Lo sviluppo di elettrodi metallici stabili e a basso costo è fondamentale per la produzione di massa di celle solari in perovskite (PSC). In quanto elemento ricco di terra, il Cu diventa un candidato alternativo per sostituire elettrodi di metalli nobili come Au e Ag, grazie alle sue proprietà fisico-chimiche comparabili con allo stesso tempo buona stabilità e basso costo. Tuttavia, l'allineamento indesiderato della banda associato all'architettura del dispositivo impedisce l'esplorazione di PSC n-i-p efficienti a base di Cu. Per risolvere questo problema, i ricercatori in Cina hanno studiato la differenza del livello di energia su diverse interfacce e hanno offerto un potenziale percorso per ottenere PSC n-i-p più efficienti con un elettrodo di Cu.

Hanno pubblicato il loro lavoro l'8 luglio su Energy Material Advances .

"Lo sviluppo di PSC convenienti e ad alte prestazioni è fondamentale", ha affermato l'autore del documento Huanping Zhou, professore presso la School of Materials Science and Engineering, Peking University (PKU). "Attualmente, l'elettrodo Cu ha attirato molta attenzione a causa del suo basso costo e della buona stabilità, ma è limitato nelle prestazioni per PSC con struttura n-i-p."

Zhou ha spiegato che l'elettrodo Cu presenta diversi vantaggi significativi come alternativa all'Au o all'Ag, in particolare come elettrodo posteriore, che è responsabile del trasporto del vettore nel dispositivo.

"Cu è l'elemento ricco di terra e costa meno di 1/80 di Ag e 1/5500 di Au", ha detto Zhou. "Il Cu è il candidato promettente per essere l'elettrodo PSC per le sue proprietà fisiche comparabili (cioè la conduttività) con Au e Ag e la buona stabilità."

Ma i PSC n-i-p a base di Cu non possono esibire prestazioni fotovoltaiche elevate. Secondo Zhou, l'ostacolo principale è che il livello di Fermi dello strato di trasporto del buco (HTL, come Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) è abbastanza diverso con la funzione di lavoro di Cu (–4,7 eV), che porta a una grande barriera Schottky all'interfaccia HTL/Cu. Questo fenomeno non esiste nelle PSC p-i-n, perché il livello di Fermi del C₆₀ comunemente usato (strato di trasporto di elettroni) è di circa –4,5 eV, che è simile alla funzione di lavoro di Cu. Questo è il motivo per cui i PSC p-i-n a base di Cu possono esibire prestazioni optoelettroniche elevate mentre i PSC n-i-p a base di Cu non possono.

Per affrontare questo problema, Zhou e il suo team hanno sistematicamente regolato il livello di Fermi degli HTL in modo che corrisponda alla funzione di lavoro dell'elettrodo Cu, in modo che la differenza di energia all'interfaccia HTL/Cu possa essere ridotta per un migliore trasporto del vettore. Tuttavia, la differenza di energia tra perovskite (il livello di Fermi è –4,08 eV) e l'elettrodo Cu è costante, quindi la minore differenza di energia tra HTL e Cu significa una maggiore differenza di energia tra perovskite e HTL, che è dannosa per l'estrazione del vettore. Il modo in cui bilanciare la differenza di energia tra le interfacce perovskite/HTL e HTL/Cu sta diventando importante per le prestazioni del PSC.

"Proprio come l'effetto bucket, speriamo che entrambe le interfacce perovskite/HTL e HTL/Cu non siano i bucket più corti durante il funzionamento del dispositivo", ha affermato Zhou. "In questo documento, abbiamo regolato attentamente il livello di Fermi degli HTL per bilanciare la differenza di energia nelle interfacce perovskite/HTL e HTL/Cu, aggiungendo diverse quantità di PTAA in Spiro-OMeTAD."

"Abbiamo concluso che la differenza energetica bilanciata tra le interfacce perovskite/HTL e HTL/Cu potrebbe migliorare significativamente la raccolta di carica e le proprietà di trasporto nei dispositivi PSC n-i-p risultanti", ha affermato Zhou.

I ricercatori hanno testato le prestazioni optoelettroniche dei PSC n-i-p basati sull'elettrodo Cu e diversi HTL. Attraverso i parametri fotovoltaici, ha affermato Zhou, una minore differenza di energia tra HTL e Cu potrebbe portare a una maggiore densità di corrente di cortocircuito (Jsc), mentre una minore differenza di energia tra perovskite e HTL potrebbe portare a una maggiore tensione a circuito aperto (Voc). Infine, la differenza energetica bilanciata tra le interfacce perovskite/HTL e HTL/Cu potrebbe portare a Jsc e Voc moderati, in particolare un fattore di riempimento (FF) più elevato, che alla fine ha contribuito al miglioramento dell'efficienza di conversione della potenza (PCE).

"Il PSC n-i-p con le migliori prestazioni con l'elettrodo Cu ha ottenuto un PCE del 20,10% con Voc di 1,084 V e FF del 78,77%", ha affermato Zhou. "I dispositivi hanno anche mostrato una buona stabilità, che potrebbe rimanere al 92% del loro PCE iniziale dopo 1000 ore di archiviazione. Questa scoperta non solo estende la comprensione dell'allineamento della banda del livello funzionale del semiconduttore vicino nell'architettura del dispositivo per migliorare le prestazioni risultanti, ma suggerisce anche un grande potenziale dell'elettrodo Cu per l'applicazione nella comunità dei PSC". + Esplora ulteriormente

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