados em ETM têm um layout simplificado e são mais fáceis de fabricar. TiO2 e ZnO têm sido amplamente utilizados como ETMs para nip planar OPSCs19,20,21,22,23. No entanto, OPSCs planares baseadas em TiO2 e ZnO compactados geralmente exibem baixa estabilidade devido à mobilidade limitada dos materiais, alinhamento do nível de energia compensado com perovskitas e armadilhas de defeitos na superfície24,25,26,27,28. Como resultado, é importante fornecer componentes ETM de ponta para OPSCs. O sulfeto de índio (In2S3) é um semicondutor do tipo n com excelente mobilidade de portador, atoxicidade, bandgap adequado, propriedades elétricas ajustáveis ​​e boa durabilidade térmica29,30, todos ideais para utilização como ETM em células solares31,32. Ajustando o período de deposição do banho químico para 2 h, Hou et al. foram capazes de construir uma matriz de nanoflakes In2S3 como ETMs para CH3NH3PbI3 OPSCs, alcançando um desempenho de 18,22%. No entanto, a estabilidade a longo prazo do In2S3-OPSC não foi examinada neste trabalho30. Um ano depois, Xu et al. preparou folhas In2S3 como ETMs para dispositivos CH3NH3PbI3 usando uma abordagem solvente-térmica por 2 h e alcançou uma eficiência de 18,83%33. Posteriormente, Yang et al. fez mais esforços para usar o filme In2S3 e desenvolveu uma técnica de deposição assistida por spray como ETM para CsPbIBr2 OPSCs semitransparentes. Os dispositivos otimizados obtiveram um desempenho de 5,59% com melhor estabilidade ambiental34. Enquanto isso, até onde sabemos, nenhum estudo teórico relevante para a adoção do In2S3 como ETM em células solares de perovskita foi relatado.