DLCP -teknik. (A) Schematisk bandböjning av en halvledare av p -typ med djupa fälla -tillstånd i en n+ -p -korsning. X betecknar avståndet från korsningsbarriären där fällorna kan dynamiskt ändra sina laddningstillstånd med ac -förspänningen dV. dX betecknar differentialförändringen av X med avseende på dV. Ew är den gränsdragningsenergi som bestäms av Ew =kTln (w0/w) (där k är Boltzmanns konstant). EG, EV, och EF indikerar ledningsbandets kant, valensbandets kant, och Fermi -nivå, respektive. (B) Beroende av bärartätheten på profilavståndet för en Si -solcell vid olika AC -frekvenser mätt med DLCP. Insatsen visar schemat över enhetens struktur. (C) Schematisk bild av syntesen av en bulk MAPbI3-kristall i en friluftslösning. (D) Schematisk över syntesen av en dubbelskiktad MAPbI3 tunn enkelkristall med användning av den rymdbegränsade tillväxtmetoden. (E) Fälltäthets beroende av profilavståndet för en MAPbI3 -enkristall mätt med DLCP. Insatsen visar enhetens struktur. (F) Beroende av fälltätheten på profilavståndet för en dubbelskiktad MAPbI3 tunn enkelkristall. Insatsen visar tvärsnitts-SEM-bilden av den dubbla lager MAPbI3 tunn enkelkristall. Tjocklekarna på de övre och nedre enkristallerna var 18 och 35 mm, respektive. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aba0893
I en ny rapport publicerad den Vetenskap , Zhenyi Ni och ett forskargrupp inom tillämpad fysik, mekanisk och materialteknik och dator- och energiteknik i USA profilerade rumsliga och energiska fördelningar av fälltillstånd eller defekter i metallhalogenidperovskit enkristallina polykristallina solceller. Forskarna krediterade den fotovoltaiska prestandan för metallhalogenidperovskiter (MHP) till deras höga optiska absorptionskoefficient, transportörens rörlighet, lång laddningsdiffusionslängd och liten Urbach-energi (representerar störning i systemet). Teoretiska studier har visat möjligheten att bilda djupa laddningsfällor vid materialytan på grund av låg formationsenergi, strukturella defekter och korngränser för perovskiter för att styra utvecklingen av passiveringstekniker (förlust av kemisk reaktivitet) i perovskitesolceller. Tillstånd för laddningsfällor spelar en viktig roll under nedbrytningen av perovskit -solceller och andra enheter. Att förstå fördelningen av fälltillstånd i deras utrymme och energi kan klargöra effekterna av laddningsfällor (defekter) på laddtransport i perovskitmaterial och -anordningar för deras optimala prestanda.
Forskare har i stor utsträckning använt termisk tillträdespektroskopi (TAS) och termiskt stimulerad ström (TSC) för att mäta den energiberoende fälltätheten av tillstånd (tDOS) i perovskitesolceller. Metoderna kan i allmänhet nå ett fällldjup som är ungefär 0,55 eV - tillräckligt djupt för att göra effektiva solceller. För att upptäcka djupare fälltillstånd som finns inom bredbandiga perovskiter, forskare har använt tekniker som ytfotovoltspektroskopi och fotbandstransformering för subband. Dock, de flesta tekniker kan inte tillämpas på redan färdiga solapparater för att mäta den rumsliga fördelningen av fälla-tillstånd. I det här arbetet, Ni et al. demonstrerade metoden för kapacitansprofilering på drivnivå (DLCP)-en alternativ kapacitansbaserad teknik för att ge väl karakteriserade rumsliga fördelningar av bärare och fälltätheter i perovskiter. Forskarna kartlade den rumsliga och energiska fördelningen av fälla-tillstånd i perovskit-enkristaller och polykristallina tunna filmer för enkel jämförelse.
Variation av förbindningskapacitansen med amplituden hos AC -förspänningarna för en Si -solcell. Variation av förbindningskapacitansen (C) för en Si -solcell med avseende på amplituden för AC -förspänningarna (δV) under olika DC -förspänningar mätt vid AC -frekvenser på (a) 1 kHz och (b) 100 kHz. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aba0893
Teamet utvecklade DLCP-metoden (drive-level capacitance profilering) för att studera den rumsliga fördelningen av defekter i bandgapet mellan amorfa och polykristallina halvledare som amorft kisel. Metoden kan direkt bestämma bärartätheten för att inkludera både fri bärartäthet och fälltäthet inom halvledarnas bandgap såväl som deras fördelning i rymden och energin. De uppskattade fälltätheten genom att subtrahera den uppskattade fria bärartätheten mätt vid höga växelström (ac) -frekvenser från den totala bärartätheten mätt vid låg AC -frekvens. Tekniken gjorde det möjligt för laget att härleda den energiska fördelningen av fälltillstånd. För att validera noggrannheten hos bärartätheten mätt med DLCP -metoden, forskarna utförde DLCP-mätningar på en kiselsolcell tillverkad på ett kristallint Si (p-Si) -skiva av p-typ med ett diffusionsskikt av n-typ Si (n + ) överst. Mätningen överensstämde med dopningskoncentrationen av p-Si-skivan erhållen från konduktivitetsmätningen för att validera noggrannheten hos bärartätheten mätt med DLCP.
För att profilera bäraren och fångstätheten med DLCP, forskarna undersökte över en enhet från en elektrod till motelektrod för att förstå platsen för korsningar i planstrukturerade perovskitsolceller. Teamet genomförde flera experiment och observerade att perovskitceller normalt upprätthöll ett n + -P -korsning mellan enhetens beståndsdelar. För att bestämma profildjupet som motsvarar det fysiska materialdjupet, Ni et al. konstruerat en anordning som innehåller ett dubbelskikt metylammoniumleadjodid (MAPbI 3 ) tunna kristaller för att lokalisera laddningsfällorna. När de profilerade fälltätheten för den konstruerade enheten, de erhöll en topp i fälltätheten vid ett profilavstånd av 18 µm.
Rumsliga fördelningar av fälltillstånd i en tunn MAPbI3 -kristall. (A) Beroende av bärartätheten på profilavståndet för en 39 mm tjock MAPbI3 tunn enkelkristall vid olika växelströmsfrekvenser, mätt med DLCP. (B) Fälltäthetens beroende av profilavståndet för en MAPbI3 tunn enkelkristall mätt vid en frekvens av 10 kHz. Bärartätheten mätt vid 500 kHz betraktas som fria bärare. (C) scheman av en tunn MAPbI3 -kristall på ett PTAA/ITO -underlag före mekanisk polering, efter mekanisk polering, och efter behandling med oxysalt [(C8 – NH3) 2SO4]. (D) Fälltäthet nära korsningsbarriären för en MAPbI3 tunn enkristall före mekanisk polering, efter mekanisk polering, och efter oxysaltbehandling. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aba0893
Teamet studerade sedan fällans fördelning i perovskite enkristalliga solceller och observerade den högsta effektomvandlingseffektiviteten (PCE) för den första rapporterade MAPbI 3 enkristalliga solceller till endast 17,9 procent; mycket lägre än för polykristallina solceller. De var omedvetna om den bakomliggande mekanismen som begränsade bärardiffusionen i tunna kristaller och genomförde DLCP-mätningar för att undersöka förhållandet mellan fälltäthet och fällafördelningar med hjälp av syntetiska kristallmetoder. Teamet observerade den rumsliga fördelningen av bärartätheten genom en typisk MAPbI 3 tunn enkristall, som de syntetiserade med en rymdbegränsad tillväxtmetod vid olika frekvenser, och noterade ökande bärartäthet med minskande växelfrekvens, som indikerar förekomsten av laddningsfällor i MAPbI 3 tunn enkristall.
Tjockleksberoende fälltäthetsfördelningar i MAPbI3 tunna enkla kristaller. (A) Beroende av fälltätheten på profilavstånden för MAPbI3 -tunna enkla kristaller med olika kristalltjocklekar uppmätta vid en frekvens av 10 kHz. Platsen för MAPbI3/C60 -gränssnittet för varje kristall justeras för jämförelse. Den svarta streckade pilen indikerar trenden med förändringen av minimal fälltäthet NT min i MAPbI3 -enkristaller med olika tjocklekar. (B) beroende av NT min i MAPbI3 tunn enkel kristall på kristall tjocklek. Den horisontella streckade linjen indikerar NT min -värdet i en bulk MAPbI3 -kristall. Insatsen visar en schematisk bild av det laminära flödet av föregångarlösningen mellan två PTAA/ITO -glasögon under kristallens tillväxt. Pilarna anger riktningen för det laminära flödet av föregångarlösningen, och pilens längd anger den laminära flödeshastigheten. (C) tDOS för en MAPbI3 tunn enkristall, mätt med TAS -metoden. Tjockleken på den MAPbI3 tunna enkristallen var 39 mm. (D) Rumslig och energikartläggning av tätheten i fälltillstånd i den tunna enkristallen MAPbI3, mätt med DLCP. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aba0893
För att förstå ursprunget till djupfällningstäthet vid perovskitgränssnittet, laget använde högupplöst transmissionselektronmikroskopi och undersökte perovskitprover av olika kompositioner. De jämförde fälltäthetsfördelningar mellan perovskit -enkristaller och polykristallina tunna filmer med varierande kompositioner. Fångstäthetsfördelningarna för tunna enkla kristaller var flera storleksordningar lägre än i polykristallina tunna filmer. Resultaten visade vikten av adekvata ytmodifieringsprocesser för att minska fälltätheten i perovskit -enkristaller vid gränssnittet mellan polykristallina tunna filmer för att förbättra enhetens prestanda. Resultaten pekar mot en viktig riktning för att öka prestandan för perovskitsolceller och andra elektroniska enheter genom att minska fälltätheten vid gränssnittet.
Rymliga och energiska fördelningar av fälltillstånd i perovskit tunna filmer. (A) J-V-kurvan för Cs0.05FA0.70MA0.25PbI3 tunnfilms solceller. Insatsen visar enhetens struktur. (B) Fälltäthetens beroende av profilavståndet för den perovskitiska tunna filmen i solcellen uppmätt vid en frekvens av 10 kHz. (C) tDOS för perovskit tunnfilms solcell, mätt med TAS -metoden. (D) Rumslig och energikartläggning av tätheten av fälltillstånd för perovskit tunn film i solcellen, mätt med DLCP. (E) Tvärsnitts HR-TEM-bild av stapeln perovskit och PTAA. De streckade rutorna markerar områdena där de snabba Fourier -transformeringarna av gallren utfördes, med vita och gula indikerande zonaxlar för [1 −1 −1] och [2 1 0], respektive. De röda linjerna anger fasetternas orientering. (F) Snabba Fourier -transformationer av de områden som anges i (E). (G) Uppmätta och simulerade JV-kurvor för planstrukturerade solceller baserade på MAPbI3 polykristallina tunna filmer. Tunnfilms (enkristall) bulk- och gränssnittsfångstätheten antogs för simuleringarna. (H) Beroende av PCE för MAPbI3 tunnfilms solceller på bulk- och gränssnittsfångstätheten. De streckade linjerna anger konturlinjerna för vissa PCE -värden, som noteras. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aba0893
På det här sättet, Zhenyi Ni och kollegor använde solcellskapacitanssimulatorn för att simulera tunnfilms- och enkristalliga perovskitsolceller med varierande fälltäthet. Utbudet av fällor mätt med DLCP -mätningar var tillräckligt djupt för att förutsäga beteendet hos solceller och minska massfällningstätheten för material och öka effektomvandlingseffektiviteten (PCE) upp till 20 procent. Genom att minska gränssnittsfångstätheten, de ökade PCE-värdena närmare PCE som observerats för en fällfri tunnfilmsolcell. Data som simulerades för enkristalliga solceller stämde väl överens med experiment, visar att PCE för enkristalliga solceller kan förbättras ytterligare vid enhetsgränssnittet för att skörda mer solljus.
© 2020 Science X Network
