Grafiskt abstrakt. Kredit:Tokyo Tech
Perovskite solceller har varit föremål för mycket forskning som nästa generation av solceller. Det återstår dock många utmaningar att övervinna för den praktiska tillämpningen. En av dem rör håltransportskiktet (halvledare av p-typ) i solceller som för hål som genereras av ljus till elektroden.
I konventionella organiska transporthalvledare av p-typ är håldopningsmedel kemiskt reaktiva och bryter ner den solcellsanordningen. Oorganiska halvledare av p-typ, som är kemiskt stabila, är lovande alternativ, men tillverkning av konventionella oorganiska halvledare av p-typ kräver högtemperaturbehandling. I detta avseende har man önskat de oorganiska halvledare av p-typ som kan tillverkas vid låga temperaturer och har utmärkt håltransportförmåga.
Oorganisk p-typ kopparjodid (CuI) halvledare är en ledande kandidat för sådana håltransportmaterial i fotovoltaiska apparater. I detta material ger infödda defekter upphov till laddningsobalans och gratis laddningsbärare. Det totala antalet defekter är dock i allmänhet för lågt för tillfredsställande enhetsprestanda.
Att lägga till föroreningar med acceptor- (positivt laddade) eller donator- (negativt laddade) egenskaper, känd som "orenhetsdopning", är guldstandardmetoden för att stärka transportegenskaperna hos halvledare och enhetens prestanda. I konventionella metoder har joner med lägre valens än de ingående atomerna använts som sådana föroreningar. I Cu(I)-baserade halvledare finns det dock ingen jon med en valens som är lägre än den för envärda kopparjoner (nollvalens), och därför har en dopning av p-typ i kopparföreningar inte fastställts.
För att föreslå en ny bärardopningsdesign för dopning av p-typ i CuI, fokuserade forskare från Japan och USA nyligen på den alkaliska föroreningseffekten, som empiriskt har använts för håldopning i envärda kopparhalvledare, kopparoxid (Cu2 O) och Cu(In,Ga)Se2 .
I ett nytt tillvägagångssätt som beskrivs i en studie publicerad i Journal of the American Chemical Society , teamet, ledd av Dr. Kosuke Matsuzaki från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, demonstrerade experimentellt att dopning av p-typ med alkalijonföroreningar, som har samma valens som koppar men större, kan förbättra ledningsförmågan i Cu (I)-baserade halvledare. De teoretiska analyserna visar att de komplexa defekterna, som är sammansatta av alkalijonföroreningar och vakanser av kopparjoner, är ett ursprung för hålbildning (konduktivitet av p-typ).
Medan alkalimetallföroreningar är kända för att öka bärarkoncentrationen i kopparoxid, förblev den underliggande mekanismen ett mysterium för forskare, tills nu. Denna mekanism har nu klarlagts, som Dr Matsuzaki förklarar, "Med hjälp av en kombination av experimentella studier och teoretisk analys lyckades vi avslöja effekten av de alkaliska föroreningarna i Cu(I)-baserade halvledare. Alkalimetallens Na-förorening interagerar med angränsande Cu-joner i Cu2 O för att bilda defekta komplex. Komplexen leder i sin tur till att vara en källa till hål."
När en förorening läggs till kristallstrukturen, trycker elektrostatisk Coulomb-repulsion mellan föroreningen och angränsande Cu-joner Cu-atomerna från deras positioner i strukturen och leder till bildandet av flera kopparvakanser av acceptortyp. Detta ökar i sin tur den totala bärarkoncentrationen av p-typ och följaktligen konduktiviteten av p-typ. "Våra simuleringar visar att det är avgörande att föroreningen är något större för att lediga utrymmen i kristallgittret ska framkalla elektrostatisk repulsion. För mindre alkaliska föroreningar, till exempel litium, faller föroreningsjonerna in i de interstitiella platserna och deformerar inte kristallen tillräckligt. gitter", utarbetar Dr. Matsuzaki.
Baserat på dopningsmekanismen av p-typ för att bilda Cu-vakansdefektkomplex av acceptortyp, undersökte teamet större alkaliska joner, såsom kalium, rubidium och cesium (Cs), som acceptorföroreningar i γ-CuI. Bland dem kan Cs-jonerna binda ännu fler Cu-vakanser, vilket leder till ännu större koncentration av stabila laddningsbärare (10 13 —10 19 cm -3 ) både i enkristaller och tunna filmer framställda från lösningen.
"Detta tyder på att metoden kan användas för att finjustera bärarkoncentrationer under lågtemperaturbearbetning för specifika applikationer och enheter. Detta skulle möjliggöra ett helt nytt spektrum av applikationer för dessa p-typmaterial", avslutar Matsuzaki.
Faktum är att utvecklingen kan bli ett stort steg framåt för koppar(I)-baserade halvledare, och kan snart leda till deras praktiska tillämpningar i solceller och optoelektroniska enheter. + Utforska vidare
