Aperçu des propriétés photovoltaïques du sulfure d'indium en tant que matériau de transport d'électrons dans les cellules solaires à pérovskite | Groupe des technologies VisionEdge de Pékin

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9076 (2023) Citer cet article

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Selon des rapports récents, les cellules solaires à base de pérovskite organométallique à structure planaire (OPSC) ont atteint une efficacité de conversion de puissance (PCE) remarquable, ce qui les rend très compétitives avec les photovoltaïques au silicium plus traditionnels. Une compréhension complète des OPSC et de leurs parties individuelles est encore nécessaire pour une amélioration supplémentaire de la PCE. Dans ce travail, des OPSC planaires à hétérojonction à base de sulfure d'indium (In2S3) ont été proposés et simulés avec le programme SCAPS (a Solar Cell Capacitance Simulator)-1D. Initialement, les performances de l'OPSC ont été calibrées avec l'architecture fabriquée expérimentalement (FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au) pour évaluer les paramètres optimaux de chaque couche. Les calculs numériques ont montré une dépendance significative du PCE sur l'épaisseur et la densité de défauts du matériau absorbant MAPbI3. Les résultats ont montré qu'à mesure que l'épaisseur de la couche de pérovskite augmentait, le PCE s'améliorait progressivement mais atteignait ensuite un maximum à des épaisseurs supérieures à 500 nm. De plus, les paramètres impliquant la résistance série ainsi que la résistance shunt ont été reconnus comme affectant les performances de l'OPSC. Plus important encore, un PCE champion de plus de 20 % a été obtenu dans les conditions de simulation optimistes. Globalement, l'OPSC est plus performant entre 20 et 30 °C, et son efficacité diminue rapidement au-dessus de cette température.

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. Dans l'ordre, un OPSC a une électrode avant, un matériau de transport d'électrons (ETM), une couche de collecte de lumière, un matériau de transport de trous (HTM) et une électrode arrière. Le matériau de récolte d'un OPSC génère des porteurs de charge lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil12,13,14,15. Ces photoporteurs sont délivrés aux électrodes appropriées par les ETM et les HTM. La pertinence des matériaux de transport de charge est cruciale pour l'ensemble des performances PV des OPSC, en plus du rôle de la couche de pérovskite. Par exemple, le dioxyde de titane (TiO2), un ETM commun, n'est pas adapté à la fabrication de gros appareils car il exige une température de fonctionnement de plus de 400 °C. L'utilisation de TiO2 dans les OPSC à haut rendement est en outre limitée par la faible mobilité électronique (µe) et l'instabilité UV du matériau16,17,18. Cela met en évidence la nécessité de rechercher une couche ETM candidate avec des propriétés appropriées, telles qu'un µe élevé, une bonne conductivité électrique (σ) et une fabrication à basse température.

Les PSC planaires compacts basés sur ETM ont une disposition simplifiée et sont plus faciles à fabriquer. TiO2 et ZnO ont été largement utilisés comme ETM pour les OPSC à pincement planaire19,20,21,22,23. Néanmoins, les OPSC planaires à base de TiO2 et de ZnO compactés présentent souvent une faible stabilité en raison de la mobilité limitée des porteurs des matériaux, de l'alignement du niveau d'énergie décalé avec les pérovskites et des pièges à défauts à la surface24,25,26,27,28. Par conséquent, il est important de fournir des composants ETM de pointe pour les OPSC. Le sulfure d'indium (In2S3) est un semi-conducteur de type n avec une excellente mobilité des porteurs, une non-toxicité, une bande interdite adéquate, des propriétés électriques ajustables et une bonne durabilité thermique29,30, qui sont tous idéaux pour une utilisation en tant qu'ETM dans les cellules solaires31,32. En ajustant la période de dépôt du bain chimique à 2 h, Hou et al. ont pu construire un réseau de nanoflakes In2S3 comme ETM pour les OPSC CH3NH3PbI3, atteignant une performance de 18,22 %. Cependant, la stabilité à long terme de In2S3-OPSC n'a pas été examinée dans ce travail30. Un an plus tard, Xu et al. ont préparé des feuilles In2S3 comme ETM pour les dispositifs CH3NH3PbI3 en utilisant une approche solvant-thermique pendant 2 h et ont atteint une efficacité de 18,83 %33. Par la suite, Yang et al. a fait des efforts supplémentaires pour utiliser le film In2S3 et a développé une technique de dépôt assisté par pulvérisation en tant qu'ETM pour les OPSC CsPbIBr2 semi-transparents. Les appareils optimisés ont obtenu une performance de 5,59% avec une stabilité ambiante améliorée34. Pendant ce temps, pour autant que nous puissions en juger, aucune étude théorique pertinente à l'adoption d'In2S3 comme ETM dans les cellules solaires à pérovskite n'a été rapportée.

Dans ce travail, la toute première architecture planaire de pincement conventionnelle des OPSC utilisant In2S3 comme matériau de transport d'électrons a été simulée et optimisée. Pour vérifier nos données, nous avons recréé les résultats d'un OPSC robuste et stable à 18,83 % publié expérimentalement (FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au)33. Pour améliorer l'efficacité de l'OPSC témoin, la variation d'épaisseur de la pérovskite (tp) a été étudiée plus avant. Parallèlement à la variation d'épaisseur, les effets de la densité de défauts (NT), de la résistance série (Rs), de la résistance shunt (Rsh) et de la température de fonctionnement sur les performances de l'OPSC ont été étudiés. Nos recherches peuvent offrir des conseils clés pour la conception et l'optimisation d'OPSC sur la base de principes théoriques.

La modélisation numérique des dispositifs nous permet de comprendre la dynamique des cellules solaires sans avoir besoin d'une fabrication réelle. Il fournit également un aperçu de haut niveau des fonctionnalités de l'appareil. Le SCAPS unidimensionnel (version 3.3.07) a été utilisé dans cette étude de simulation. En 2000, des chercheurs de l'Université de Gand en Belgique ont créé ce programme open-source, téléchargeable à tout moment35. Le logiciel SCAPS aide à la modélisation de structures PV planes et graduées jusqu'à sept composants, avec la fonctionnalité supplémentaire de calcul du graphique d'alignement de bande, du comportement courant-tension (J-V), de l'efficacité quantique (QE), des courants de recombinaison et de génération et d'autres caractéristiques PV essentielles. SCAPS-1D s'appuie principalement sur la formule de Poisson bien établie et les lois de continuité pour les électrons et les trous pour effectuer ses calculs36,37,38,39. SCAPS est un logiciel très puissant pour réaliser des cellules solaires et une description du programme et des algorithmes qu'il utilise se trouve dans la littérature40,41 et dans son manuel d'utilisation42.

où q est la charge, V est le potentiel, p(x) est la concentration de trous libres, n(x) est la concentration d'électrons libres, ε est la permittivité diélectrique, \({N}_{D}^{+}\left(x\right)\) est la densité du donneur, \({N}_{A}^{-}\left(x\right)\) est la densité de l'accepteur, pt(x) est la concentration du piège à trous, nt(x) est la concentration du piège d'un électron, J n est la densité de courant d'un électron, Jp est la densité de courant d'un trou, Gn est le taux de génération d'électrons, Gp est le taux de génération de trous, Rn est le taux de recombinaison des électrons, Rp est le taux de recombinaison des trous.

Ici, nous avons simulé une architecture PV de pincement typique avec CH3NH3PbI3 perovskite comme film photoactif, In2S3 compact comme ETM et film organique Spiro-OMeTAD comme HTM, avec du SnO2 contenant du fluor (FTO) et de l'or (Au) comme électrodes avant et arrière, respectivement. Sur la figure 1a, nous avons un schéma graphique de l'assemblage du dispositif FTO/In2S3/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au. Les tableaux 1 et 2 résument les paramètres fondamentaux de l'appareil de plusieurs matériaux utilisés dans cette analyse qui ont été acquis à partir de la littérature théorique et expérimentale. Les fonctions de travail pour les électrodes avant et arrière étaient respectivement de 4,4 eV et 5,2 eV. Le logiciel SCAPS a calculé le spectre d'absorption de chaque couche en fonction des mérites optiques des matériaux et de la géométrie du dispositif.

(a) Structure de cellule solaire utilisée dans la simulation. (b) Diagramme d'alignement des bandes de l'OPSC proposé. (c) Une comparaison de représentation entre les paramètres expérimentaux et modélisés de notre contrôle OPSC33.

Les défauts ont été utilisés à 0,6 eV au-dessus de la bande de valence avec une énergie particulière de 0,1 eV, en tenant compte de la distribution d'énergie gaussienne et de la section efficace de capture des porteurs de 10 à 15 cm2. Le coefficient de recombinaison radiative de la pérovskite était de 2,3 × 10–9 cm3/s, ce qui a été pris en considération. L'analyse de modélisation a ajouté des imperfections aux interfaces HTM/perovskite et perovskite/ETM d'environ 1010 cm−2. Le spectre AM 1,5 G conventionnel et une température de 300 K ont été utilisés pour les calculs.

La figure 1b affiche le diagramme de structure de bande pour la disposition OPSC de pincement suggérée. À l'interface de la bande de conduction de In2S3 et CH3NH3PbI3, il existe une barrière de potentiel de 0,12 eV, qui est une barrière bénéfique pour un meilleur transport des électrons de la pérovskite à l'ETM, alors qu'à la jonction de la bande de valence de la pérovskite et du HTM, les trous doivent faire face à une grande barrière de 0,13 eV. Le tracé J – V de l'architecture cellulaire suggérée a été analysé après que les paramètres de couche appropriés et les conditions de fonctionnement ont été déterminés (comme indiqué dans cette section). La figure 1c affiche le graphique J – V calculé et ses paramètres de sortie initiaux. Nous avons atteint un rendement de conversion de puissance (PCE) de 19,71 %, ce qui est proche du PCE de 18,83 % qui a été publié expérimentalement33. Un léger décalage entre les résultats expérimentaux et calculés est que dans la présente recherche, les couches FTO et Au ont été utilisées comme électrodes avant et arrière, où l'épaisseur des contacts avant et arrière ne peut pas être modifiée. Dans la recherche expérimentale, cependant, ils ont été utilisés sous forme de couches avec des épaisseurs appropriées.

Cet article ne contient aucune étude avec des participants humains ou des animaux réalisée par les auteurs. Nous respectons les normes éthiques. Nous donnons notre accord pour participer.

L'augmentation de l'efficacité du dispositif dépend fortement de l'épaisseur de la couche absorbante. Néanmoins, l'utilisation d'une couche photoactive très épaisse conduit à un faible taux d'extraction des porteurs de charges et à des pertes importantes dues à la recombinaison des charges ; trouver le bon équilibre entre ces deux variations est crucial. Par conséquent, l'optimisation de l'épaisseur absorbant la lumière devient essentielle pour déterminer la production de photoporteurs et la réponse spectrale dans le photovoltaïque47. Les graphiques J – V obtenus sont illustrés à la Fig. 2a, avec des variations d'épaisseur de pérovskite allant de 0, 3 à 1, 1 µm, tandis que la Fig. 2b – e montre les variations des paramètres JSC, VOC, FF et PCE. Selon la figure 2, une augmentation de l'épaisseur de la pérovskite entraîne une augmentation du JSC et une réduction du COV. La tendance à la hausse des valeurs JSC est le résultat d'une production accrue de photoporteurs. Un film mince de pérovskite entraîne des taux d'absorption de photons à grande longueur d'onde inférieurs, ce qui entraîne une formation moindre de photoporteurs et de moins bonnes valeurs JSC48. De plus, la mauvaise recombinaison due à la pérovskite fine crée un COV élevé. L'augmentation de l'épaisseur de la pérovskite absorbante augmente également la capacité de la couche à absorber la lumière avec des longueurs d'onde plus longues. En conséquence, davantage de porteurs de charge sont produits, ce qui entraîne une augmentation de la valeur du JSC49. Cependant, avec une absorbance plus élevée, le taux de recombinaison des photoporteurs augmente également puisque les photoporteurs doivent parcourir une distance plus longue avant d'approcher les électrodes correspondantes. L'augmentation de l'épaisseur de la pérovskite augmente le Rs, ce qui entraîne une diminution du FF. L'amélioration de l'efficacité est attribuable à l'augmentation constante de JSC. Nos calculs suggèrent que la valeur idéale pour l'épaisseur de la pérovskite devrait être de 0,7 µm pour les performances les plus élevées de l'OPSC à cation unique à base de MAPbI3. Par conséquent, l'optimisation de l'épaisseur de la couche de pérovskite est cruciale pour obtenir le rendement le plus élevé dans une cellule solaire à pérovskite. En équilibrant soigneusement l'absorption de la lumière et l'extraction des porteurs de charge, une épaisseur optimale peut être trouvée qui maximise le photocourant et minimise la recombinaison, conduisant à la meilleure performance de l'appareil.

( a ) Caractéristiques J – V des OPSC avec différentes épaisseurs de MAPbI3. Variations des paramètres de performance OPSC avec différentes épaisseurs de pérovskite : (b) VOC, (c) JSC, (d) FF et (e) PCE. ( f ) QE d'appareils avec différentes épaisseurs de MAPbI3.

La figure 2f illustre le QE externe (EQE) des dispositifs avec différentes épaisseurs de film MAPbI3. L'EQE de l'appareil était clairement amélioré lorsque l'épaisseur du collecteur de lumière MAPbI3 était inférieure à 0,7 µm, ce qui indique que l'amélioration de l'absorption était élevée. Néanmoins, l'EQE du dispositif augmentait moins lorsque l'épaisseur de MAPbI3 était supérieure à 0,7 µm, indiquant que l'augmentation de l'absorption était moins importante. Au fur et à mesure que l'épaisseur du film MAPbI3 augmentait, il était mieux capable d'absorber la lumière de longueurs d'onde plus longues50. Le profil du taux de génération de porteurs est également obtenu et rapporté sur la figure 3 pour valider la pénétration plus élevée du taux de génération dans la couche absorbante à des épaisseurs plus élevées.

Taux de génération à l'intérieur du dispositif avec différentes épaisseurs de la couche absorbante.

Le nombre de défauts dans le MAPbI3 photoactif a un impact significatif sur la qualité de sortie des cellules solaires à pérovskite. Le COV du dispositif peut être optimisé en contrôlant le taux de génération-recombinaison des photoporteurs à l'intérieur de la pérovskite. La recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH) peut fournir une explication plus adéquate de la corrélation entre les performances NT et OPSC37,49. La densité de défauts de pérovskite dans cette analyse varie de 2,45 × 1014 à 2,45 × 1016 cm−3, et son impact sur la performance de notre travail calculé est étudié. La figure 4a affiche des graphiques J – V qui ont été tracés avec des valeurs NT variables. Les résultats montrent qu'une diminution mineure du JSC - de 24,241 à 23,582 mA/cm2 et une réduction majeure du COV - de 1,188 à 0,991 V - sont observées lorsque le NT est augmenté de 2,45 × 1014 à 2,45 × 1016 cm−3 (Tableau 3). Étant donné que FF dépend des COV, il y a une diminution significative des valeurs de FF (de 79,163 à 66,498%). L'efficacité a été considérablement réduite de 22,79 à 15,55 % en raison de ces diminutions des valeurs JSC, VOC et FF. Cela suggère qu'une augmentation des valeurs de NT conduit à un plus grand nombre d'imperfections, ce qui à son tour augmente le processus de recombinaison, comme le montre la figure 5. Selon la valeur indiquée expérimentalement, nous avons choisi ici le NT pour la pérovskite de 2,45 × 1015 cm−3, ce qui représente des longueurs de diffusion des porteurs (Lp) des photoporteurs d'environ 0,65 µm33.

Graphiques J – V des OPSC obtenus avec une densité totale de défauts variable (a) et (b) une concentration de l'accepteur peu profond dans CH3NH3PbI3.

Profil du taux de recombinaison à différentes densités de défauts dans la couche absorbante.

L'efficacité de l'OPSC est considérablement affectée par la quantité de dopage utilisée. Le dopage peut être classé comme type n ou type p, selon les dopants utilisés. Ainsi, l'amélioration de l'efficacité de l'OPSC repose sur la définition de la valeur appropriée de NA. Les niveaux de concentration de dopage peuvent être ajustés expérimentalement de différentes manières51. Les concentrations de dopage et les valeurs de densité de défauts, par exemple, peuvent être modifiées expérimentalement en ajoutant différents dopants ou en ajustant leurs concentrations dans le matériau pérovskite. Il est également possible de modifier expérimentalement les rapports de dopage et de minimiser les défauts en ajustant les quantités relatives de césium (Cs), d'iodure de méthylammonium (MAI), d'iodure de formamidinium (FAI) et d'iodure de plomb (PbI2)52.

De plus, la NA de la pérovskite a été ajustée de 1016 à 1020 cm−3, et les résultats sont présentés sur la figure 4b pour aider à comprendre l'impact du dopage sur les performances de l'OPSC. Selon nos résultats, les caractéristiques J – V sont inchangées à de faibles niveaux de NA. Néanmoins, le champ électrique intégré inhérent (Vbi) augmente lorsque NA dépasse 1018 cm−3. Les performances de la cellule sont améliorées par une augmentation de Vbi car cela conduit à une meilleure séparation des photoporteurs. Il a été démontré que JSC diminuait avec l'augmentation des niveaux de NA (tableau 4). La recombinaison Auger pourrait expliquer une baisse de la valeur JSC avec l'augmentation de NA. La recombinaison Auger augmente avec l'augmentation des taux de dopage, ce qui réduit l'efficacité du dispositif53,54. Ici, une nouvelle baisse de JSC a été montrée si la NA était élevée au-dessus de 1019 cm-3. En conséquence, nous avons décidé de fixer la valeur la plus élevée pour NA dans la simulation actuelle à 1019 cm−3.

La résistance série (Rs) a un effet majeur sur le fonctionnement de l'OPSC, en particulier le FF et le courant de court-circuit (ISC). Lorsque la résistance d'un circuit en série augmente, FF chute. Par conséquent, pour des niveaux plus élevés de Rs, l'ISC commence également à diminuer. Ainsi, l'efficacité d'un appareil souffre lorsque Rs est assez élevé55. Cela a conduit les chercheurs à examiner comment le PCE et le FF du matériau photoactif pérovskite changeaient avec les variations de Rs. Nous évaluons les performances de l'OPSC tout en modifiant le Rs de 0 à 12 Ω cm2 pour examiner l'impact de Rs sur les performances de l'OPSC. Les profils J – V pour diverses résistances sont illustrés à la Fig. 6a. Nos recherches montrent que le photovoltaïque a des performances supérieures et un FF plus élevé à Rs inférieur (Fig. 6b – e). L'efficacité des dispositifs se détériore rapidement à mesure que le Rs augmente. Ces résultats concordent avec ceux rapportés dans d'autres études36,56.

( a ) Caractéristiques J – V des OPSC avec différentes résistances série. Variations des paramètres de performance OPSC avec différentes résistances en série : (b) VOC, (c) JSC, (d) FF et (e) PCE. ( f ) Caractéristiques J – V des OPSC avec différentes résistances shunt avec une résistance série constante de 3 Ω cm2. Variations des paramètres de performance OPSC avec diverses résistances shunt : (g) VOC, (h) JSC, (i) FF et (j) PCE.

La résistance shunt (Rsh) est causée par plusieurs voies de recombinaison de charge dans l'OPSC57. Nous simulons le fonctionnement de l'appareil, en changeant le Rsh de 0 à 1000 Ω cm2, pour examiner l'impact de Rsh sur les performances de l'OPSC. La modification de Rsh affecte plusieurs caractéristiques différentes de l'appareil, comme le montrent les figures 6f, j. Les performances d'OPSC s'améliorent à mesure que Rsh augmente. PCE = 19,15 % et FF = 73,13 % à 800 Ω cm2, et à 1000 Ω cm2 on obtient respectivement PCE = 19,35 % et FF = 73,8 %. Par conséquent, nous déterminons qu'un Rsh de 800 Ω cm2 est optimal.

La figure 7a illustre l'impact de la modification de la température ambiante de 17 à 57 °C sur les tracés J–V du dispositif OPSC. Il s'avère que les COV et les FF souffrent lorsque la température augmente. Cependant, il n'y a pas de changements notables chez JSC. L'efficacité diminue progressivement car les COV et les FF sont affectés par la hausse des températures. Cette enquête démontre que l'OPSC dans un environnement ambiant donne une meilleure efficacité, qui est supérieure à 25 % ; cependant, à mesure que la température augmente, cette efficacité diminue progressivement, comme le montre la figure 7b. Une augmentation de la température augmente les courants de recombinaison et de saturation inverse, ce qui réduit encore les COV et les performances de l'appareil. De plus, lorsque l'appareil fonctionne à une température plus élevée, la bande interdite devient plus petite, ce qui peut entraîner plus de recombinaison d'excitons et moins d'efficacité58. Cette observation peut être extrêmement importante lors du choix d'OPSC dans les zones tropicales.

(a) Effet de la température de fonctionnement sur (a) les courbes J–V et (b) les paramètres PV (JSC, VOC, FF et PCE).

Enfin, les performances de l'OPSC optimisé ont été comparées à celles d'un OPSC en oxyde de zinc indium gallium (IGZO) en tant que couche ETM (voir Fig. 8a). Récemment, IGZO a été utilisé comme ETM ; il est très prometteur en raison de son µe élevé, de sa stabilité environnementale, de ses basses températures de traitement et de son affinité électronique comparable à la pérovskite37,44,59. Comme nous pouvons le voir dans le tableau en médaillon de la Fig. 8, le dispositif basé sur In2S3 a montré des paramètres photovoltaïques comparables au dispositif basé sur IGZO. Les résultats de cette étude devraient faciliter la fabrication de cellules solaires à pérovskite à haut rendement dans un proche avenir. La disposition du niveau d'énergie est construite en incorporant un ETM, une couche absorbante MAPbI3 et Spiro-OMeTAD comme HTM. Cette disposition affecte le décalage de la bande de valence/conduction, qui fait référence à la variation de la bande de valence entre le HTM et la pérovskite, ainsi que la bande de conduction entre l'ETM et la pérovskite. Le décalage du niveau d'énergie aux interfaces ETM/MAPbI3 et MAPbI3/HTM affecte grandement les performances de la cellule solaire36. Les figures 8b, c montrent que les niveaux quasi-Fermi Fn et Fp coexistent avec EC et EV dans les OPSC basés sur les couches In2S3 et IGZO. Comme indiqué, les structures basées sur In2S3 et IGZO ont montré un petit décalage de bande de conduction (CBO) de 0, 121 eV et 0, 294 eV à l'interface ETM / MAPbI3, indiquant que In2S3 ETM fournit une meilleure interface pour le transport des électrons. Cependant, le film IGZO a montré un décalage de bande de valence plus important à l'interface ETM/MAPbI3, ce qui est important pour bloquer le reflux des trous et supprimer le taux de recombinaison dans l'OPSC.

( a ) Courbes J – V de cellules solaires en pérovskite avec différents ETM, y compris les films In2S3 et IGZO. Comportement de décalage de bande de l'OPSC proposé basé sur (b) In2S3 et (c) IGZO. Le diagramme a été calculé en utilisant des épaisseurs optimisées d'ETM (200 nm) et de couche de MAPbI3 (700 nm). ( d ) EQE des OPSC avec divers ETM à une épaisseur de 200 nm.

Enfin, nous avons estimé les spectres EQE des OPSC basés sur In2S3 et IGZO ETM, comme le montre la figure 8d. L'EQE peut varier en fonction des caractéristiques spécifiques des semi-conducteurs et de la conception de la cellule. Il a été prouvé que l'OPSC basé sur IGZO ETM présente un spectre QE relativement plus élevé sur le spectre visible que l'OPSC basé sur In2S3 ETM. En effet, IGZO a une large bande interdite, ce qui lui permet d'absorber une quantité minimale de lumière visible tout en extrayant efficacement les électrons du film MAPbI3. En général, on peut conclure que l'utilisation des ETM In2S3 et IGZO peut améliorer efficacement l'EQE des OPSC. Cependant, la sélection d'un ETM approprié dépend des besoins spécifiques de l'appareil et de la plage de longueurs d'onde préférée pour des performances optimales.

Nous avons fourni des informations sur la relation entre les performances de l'appareil et la densité des défauts, ce qui pourrait être utile pour optimiser le processus de fabrication et améliorer les performances de l'appareil. Une approche possible pour résoudre ce problème consiste à optimiser les conditions de croissance au cours du processus de fabrication afin de minimiser la densité de défauts. Par exemple, en contrôlant soigneusement la température, la pression et certains autres paramètres importants de la méthode de revêtement par centrifugation pendant le processus de croissance, il est possible de réduire le nombre de défauts dans le dispositif. La passivation de l'interface et l'ingénierie anion/cation peuvent également être réalisées pour réduire la densité des défauts. De plus, les techniques de traitement post-croissance telles que le recuit pourraient également réduire la densité des défauts dans le matériau. En résumé, nous convenons que la faisabilité du réglage de la propriété de l'appareil au niveau de la fabrication ou de l'industrie est une considération importante.

Pour la première fois, le modèle SCAPS-1D a exploré le potentiel d'In2S3 en tant que film ETM alternatif dans les OPSC dans le but d'augmenter la stabilité PV, d'augmenter l'efficacité et de réduire le comportement d'hystérésis. Les problèmes d'imperfections et de températures élevées sont fondamentaux pour l'analyse de la simulation. Théoriquement, In2S3 peut remplacer TiO2 comme ETL dans OPSC, et les résultats ont montré que les états de défaut ont un impact significatif sur l'efficacité de l'OPSC à des densités de défauts supérieures à 2,45 × 1015 cm−3. Enfin, OPSC fonctionne mieux entre 20 et 30 °C. La conception optimisée avec une efficacité de 20,15 % (COV = 1,089 V, JSC = 24,18 mA/cm2 et FF = 76,45 %) met en lumière la possibilité d'In2S3 comme ETL approprié. Cette étude ouvre la voie à la mise en œuvre pratique du sulfure d'indium en tant qu'ETL potentiel pour les cellules solaires à pérovskite MAPbI3.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Kareem, SH, Elewi, MH, Naji, AM, Ahmed, DS & Mohammed, MK Cellules solaires à pérovskite en phase α pure FAPbI3 efficaces et stables avec une double stratégie d'ingénierie : approches d'ingénierie additive et dimensionnelle. Chim. Ing. J. 443, 136469 (2022).

Article Google Scholar

Thakur, A., Singh, D. & Gill, SK Simulations numériques d'une cellule solaire planaire à pérovskite CH3NH3PbI3 efficace à 26,11 %. Mater. Aujourd'hui Proc. 71, 195–201 (2022).

Article CAS Google Scholar

Dureja, T., Garg, A., Bhalla, S., Bhutani, D. & Khanna, A. Double cellule solaire à pérovskite sans plomb pour une efficacité de conversion de 19,9 % : une étude de simulation basée sur SCAPS-1D. Mater. Aujourd'hui Proc. 71, 239-242 (2022).

Article CAS Google Scholar

Abdulzahraa, HG, Mohammed, MK & Raoof, ASM Ingénierie de la couche de transport d'électrons avec un halogénure alcalin de chlorure de rubidium pour améliorer les performances de la couche absorbante de pérovskite. Courant. Appl. Phys. 34, 50–54 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Abdulzahraa, HG, Mohammed, MK & Raoof, ASM Hybride oxyde d'étain/oxyde de graphène réduit comme couche de blocage des trous pour améliorer le photovoltaïque à base de pérovskite hétérostructuré 2D/3D. Le surf. Interfaces 31, 102092 (2022).

Article CAS Google Scholar

Li, H. et al. Cellules solaires séquentielles en pérovskite évaporées sous vide avec plus de 24% d'efficacité. Sci. Adv. 8, eabo7422 (2022).

Article PubMed Google Scholar

Mehde, MS, Al-Gebori, AM & Hantoosh, AK Dans la série de conférences IOP : Science et génie des matériaux. 012071 (édition IOP).

Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y. & Miyasaka, T. Pérovskites aux halogénures organométalliques comme sensibilisateurs à la lumière visible pour les cellules photovoltaïques. Confiture. Chim. Soc. 131, 6050–6051 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kim, G.-H. & Kim, DS Développement de cellules solaires en pérovskite avec une efficacité de conversion > 25 %. Joule 5, 1033-1035 (2021).

Article Google Scholar

Jeong, J. et al. Ingénierie des anions pseudo-halogénures pour les cellules solaires à pérovskite α-FAPbI3. Nature 592, 381–385 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Min, H. et al. Cellules solaires en pérovskite avec couches intercalaires atomiquement cohérentes sur des électrodes en SnO2. Nature 598, 444–450 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Ahmed, DS, Mohammed, BK et Mohammed, MK Cellules solaires pérovskites planaires stables à long terme et sans hystérésis utilisant une stratégie antisolvant verte. J. Mater. Sci. 56, 15205–15214 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Jacobsson, TJ et al. Une base de données en libre accès et un outil d'analyse pour les cellules solaires à pérovskite basé sur les principes de données FAIR. Nat. Énergie 7, 107–115 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhao, X. et al. Vieillissement accéléré des cellules solaires pérovskites entièrement inorganiques stabilisées à l'interface. Sciences 377, 307-310 (2022).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Pandey, R. et al. La composition d'halogénure a conçu une cellule solaire tandem pérovskite-silicium non toxique avec une efficacité de conversion de 30,7%. ACS Appl. Électron. Mater. https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c01574 (2023).

Humadi, MD, Hussein, HT, Mohamed, MS, Mohammed, MK & Kayahan, E. Une approche simple pour améliorer les performances et la stabilité des cellules solaires à pérovskite via le contrôle de la température des précurseurs FA/MA dans la fabrication par dépôt séquentiel. Opter. Mater. 112, 110794 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kadhim, AK, Mohammad, MR, Abd Ali, AI & Mohammed, MK Composite d'oxyde de graphène réduit / Bi2O3 comme candidat souhaitable pour modifier la couche de transport d'électrons des cellules solaires pérovskites mésoscopiques. Combustibles énergétiques 35, 8944–8952 (2021).

Article CAS Google Scholar

Majeed, SM, Mohammed, MK & Ahmed, DS Cellules solaires pérovskites 2D/3D mixtes efficaces et sans hystérésis utilisant du lactate d'éthyle comme additif vert aux solutions de précurseurs de pérovskite. J. Mater. Chim. C 10, 16480–16491 (2022).

Article CAS Google Scholar

Sun, H. et al. Amélioration de la passivation et de la conductivité des défauts d'interface dans des cellules solaires planaires en pérovskite à l'aide de couches de transport d'électrons compactes en TiO2 dopées au Na2S. ACS Appl. Mater. Interfaces. 12, 22853–22861 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hu, W. et al. La fonctionnalisation amino in situ à basse température des nanoparticules de TiO2 affine la gestion des électrons en atteignant des cellules solaires à pérovskite planes efficaces de plus de 21 %. Adv. Mater. 31, 1806095 (2019).

Article Google Scholar

Vous, Y. et al. Bicouche TiO2/WO3 comme couche de transport d'électrons pour une cellule solaire pérovskite planaire efficace avec une efficacité supérieure à 20 %. Adv. Mater. Interfaces 7, 1901406 (2020).

Article CAS Google Scholar

Majeed, SM, Ahmed, DS & Mohammed, MK Un nouvel additif 3-méthylthiophène pour améliorer les performances et la stabilité des cellules solaires à pérovskite. RSC Adv. 11, 10425–10433 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Karthick, S., Velumani, S. & Bouclé, J. Cellules solaires au formamidinium simulées expérimentales et SCAPS : comparaison des performances des appareils. Sol. Énergie 205, 349–357 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhou, H. et al. Ingénierie d'interface de cellules solaires à pérovskite à haut rendement. Sciences 345, 542-546 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Singh, T. & Miyasaka, T. Stabilisation de l'efficacité au-delà de 20 % avec une cellule solaire pérovskite à cations mixtes fabriquée dans l'air ambiant sous humidité contrôlée. Adv. Matière énergétique. 8, 1700677 (2018).

Article Google Scholar

Chen, P., Yin, X., Que, M., Liu, X. & Que, W. Une solution à basse température a traité des couches minces d'oxyde d'indium avec une stabilité photoélectrochimique fiable pour des cellules solaires à pérovskite planaires efficaces et stables. J. Mater. Chim. A 5, 9641–9648 (2017).

Article CAS Google Scholar

Kadhim, MJ & Mohammed, MK Fabrication de cellules solaires perovskite à trois cations efficaces utilisant de l'acétate d'éthyle comme additif de solvant respectueux de l'environnement. Mater. Rés. Taureau. 158, 112047 (2023).

Article CAS Google Scholar

Widianto, E., Rosa, ES, Triyana, K., Nursam, NM & Santoso, I. Analyse des performances des cellules solaires pérovskites à base de carbone par l'oxyde de graphène comme couche de transport de trous : simulation expérimentale et numérique. Opter. Mater. 121, 111584 (2021).

Article CAS Google Scholar

Wu, R., Xu, Y., Xu, R., Huang, Y. & Zhang, B. Poreuse hiérarchique 3D à base de nanofeuilles ultra-minces dans des microsphères 2 S 3 : synthèse par transformation chimique, caractérisation et propriétés photocatalytiques et photoélectrochimiques améliorées. J. Mater. Chim. Un 3, 1930-1934 (2015).

Article CAS Google Scholar

Hou, Y. et al. Couche de transport d'électrons In2S3 traitée à basse température pour des cellules solaires hybrides pérovskites efficaces. Nanoénergie 36, 102–109 (2017).

Article CAS Google Scholar

Li, Y. et al. Nanostructures hiérarchisées auto-assemblées à partir d'un système de mélange contenant des copolymères à blocs rod-coil et des homopolymères rigides. Sci. Rep. 5, 1–13 (2015).

Google Scholar

Raj Mohamed, J., Sanjeeviraja, C. & Amalraj, L. Effet de la température du substrat sur les films minces In2S3 pyrolysés par pulvérisation nébulisée. J. Mater. Sci. Mater. Électron. 27, 4437–4446 (2016).

Article CAS Google Scholar

Xu, Z., Wu, J., Yang, Y., Lan, Z. & Lin, J. Cellules solaires pérovskites hybrides planaires à haut rendement utilisant du sulfure d'indium comme couche de transport d'électrons. ACS Appl. Matière énergétique. 1, 4050–4056 (2018).

Article CAS Google Scholar

Yang, B., Wang, M., Hu, X., Zhou, T. & Zang, Z. Cellules solaires pérovskites CsPbIBr 2 semi-transparentes hautement efficaces via In2S3 traité à basse température en tant que couche de transport d'électrons. Nanoénergie 57, 718–727 (2019).

Article CAS Google Scholar

Burgelman, M., Nollet, P. & Degrave, S. Modélisation des cellules solaires semi-conductrices polycristallines. Films solides minces 361, 527–532 (2000).

Annonces d'article Google Scholar

Al-Mousoi, AK et al. Simulation et analyse de cellules solaires à pérovskite sans plomb incorporant de l'oxyde de cérium comme couche de transport d'électrons. RSC Adv. 12, 32365–32373 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hossain, MK et al. Cadres combinés DFT, SCAPS-1D et wxAMPS pour l'optimisation de la conception de cellules solaires perovskite efficaces à base de Cs 2 BiAgI 6 avec différentes couches de transport de charge. RSC Adv. 12, 35002–35025 (2022).

Article Google Scholar

Al-Mousoi, AK et al. Etude comparative de la corrélation entre la longueur de diffusion des porteurs de charge et les performances des cellules solaires à pérovskite CsSnGeI3. Combustibles énergétiques 36, 14403–14410 (2022).

Article Google Scholar

Kumar, A., Singh, S. & Mohammed, MK Étude numérique d'une cellule solaire à double pérovskite (Cs2AuBiCl6) respectueuse de l'environnement à jonction unique avec une efficacité de conversion de puissance de 20,5 % et une hystérésis négligeable. Int. J. Energy Res. 46, 20180–20193 (2022).

Article CAS Google Scholar

Kumar, A. & Sharma, P. Amélioration de l'efficacité basée sur la méthode de la matrice de transfert de la cellule solaire pérovskite Cs3Sb2Br 9 sans plomb. Sol. Énergie 259, 63–71 (2023).

Annonces d'article Google Scholar

Prasanna, JL, Goel, E. & Kumar, A. Enquête numérique sur les cellules solaires à pérovskite MAPbI3 pour les paramètres limitant les performances. Opter. Quant. Électron. 55, 610 (2023).

Article CAS Google Scholar

Burgelman, M., Decock, K., Niemegeers, A., Verschraegen, J. & Degrave, S. SCAPS manuel. Février (2016).

Hashemi, M. et al. Caractérisation électrique et optique de couches minces d'In2S3 pulvérisées en tant que couche de transport d'électrons dans des cellules solaires à pérovskite à haut rendement. Sol. Énergie 215, 356–366 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Rono, N., Merad, AE, Kibet, JK, Martincigh, BS & Nyamori, VO Simulation des performances photovoltaïques d'une cellule solaire pérovskite à base d'iodure de plomb méthylammonium. Opter. Quant. Électron. 54, 317 (2022).

Article CAS Google Scholar

Chakrabartty, J., Islam, MA et Reza, S. Analyse des performances de cellules solaires à pérovskite inversée bicouche 2D/3D hautement efficaces. Sol. Énergie 230, 195–207 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Elango, I., Selvamani, M., Ramamurthy, PC & Kesavan, AV Étudier les COV dans le photovoltaïque à pérovskite inorganique sans plomb en ajustant la bande interdite d'énergie et la densité des défauts. Céram. Int. 48, 29414–29420 (2022).

Article CAS Google Scholar

Sajid, S. et al. Étude computationnelle de dispositifs ternaires : cellules solaires planaires à pérovskite stables, peu coûteuses et efficaces. Nano-micro lettres 10, 1–11 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Liu, D., Gangishetty, MK & Kelly, TL Effet de l'épaisseur de CH 3 NH 3 PbI 3 sur l'efficacité du dispositif dans les cellules solaires à pérovskite à hétérojonction planaire. J. Mater. Chim. A 2, 19873–19881 (2014).

Article CAS Google Scholar

Raza, E. et al. Analyse par simulation numérique de l'effet des propriétés électriques des couches de transport de charge sur les performances des cellules solaires à pérovskite à cation ternaire à base de césium. Sol. Énergie 225, 842–850 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhao, P. et al. Simulation numérique de cellules solaires pérovskites à hétérojonction planaires basées sur une couche de transport d'électrons SnO2. ACS Appl. Matière énergétique. 2, 4504–4512 (2019).

Article CAS Google Scholar

Bag, A., Radhakrishnan, R., Nekovei, R. & Jeyakumar, R. Effet de la couche absorbante, de l'épaisseur de la couche de transport des trous et de sa densité de dopage sur les performances des cellules solaires à pérovskite par simulation de dispositif. Sol. Énergie 196, 177–182 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Tian, J. et al. Ingénierie de la composition d'un film de pérovskite entièrement inorganique pour des cellules solaires efficaces et stables sur le plan opérationnel. Adv. Fonct. Mater. 30, 2001764 (2020).

Article CAS Google Scholar

Haider, SZ, Anwar, H. & Wang, M. Modélisation complète d'un dispositif de cellule solaire pérovskite avec de l'iodure de cuivre inorganique comme matériau de transport de trous. Semicond. Sci. Technol. 33, 035001 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Ghosh, A., Dipta, SS, Nikor, SSS, Saqib, N. & Saha, A. Analyse des performances d'une cellule solaire pérovskite efficace et stable et étude comparative de l'incorporation de couches de transport d'oxyde métallique. JOSA B 37, 1966–1973 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Heriche, H., Rouabah, Z. & Bouarissa, N. Nouvelles cellules solaires à structure CIGS ultra mince utilisant le programme de simulation SCAPS. Int. J. Hydrogen Energy 42, 9524–9532 (2017).

Article CAS Google Scholar

Chakraborty, K., Choudhury, MG et Paul, S. Étude numérique d'une cellule solaire pérovskite à base de Cs2TiX6 (X = Br−, I−, F− et Cl−) à l'aide de la simulation de dispositif SCAPS-1D. Sol. Énergie 194, 886–892 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Pindolia, G., Shinde, SM & Jha, PK Optimisation d'une cellule solaire pérovskite à base de RbGeI3 inorganique sans plomb par simulation SCAPS-1D. Sol. Énergie 236, 802–821 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Rono, N., Merad, AE, Kibet, JK, Martincigh, BS & Nyamori, VO Optimisation des matériaux de couche de transport de trous pour une cellule solaire pérovskite sans plomb à base d'iodure d'étain formamidinium. Technol. énergétique 9, 2100859 (2021).

Article CAS Google Scholar

Hossain, MK et al. Conception et simulation de cellules solaires à double pérovskite Cs2BiAgI6 avec différentes couches de transport d'électrons pour l'amélioration de l'efficacité. Combustibles énergétiques 37, 3957–3979 (2023).

Article CAS Google Scholar

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Les auteurs remercient l'Université de Warith Al-Anbiya (Irak) pour son soutien technique.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Mustafa KA Mohammed, Ali K. Al-Mousoi et Rahul Pandey.

Département de science et génie des matériaux, Université Cornell, Ithaca, NY, 14850, États-Unis

Davoud Dastan

Université de Warith Al-Anbiya, 56001, Karbala, Irak

Mustafa KA Mohamed

Département de génie électrique, Collège d'ingénierie, Université Al-Iraqia, Bagdad, 10011, Irak

Ali K. Al-Mousoi

Solar Lab, Université GLA, Mathura, 281406, Inde

Anjan Kumar

Collège technique d'ingénierie, Université Al-Bayan, Bagdad, 10011, Irak

Sinan Q.Salih

Faculté des sciences des données et des technologies de l'information, INTI International University, BBN Initial Broadcast, 71800, Nilai, Negeri Sembilan, Malaisie

PS JosephM.

Département des sciences appliquées, Université de technologie d'Irak, Bagdad, 10011, Irak

Duha S.Ahmed

Centre d'excellence VLSI, Institut d'ingénierie et de technologie de l'Université de Chitkara, Université de Chitkara, Rajpura, Punjab, 140417, Inde

Rahul Pandey

Département de génie civil et environnemental, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran, 31261, Arabie saoudite

Zaher Mundher Yaseen

Centre de recherche interdisciplinaire sur les membranes et la sécurité de l'eau, King Fahd University of Petroleum & Minerals, Dhahran, 31261, Arabie saoudite

Zaher Mundher Yaseen

Institut d'électronique. Centre de recherche sur l'énergie atomique, Commission de l'énergie atomique du Bangladesh, Dhaka, 1349, Bangladesh

M. Khalid Hossain

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Correspondance à Mustafa KA Mohammed ou PS JosephNg.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Dastan, D., Mohammed, MKA, Al-Mousoi, AK et al. Aperçu des propriétés photovoltaïques du sulfure d'indium en tant que matériau de transport d'électrons dans les cellules solaires à pérovskite. Sci Rep 13, 9076 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36427-3

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Reçu : 01 février 2023

Accepté : 03 juin 2023

Publié: 05 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36427-3

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