Astratto grafico. Credito:Tokyo Tech
Le celle solari in perovskite sono state oggetto di molte ricerche come la prossima generazione di dispositivi fotovoltaici. Tuttavia, rimangono molte sfide da superare per l'applicazione pratica. Uno di questi riguarda lo strato di trasporto del foro (semiconduttore di tipo p) nelle celle fotovoltaiche che trasporta i fori generati dalla luce all'elettrodo.
Nei convenzionali semiconduttori di trasporto organico di tipo p, i droganti del foro sono chimicamente reattivi e degradano il dispositivo fotovoltaico. I semiconduttori inorganici di tipo p, che sono chimicamente stabili, sono alternative promettenti, ma la fabbricazione di semiconduttori inorganici di tipo p convenzionali richiede un trattamento ad alta temperatura. A questo proposito, sono stati desiderati semiconduttori inorganici di tipo p che possono essere fabbricati a basse temperature e hanno un'eccellente capacità di trasporto del foro.
Il semiconduttore inorganico di ioduro di rame di tipo p (CuI) è un candidato leader per tali materiali di trasporto di lacune nelle applicazioni di dispositivi fotovoltaici. In questo materiale, i difetti nativi danno origine a squilibri di carica e vettori di carica liberi. Tuttavia, il numero complessivo di difetti è generalmente troppo basso per prestazioni soddisfacenti del dispositivo.
L'aggiunta di impurità con proprietà accettore (a carica positiva) o donatrice (a carica negativa), note come "doping per impurità", è il metodo standard per rafforzare le proprietà di trasporto dei semiconduttori e le prestazioni del dispositivo. Nei metodi convenzionali, come tali impurità sono stati utilizzati ioni con valenza inferiore rispetto agli atomi costituenti. Tuttavia, nei semiconduttori a base di Cu(I), non c'è ione con una valenza inferiore a quella degli ioni rame monovalenti (valenza zero), e quindi non è stato stabilito un drogaggio di tipo p nei composti di rame.
Per proporre un nuovo progetto di drogaggio del vettore per il drogaggio di tipo p in CuI, ricercatori giapponesi e statunitensi si sono recentemente concentrati sull'effetto dell'impurità alcalina, che è stato utilizzato empiricamente per il drogaggio dei fori nei semiconduttori monovalenti di rame, l'ossido di rame (Cu2 O) e Cu(In,Ga)Se2 .
In un nuovo approccio delineato in uno studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society , il team, guidato dal Dr. Kosuke Matsuzaki del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Giappone, ha dimostrato sperimentalmente che il drogaggio di tipo p con impurità di ioni alcalini, che ha la stessa valenza del rame ma di dimensioni maggiori, può migliorare la conduttività in Cu (I) semiconduttori basati. Le analisi teoriche mostrano che i difetti complessi, che sono composti da impurità di ioni alcalini e posti liberi di ioni rame, sono un'origine della generazione di lacune (conduttività di tipo p).
Sebbene sia noto che le impurità di metalli alcalini aumentano la concentrazione del vettore nell'ossido di rame, il meccanismo sottostante è rimasto un mistero per gli scienziati, fino ad ora. Questo meccanismo è stato ora chiarito, come spiega il Dr. Matsuzaki, "Utilizzando una combinazione di studi sperimentali e analisi teoriche, siamo riusciti a scoprire l'effetto delle impurità alcaline nei semiconduttori a base di Cu(I). L'impurità di Na di metallo alcalino interagisce con ioni Cu vicini in Cu2 O per formare complessi di difetti. I complessi, a loro volta, portano ad essere fonte di buchi."
Quando un'impurità viene aggiunta alla struttura cristallina, la repulsione elettrostatica di Coulomb tra l'impurità e gli ioni Cu vicini spinge gli atomi di Cu dalle loro posizioni nella struttura e porta alla formazione di più posti vacanti di rame di tipo accettore. Questo, a sua volta, aumenta la concentrazione totale del vettore di tipo p e, di conseguenza, la conduttività di tipo p. "Le nostre simulazioni mostrano che è fondamentale che l'impurità sia leggermente più grande affinché gli spazi vuoti nel reticolo cristallino invochino la repulsione elettrostatica. Per le impurità alcaline più piccole, ad esempio il litio, gli ioni di impurità cadono nei siti interstiziali e non deformano sufficientemente il cristallo reticolo", elabora il dottor Matsuzaki.
Sulla base del meccanismo di drogaggio di tipo p per formare il complesso del difetto di posto vacante Cu di tipo accettore, il team ha studiato ioni alcalini più grandi, come potassio, rubidio e cesio (Cs), come impurità accettore in γ-CuI. Tra questi, gli ioni Cs potrebbero legare ancora più posti vacanti di Cu, portando a una concentrazione ancora maggiore di portatori di carica stabili (10 13 —10 19 cm -3 ) sia in monocristalli che in film sottili preparati dalla soluzione.
"Ciò suggerisce che il metodo può essere utilizzato per mettere a punto le concentrazioni di carrier durante l'elaborazione a bassa temperatura per applicazioni e dispositivi specifici. Ciò consentirebbe una gamma completamente nuova di applicazioni per questi materiali di tipo p", conclude Matsuzaki.
In effetti, lo sviluppo potrebbe rappresentare un importante balzo in avanti per i semiconduttori a base di rame(I) e potrebbe presto portare alle loro applicazioni pratiche nelle celle solari e nei dispositivi optoelettronici. + Esplora ulteriormente
