Tecnica DLCP. (A) Schema della curvatura della banda di un semiconduttore di tipo p con stati di trappola profonda in una giunzione n+ -p. X indica la distanza dalla barriera di giunzione dove le trappole possono essere in grado di cambiare dinamicamente i loro stati di carica con la polarizzazione ac dV. dX indica la variazione differenziale di X rispetto a dV. Ew è l'energia di demarcazione determinata da Ew =kTln(w0/w) (dove k è la costante di Boltzmann). CE, VE, e EF indicano il limite della banda di conduzione, bordo della banda di valenza, e livello di Fermi, rispettivamente. (B) Dipendenza della densità del vettore dalla distanza di profilatura di una cella solare Si a diverse frequenze ac misurate da DLCP. Il riquadro mostra lo schema della struttura del dispositivo. (C) Schema della sintesi di un singolo cristallo bulk di MAPbI3 in una soluzione all'aria aperta. (D) Schema della sintesi di un cristallo singolo sottile MAPbI3 a doppio strato utilizzando il metodo di crescita confinata nello spazio. (E) Dipendenza della densità della trappola dalla distanza di profilatura di un singolo cristallo MAPbI3 misurata mediante DLCP. Il riquadro mostra la struttura del dispositivo. (F) Dipendenza della densità della trappola dalla distanza di profilatura di un singolo cristallo sottile MAPbI3 a doppio strato. L'inserto mostra l'immagine SEM in sezione trasversale del sottile cristallo singolo MAPbI3 a doppio strato. Gli spessori dei monocristalli superiore e inferiore erano di 18 e 35 mm, rispettivamente. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aba0893
In un nuovo rapporto pubblicato su Scienza , Zhenyi Ni e un gruppo di ricerca in scienze fisiche applicate, l'ingegneria meccanica e dei materiali e l'ingegneria informatica ed energetica negli Stati Uniti hanno profilato le distribuzioni spaziali ed energetiche degli stati di trappola o dei difetti nelle celle solari policristalline monocristalline di perovskite ad alogenuri metallici. I ricercatori hanno attribuito le prestazioni fotovoltaiche delle perovskiti ad alogenuri metallici (MHP) al loro elevato coefficiente di assorbimento ottico, mobilità del vettore, lunga lunghezza di diffusione della carica e piccola energia di Urbach (che rappresenta il disordine nel sistema). Studi teorici hanno dimostrato la possibilità di formare trappole di carica profonde sulla superficie del materiale a causa della bassa energia di formazione, difetti strutturali e bordi di grano delle perovskiti per guidare lo sviluppo di tecniche di passivazione (perdita di reattività chimica) nelle celle solari a perovskite. Gli stati di trappola di carica svolgono un ruolo importante durante la degradazione delle celle solari di perovskite e di altri dispositivi. Comprendere la distribuzione degli stati di trappola nel loro spazio ed energia può chiarire l'impatto delle trappole di carica (difetti) sul trasporto di carica nei materiali e nei dispositivi di perovskite per le loro prestazioni ottimali.
Gli scienziati hanno ampiamente utilizzato la spettroscopia di ammettenza termica (TAS) e i metodi della corrente stimolata termicamente (TSC) per misurare la densità degli stati di trappola dipendente dall'energia (tDOS) all'interno delle celle solari di perovskite. I metodi possono generalmente raggiungere una profondità di trappola di circa 0,55 eV, abbastanza profonda da produrre celle solari efficienti. Per rilevare stati di trappola più profondi che esistono all'interno delle perovskiti a banda larga, i ricercatori hanno utilizzato tecniche come la spettroscopia di fototensione superficiale e la fotocorrente con gap sub-banda. Però, la maggior parte delle tecniche non può essere applicata a dispositivi solari già completati per misurare la distribuzione spaziale degli stati trappola. In questo lavoro, Ni et al. ha dimostrato il metodo di profilatura della capacità a livello di unità (DLCP), una tecnica alternativa basata sulla capacità per fornire distribuzioni spaziali ben caratterizzate delle densità di portanti e trappole nelle perovskiti. Gli scienziati hanno mappato la distribuzione spaziale ed energetica degli stati trappola all'interno dei singoli cristalli di perovskite e dei film sottili policristallini per un confronto diretto.
Variazione della capacità di giunzione con l'ampiezza delle polarizzazioni AC per una cella solare Si. Variazione della capacità di giunzione (C) di una cella solare Si rispetto all'ampiezza delle polarizzazioni AC (δV) sotto diverse polarizzazioni DC misurate a frequenze AC di (a) 1 kHz e (b) 100 kHz. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aba0893
Il team ha sviluppato il metodo DLCP (profilo della capacità a livello di guida) per studiare la distribuzione spaziale dei difetti nel gap di banda dei semiconduttori amorfi e policristallini come il silicio amorfo. Il metodo potrebbe determinare direttamente la densità dei portatori per includere sia la densità dei portatori liberi che la densità delle trappole all'interno della banda proibita dei semiconduttori, nonché la loro distribuzione nello spazio e nell'energia. Hanno stimato la densità della trappola sottraendo la densità di portante libera stimata misurata ad alte frequenze di corrente alternata (ac) dalla densità di portante totale misurata a bassa frequenza in corrente alternata. La tecnica ha permesso al team di derivare la distribuzione energetica degli stati di trappola. Per convalidare l'accuratezza della densità del vettore misurata utilizzando il metodo DLCP, gli scienziati hanno eseguito misurazioni DLCP su una cella solare al silicio fabbricata su un wafer di Si cristallino di tipo p (p-Si) con uno strato di diffusione di tipo n Si (n + ) in cima. La misurazione era coerente con la concentrazione di drogante del wafer p-Si ottenuto dalla misurazione della conducibilità per convalidare l'accuratezza della densità del vettore misurata utilizzando DLCP.
Per profilare le densità di carrier e trap utilizzando DLCP, i ricercatori hanno studiato un dispositivo da un elettrodo al controelettrodo per comprendere la posizione delle giunzioni nelle celle solari in perovskite a struttura planare. Il team ha condotto diversi esperimenti e ha osservato che le cellule di perovskite in genere mantenevano un n + -P giunzione tra i componenti del dispositivo. Per determinare la profondità del profilo corrispondente alla profondità fisica del materiale, Ni et al. costruito un dispositivo contenente un doppio strato di ioduro di piombo metil ammonio (MAPbI 3 ) cristalli sottili per localizzare le trappole di carica. Quando hanno profilato la densità della trappola del dispositivo ingegnerizzato, hanno ottenuto un picco nella densità della trappola ad una distanza di profilatura di 18 µm.
Distribuzioni spaziali degli stati trap in un sottile cristallo singolo di MAPbI3. (A) Dipendenza della densità del vettore dalla distanza di profilatura di un sottile cristallo singolo MAPbI3 di 39 mm di spessore a diverse frequenze ac, come misurato da DLCP. (B) Dipendenza della densità della trappola dalla distanza di profilatura di un cristallo singolo sottile MAPbI3 misurata a una frequenza CA di 10 kHz. La densità di portanti misurata a 500 kHz è considerata portante libera. (C) Schemi di un sottile cristallo singolo MAPbI3 su un substrato PTAA/ITO prima della lucidatura meccanica, dopo la lucidatura meccanica, e dopo trattamento con ossisale [(C8–NH3)2SO4]. (D) Densità della trappola vicino alla barriera di giunzione di un sottile cristallo singolo MAPbI3 prima della lucidatura meccanica, dopo la lucidatura meccanica, e dopo il trattamento con ossisale. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aba0893
Il team ha quindi studiato la distribuzione della trappola nelle celle solari a cristallo singolo di perovskite e ha osservato la più alta efficienza di conversione di potenza (PCE) del primo MAPbI segnalato. 3 cella solare a cristallo singolo per essere solo il 17,9 per cento; molto inferiore a quello delle celle solari policristalline. Non erano a conoscenza del meccanismo sottostante che limitava la diffusione del vettore nei cristalli sottili e hanno condotto misurazioni DLCP per studiare la relazione tra densità e distribuzioni delle trappole utilizzando metodi con cristalli sintetici. Il team ha osservato la distribuzione spaziale delle densità dei portatori in un tipico MAPbI 3 sottile cristallo singolo, che hanno sintetizzato usando un metodo di crescita confinato nello spazio a diverse frequenze, e ha notato l'aumento della densità di portanti con la diminuzione della frequenza CA, indicando l'esistenza di trappole di carica nel MAPbI 3 sottile cristallo singolo.
Distribuzioni di densità di trappole dipendenti dallo spessore in cristalli singoli sottili di MAPbI3. (A) Dipendenza delle densità della trappola dalle distanze di profilatura di cristalli singoli sottili MAPbI3 con diversi spessori di cristallo misurati a una frequenza ac di 10 kHz. La posizione dell'interfaccia MAPbI3/C60 per ciascun cristallo è allineata per il confronto. La freccia tratteggiata nera indica l'andamento della variazione della densità minima della trappola NT min in cristalli singoli MAPbI3 con spessori diversi. (B) Dipendenza dell'NT min nel sottile cristallo singolo MAPbI3 dallo spessore del cristallo. La linea tratteggiata orizzontale indica il valore di NT min in un singolo cristallo MAPbI3 bulk. L'inserto mostra uno schema del flusso laminare della soluzione precursore tra due vetri PTAA/ITO durante la crescita del cristallo. Le frecce indicano la direzione del flusso laminare della soluzione precursore, e la lunghezza della freccia indica la velocità del flusso laminare. (C) tDOS di un sottile cristallo singolo MAPbI3, misurato con il metodo TAS. Lo spessore del singolo cristallo sottile di MAPbI3 era di 39 mm. (D) Mappatura spaziale ed energetica delle densità degli stati trap nel sottile cristallo singolo MAPbI3, come misurato da DLCP. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aba0893
Per comprendere l'origine della densità di trappole profonde all'interfaccia della perovskite, il team ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione ed ha esaminato campioni di perovskite di diverse composizioni. Hanno confrontato le distribuzioni di densità della trappola tra i singoli cristalli di perovskite e i film sottili policristallini con composizioni variabili. Le distribuzioni della densità della trappola per i singoli cristalli sottili erano di diversi ordini di grandezza inferiori a quelle dei film sottili policristallini. I risultati hanno mostrato l'importanza di adeguati processi di modifica della superficie per ridurre le densità di trappola nei singoli cristalli di perovskite all'interfaccia dei film sottili policristallini per migliorare le prestazioni del dispositivo. I risultati puntano verso una direzione importante per aumentare le prestazioni delle celle solari in perovskite e di altri dispositivi elettronici riducendo la densità della trappola all'interfaccia.
Distribuzioni spaziali ed energetiche degli stati trap nei film sottili di perovskite. (A) Curva J-V delle celle solari a film sottile Cs0.05FA0.70MA0.25PbI3. Il riquadro mostra la struttura del dispositivo. (B) Dipendenza della densità della trappola dalla distanza di profilatura per il film sottile di perovskite nella cella solare misurata a una frequenza CA di 10 kHz. (C) tDOS della cella solare a film sottile di perovskite, misurato con il metodo TAS. (D) Mappatura spaziale ed energetica delle densità degli stati di trappola del film sottile di perovskite nella cella solare, come misurato da DLCP. (E) Immagine HR-TEM in sezione trasversale dello stack di perovskite e PTAA. I quadrati tratteggiati indicano le aree in cui sono state eseguite le trasformate di Fourier veloci dei reticoli, con il bianco e il giallo che indicano gli assi di zona di [1 −1 −1] e [2 1 0], rispettivamente. Le linee rosse indicano l'orientamento delle sfaccettature. (F) Trasformate veloci di Fourier delle aree indicate in (E). (G) Curve J-V misurate e simulate di celle solari a struttura planare basate su film sottili policristallini MAPbI3. Per le simulazioni sono state adottate le densità di bulk a film sottile (cristallo singolo) e di interfaccia trap. (H) Dipendenza del PCE della cella solare a film sottile MAPbI3 dalle densità della trappola di massa e di interfaccia. Le linee tratteggiate indicano le curve di livello di alcuni valori PCE, che sono annotati. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aba0893
In questo modo, Zhenyi Ni e colleghi hanno utilizzato il simulatore di capacità delle celle solari per simulare le celle solari a film sottile e perovskite a cristallo singolo con densità di trappola variabili. La gamma di trappole misurate con misurazioni DLCP era sufficientemente profonda da prevedere il comportamento delle celle solari e ridurre la densità di trappole di massa dei materiali e aumentare l'efficienza di conversione di potenza (PCE) fino al 20%. Diminuendo la densità della trappola dell'interfaccia, hanno aumentato i valori PCE più vicini al PCE osservato per una cella solare a film sottile priva di trappole. I dati simulati per le celle solari a cristallo singolo concordavano bene con gli esperimenti, mostrando che il PCE della cella solare a cristallo singolo potrebbe essere ulteriormente migliorato nell'interfaccia del dispositivo per raccogliere più luce solare.
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