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May 09, 2023

AgSCN en tant que nouveau matériau de transport de trous pour les cellules solaires à pérovskite inversée

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7939 (2023) Citer cet article

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Un nouveau HTM à base de thiocyanate d'argent (AgSCN) a été conçu pour être utilisable dans les cellules solaires à pérovskite (PSC). Avec un rendement massique, l'AgSCN a été synthétisé en laboratoire et élucidé par XRD, XPS, spectroscopie Raman, UPS et TGA. La production de films AgSCN minces et hautement conformes qui permettent une extraction rapide des porteurs et la collecte a été rendue possible par une approche d'élimination rapide des solvants. Des expériences de photoluminescence ont montré que l'ajout d'AgSCN a amélioré la capacité de transfert de charges entre HTL et la couche de pérovskite par rapport à PEDOT:PSS à l'interface. Des divergences cristallographiques dans le film de pérovskite polycristallin sont découvertes lors d'un examen plus approfondi de la microstructure et de la morphologie du film, indiquant le développement d'une pérovskite à matrice sur la surface d'AgSCN. Par rapport aux appareils dus au PEDOT:PSS bien connu, la tension en circuit ouvert (VOC) est augmentée par AgSCN avec sa fonction de travail élevée de 0,1 à 1,14 V (1,04 V pour PEDOT:PSS). Avec une efficacité de conversion de puissance (PCE) de 16,66 %, des PSC hautes performances sont efficacement générées à l'aide de la pérovskite CH3NH3PbI3, contre 15,11 % pour les dispositifs PEDOT:PSS contrôlés. Le HTL inorganique traité en solution a été démontré en utilisant simplement afin de construire des modules PSC à broches flexibles durables et efficaces ou leur utilisation comme cellule avant dans des cellules solaires tandem hybrides.

La recherche sur les cellules solaires à pérovskite (PSC) a parcouru un long chemin au cours de la dernière décennie. PSC a atteint un degré élevé d'efficacité de conversion de puissance (PCE), supérieur à 25,7 % ; néanmoins, divers problèmes, notamment une faible stabilité et un coût élevé, continuent d'empêcher son déploiement pratique1,2,3,4. Un PSC standard traditionnel est composé d'un substrat TCO conducteur (ITO ou FTO), d'une couche de transport/extraction d'électrons (ETL), d'une couche absorbante en pérovskite, d'une couche de transport/extraction de trous (HTL) et d'un contact arrière comme électrode5,6 . En raison de leur capacité de transport/extraction de trous réussie et de l'ajustement de l'interface qui entrave le transfert d'électrons de la couche absorbante (perovskite) vers les anodes métalliques (matériaux de transport de trous (HTM) ou HTL) sont importants pour des PSC efficaces7. Les HTM avancés comme PTAA, Spiro-MeOTAD et PEDOT : les PSS sont disponibles pour la commercialisation aujourd'hui8,9,10. Cependant, la cristallinité limitée, la faible mobilité, le coût élevé et la détérioration potentielle de l'air due à l'humidité ne sont que quelques problèmes avec ces HTM organiques11,12. Les alternatives inorganiques, thermiquement et chimiquement compatibles à des températures de traitement basses et très stables sont extrêmement rares13,14. La création d'alternatives HTM mises à jour, peu coûteuses et faciles à obtenir pour des PSC hautement efficaces est, bien sûr, impérative. Les HTM appropriés nécessitent une mobilité élevée, le plus haut degré d'énergie orbitale moléculaire occupée (HOMO) et des propriétés chimiques/physiques stables14,15. Compte tenu de leur mobilité élevée, de leur stabilité, de leur facilité de synthèse et de leur faible coût, les semi-conducteurs inorganiques de type p constituent une meilleure option que les HTM organiques13,14,16.

Le conducteur de trou organique de PEDOT: PSS17 est remplacé par un matériau inorganique de type p HTM basé sur des PSC planaires inversés. Étant donné que le VOC d'un PSC à hétérojonction planaire est établi de manière significative via les interfaces pérovskites / intercouches transportant des charges, la perte d'énergie possible à l'interface entre PEDOT: PSS et CH3NH3PbI3 entraîne une réduction du COV18. Par exemple, par rapport à PEDOT: PSS, CuSCN se distingue avec des niveaux d'énergie de VB = - 5,3 eV et CB = - 1,8 eV, ce qui est cohérent avec CH3NH3PbI3 (VB = - 5,4 eV). De plus, CuSCN offre une meilleure transparence dans toute la gamme UV-Vis-NIR avec une large bande interdite (Eg) de 3,6 eV, ce qui permet aux matériaux photoactifs d'absorber plus facilement plus de lumière dans une structure inversée pour générer un photocourant plus élevé19. Cette étude utilise AgSCN comme HTM inorganique de remplacement pour CuSCN20. Notamment, à part leur utilisation comme source de dopage Cu et Ag dans une cellule solaire à dichalcogénure de métal complémentaire (CdTe), CuSCN traité en solution et AgSCN n'ont pas été signalés comme PSC inorganiques à base de HTL. Les avantages de CuSCN résident dans le fait qu'il peut servir à la fois de couche de transport de trous et de source de dopage Cu, tandis que AgSCN, avec sa plus grande résistivité, peut servir simplement de source de dopage Ag avec un taux de diffusion plus lent21. Dans le tableau S1 (SI), nous avons résumé les paramètres photovoltaïques des PSC inversés basés sur CuSCN en tant que HTM inorganique au cours de la période 2015-2020 afin de défendre l'efficacité par rapport aux nouveaux résultats d'AgSCN. On sait que CuSCN est constitué de Cu+, qui est moins stable que Cu2+ et indésirable pour la stabilité chimique. La structure repose sur l'enthalpie des ions lorsqu'ils se lient à d'autres molécules (énergie d'hydratation). L'ion Cu2+ a une densité de charge plus élevée que l'ion Cu+, créant des liaisons beaucoup plus fortes qui libèrent de l'énergie supplémentaire22,23,24.

Dans ce travail, AgSCN en tant que HTL est étudié à travers le traitement en solution de l'architecture PSC inversée basée sur CH3NH3PbI3 en tant que couche absorbante pour la première fois. L'architecture du dispositif de type broche se compose de ITO/AgSCN/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag. Un PCE maximum de 16,66 % a été obtenu dans des expériences préliminaires en utilisant AgSCN-HTL.

0,1 mol/L de poudre de chlorure d'argent (AgCl) a été dissous dans de l'eau bidistillée (DD) pendant 1 h sous agitation continue. Après avoir terminé l'agitation, la solution claire de chlorure d'argent a été stockée à température ambiante entre 0 et 5°C pendant 1 jour. 0,1 mol/L de thiocyanate d'ammonium (NH4SCN) a été dissous dans de l'eau DD sous agitation continue pendant 1 h. Ensuite, une solution de chlorure d'argent a été chargée dans une fiole conique (300 ml) et une solution de NH4SCN a été ajoutée progressivement sous agitation pendant 3 h. Un précipité de nanostructures AgSCN a été précipité. Le précipité obtenu a été lavé plusieurs fois à l'eau avant d'être déshydraté à 60°C pendant 6h dans une étuve à vide. Le mécanisme de réaction d'une étape est comme suit Fig. 1.

Structures moléculaires et procédures de synthèse pour AgSCN.

Un système de nettoyage à ultrasons a été utilisé pour nettoyer le substrat ITO, de la taille du verre revêtu d'ITO (2 cm × 2 cm), qui a été initialement immergé dans une combinaison d'agent nettoyant et d'eau déionisée avant d'être rincé plusieurs fois avec de l'eau déionisée. La rotation pour AgSCN dans du sulfure de dipropyle avec différentes concentrations a été habituée à la préparation de HTL à 3000 tr/min sur substrat ITO pendant 30 s à température ambiante. Le dépôt du film mince AgSCN se fait dans une boîte à gants sèche avec une humidité relative (HR) comprise entre 25 et 30 puis laissé pendant au moins 30 min avant que le dépôt de la couche de pérovskite ne commence. Le PEDOT:PSS, comme référence HTL, a été spin-coated dans l'atmosphère (sortie de boîte à gants) à 6000 rpm pendant 40 s, selon la littérature de18. Ensuite, le substrat revêtu de HTL a été transféré dans la boîte à gants pour l'étape suivante. La couche active sur HTL a été déposée par centrifugation d'une solution de précurseur de pérovskite à 4000 rpm pendant 30 s. Après 12 s, les 350 \(\mu \) L de chlorobenzène sont coulés verticalement. Après 90 s de recuit à 50 ° C, le film enduit par centrifugation a été transféré sur une plaque chauffante différente et recuit à 100 ° C pendant 10 min. La solution de PC61BM a été déposée à 4000 rpm pendant 30 s pour l'ETL sur la feuille absorbante pérovskite. Pendant 30 s, la couche tampon de la solution de BCP a été centrifugée à 2000 tr/min pour recouvrir la surface. Ensuite, les cellules ont été transférées dans la chambre de l'évaporateur thermique pour chauffer l'évaporation de l'Ag à 120 nm, formant finalement le contact arrière. Le recouvrement entre l'électrode ITO et l'Ag révèle une surface active de 0,1 cm2.

À SHIMADZU, au Japon, un diffractomètre X XRD-7000 a été utilisé pour déterminer le diagramme XRD. Nous avons utilisé TGA/DTA pour évaluer un STA504. Pour mesurer les spectres d'absorption UV, un spectromètre Shimadzu UV-2550 a été utilisé. La taille des grains de la couche de pérovskite a été mesurée par microscopie électronique à balayage de champ (SEM, JSM-6700F). À l'aide d'un Thermo Fisher ESCALAB 250Xi, nous avons analysé les spectres des photoélectrons ultraviolets. Les échantillons AgSCN et PEDOT:PSS ont été caractérisés par des mesures d'effet Hall dans la géométrie Van der Pauw (Ecopia HMS-3000), avec les quatre points de soudure placés dans les coins des substrats. Une station de travail électrochimique 660D (Shanghai Chen hua Instrument Co., Ltd., Chine) a été utilisée pour déterminer le spectre d'impédance AC. Le simulateur Newport (modèle 94043A) a été utilisé pour acquérir les courbes JV, tandis que l'intensité lumineuse simulée a été réglée à 100 mW/cm2 et mesurée à l'aide d'un compteur source Keithley 2400. Avec un pas de tension de dix mV et un retard de zéro milliseconde, nous avons mis en œuvre le balayage arrière de -1,2 à 0,2 V, et la condition mesurée était de 25 à 30 °C. Un amplificateur à verrouillage (SR-830) a été utilisé pour obtenir le photocourant généré par la lumière monochromatique qui a été manipulée. L'EQE de l'appareil a été déterminé en calculant le photocourant mesuré et l'intensité lumineuse.

Comme le montre la figure 1, le nouveau HTM a été synthétisé à l'aide de réactions de précipitation traditionnelles avec des rendements raisonnables. Les caractéristiques des structures photophysiques, électrochimiques, thermiques et électroniques et les propriétés liées au HTM ont été systématiquement étudiées. Voir la figure 2a pour l'étude par diffraction des rayons X des particules AgSCN. Les pics du spectre XRD sont clairement différents. Tous peuvent être indexés avec précision sur l'AgSCN cristallin, non seulement dans les positions des pics mais aussi en force relative. Tous les modèles correspondaient très bien à AgSCN et concordaient avec JCPDS : 29–1443. Espace intragroupe : C2/c, a = 8,774 Å, b = 7,972 Å et c = 8,182 Å correspondent également. Les pics indexés à 2θ = 15,03°, 18,97°, 21,77°, 24,87°, 25,99°, 28,88°, 33,82°, 36,96°, 40,20°, 48,42° ont été attribués aux plans monocliniques du cristal AgSCN (110), (111), (002), (−112), (−202), (221), (130), (312), (402)25,26. La figure 2b démontre que l'AgSCN est monoclinique dans la cellule, avec huit molécules. Les groupements SCN−, avec un angle de liaison de 179,6(5)°, ont une géométrie moléculaire presque linéaire. La longueur d'interaction de la faible Ag – Ag varie de 0,3249 (2) à 0,3338 (2) nm, comme un zigzag dans une séquence dimensionnelle dans AgSCN27. Comme en témoignent les formes nettes des pics proéminents, il y avait une rareté de défauts dans AgSCN, qui améliorent les charges photoinduites par les centres de recombinaison. Ainsi, AgSCN peut éventuellement être utilisé comme HTL avec une capacité d'extraction de trous élevée. D'autre part, pour caractériser l'AgSCN, l'analyse par spectroscopie Raman a été réalisée en outre. La figure S1, des informations supplémentaires (SI) indique les vibrations symétriques qui prolongent le SCN et le CN dans l'AgSCN, entraînant des pics de 2150 et 710 cm−128.

( a ) Analyse par diffraction des rayons X et carte JCPDS correspondante de HTM synthétisé d'AgSCN. ( b ) Géométrie moléculaire du cristal AgSCN.

Un aperçu du XPS de l'AgSCN est présenté à la Fig. 3a, montrant tous les pics de l'AgSCN29. Deux pics sont observés sur la figure 3b, indiquant les spectres Ag 3d XPS. Ag 3d5/2 à 368,4 eV et Ag 3d3/2 à 374,4 eV, respectivement, suggérant la condition monovalente de Ag. Sur la figure 3c, les pics à 163,2 et 164,4 eV pourraient être attribués à S 2p de SCN−. Les pics de la Fig. 3d à 284,5 et 286,25 eV correspondent aux groupes C – C et SCN - . Sur la Fig. 3e, le spectre XPS N 1 s montre que le pic apparu à 398,3 eV appartient à la catégorie C = N – C30.

L'analyse par spectroscopie photoélectronique à rayons X comprend (a) l'examen XPS du produit indiquant tous les pics du présent AgSCN inventé, (b) Ag 3d, (c) S 2p, (d) C 1s et (e) N 1s .

Un alignement approprié des niveaux d'énergie entre la perovskite et le HTM est important pour supprimer les pertes d'énergie dans les PSC. Dans la Fig. 4 et la Fig. S2 (SI), les spectres UPS présentés ici ont été utilisés pour étudier la fonction de travail du film mince AgSCN. L'onduleur total à large gamme est présenté à la Fig. S2 (SI). Comme le révèlent les figures 4a, b, le niveau d'énergie de Fermi d'AgSCN a été considérablement réduit par rapport à la structure la plus proche de CuSCN, comme indiqué31,32,33. Pour AgSCN, pour la deuxième coupure, la fonction de travail est tout autour de 5,07 eV qui est calculée à partir de ΦAgSCN = 16,15–21,22 eV = –5,07 ± 0,1 eV13,34,35,36 ; pour plus de détails sur le calcul se trouve dans le SI. En collectant le niveau de Fermi et la valeur de la fonction de travail, la bande de valence (VB) sera égale à – 5,32 ± 0,2 eV. Le niveau d'énergie accru d'AgSCN peut grandement faciliter l'alignement des bandes entre AgSCN et les pérovskites. L'AgSCN a donc un VB légèrement plus élevé de - 5, 32 eV par rapport à PEDOT: PSS (tel que mesuré expérimentalement dans nos travaux précédents 37) et CuSCN avec un - 5, 1 et - 5, 3 eV, respectivement 18, 38. La fonction de travail d'AgSCN était mieux adaptée au transport des trous et au blocage des électrons que celle de toute autre pérovskite étudiée (– 5,4 eV). La fonction de travail améliorée peut également augmenter le COV du dispositif en augmentant la distinction possible entre le HTL VB et la pérovskite (VB)18. Afin de déterminer le CB d'AgSCN, nous avons obtenu la bande optique pour le film mince d'AgSCN par αhʋ = A(hy − Eg)n (équations de Tauc) via les spectres de transmission39, comme illustré à la Fig. 4c. La courbe linéaire précise que la bande interdite optique (Eg) de AgSCN est égale à 3,95 ± 0,1 eV. Par conséquent, le minimum de CB est jusqu'à − 1,37 ± 0,1 eV. Comme le montre le schéma du niveau d'énergie de la figure 4d, la correspondance d'énergie favorable entre AgSCN et la couche de pérovskite est remarquée par rapport à PEDOT: PSS, qui est utilisé comme célèbre HTL dans les PSC à structure inversée. Les spectres de transmission des films minces ITO / PEDOT: PSS et ITO / AgSCN sont illustrés à la Fig. S3. Par rapport à ITO/PEDOT:PSS, la transmission de l'AgSCN n'a pas changé avec le bit de transmission plus significatif, ce qui n'a aucun impact sur la sortie de conversion.

( a ) La spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS) décrit l'énergie du maximum de la bande de valence (VBM) et ( b ) la fonction de travail (WF) de l'échantillon AgSCN. ( c ) Transition directe de la bande interdite par le calcul de Tuac de AgSCN. ( d ) Architecture de dispositif de PSC (broche) basée sur AgSCN avec un diagramme de bande d'énergie schématique positionné par rapport à un vide. ( e ) Image SEM en coupe de PSC sur le substrat avec AgSCN comme HTL.

La configuration des dispositifs PSC consistant en ITO/AgSCN/MAPbI3/PCBM/BCP/Ag révélée à la Fig. 4d a été sélectionnée pour savoir comment notre couche HTL affecte la fonctionnalité des dispositifs pérovskite. La section expérimentale comprend une description complète de la façon de fabriquer les dispositifs. Une image de microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) de la section transversale de la conception de l'appareil inversé est illustrée à la Fig. , et enfin Ag comme électrode supérieure. La cellule améliorée et efficace basée sur AgSCN HTL est montrée dans l'image SEM pour avoir un dépôt homogène sur toute sa longueur. Le processus de fabrication du dispositif a commencé avec une couche extrêmement fine d'AgSCN (50 nm) au-dessus du verre ITO. Ensuite, un film MAPbI3 homogène et dense de 350 nm d'épaisseur a été déposé sur le substrat AgSCN ou PEDOT: PSS comme référence avec une couche de pérovskite de haute qualité et une excellente cristallinité, qui devraient toutes deux contribuer à la production et au transfert de charge efficaces. . Après cela, une couche de PCBM/BCP d'une épaisseur d'environ 150 nm a été appliquée sur le dessus. Le contact arrière a finalement été fourni via une électrode de 120 nm basée sur Ag. Le diagramme de niveau schématique de la figure 4, qui est basé sur les données susmentionnées, élucide la transmission et l'extraction efficaces des électrons et des trous.

L'absorbance de la couche active dans les cellules solaires à pérovskite est très importante dans la création de paires électron-trou et détermine systématiquement l'efficacité finale des cellules. En conséquence, les spectres d'absorption du film ITO / AgSCN ou PEDOT: PSS / CH3NH3PbI3 et du film ITO / CH3NH3PbI3 sans HTM sont comparés à la Fig. S4. Le comportement d'absorption presque identique des trois films démontre que le choix de AgSCN comme HTL est meilleur que PEDOT:PSS et n'affecte pas les propriétés absorbantes des films CH3NH3PbI3. Étudier l'effet des défauts optoélectroniques et de la cristallinité de la couche de pérovskite à base de HTM d'AgSCN ou de PEDOT:PSS. L'énergie d'Urbach (Eu) est dérivée des spectres d'absorption (Fig. S4) basés sur la règle empirique d'Urbach décrite dans les détails SI. La figure 5a montre l'Eu des couches de CH3NH3PbI3 sur des substrats avec et sans AgSCN et PEDOT:PSS. L'énergie d'Urbach pour les films AgSCN, PEDOT:PSS et CH3NH3PbI3 a été calculée à 54, 63 et 72 meV, respectivement. On peut voir que la valeur Eu des films CH3NH3PbI3 sans HTL est supérieure à celle du film AgSCN, PEDOT: PSS qui indique plus d'états de défauts et d'atomes désordonnés. Ainsi, la couche absorbante améliorée basée sur AgSCN comme HTM40,41.

(a) Énergie d'Urbach (Eu) des couches de CH3NH3PbI3 sur des substrats avec et sans AgSCN et PEDOT:PSS. ( b ) PL, ( c ) En utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps (TRPL), nous comparons les spectres de films minces AgSCN et PEDOT: PSS en tant que HTL. ( d ) Courbe J - V pour les appareils préparés en fonction de l'état optimal de AgSCN et PEDOT: PSS comme appareil de référence. ( e ) Spectres JSC et EQE intégrés des AgSCN et PEDOT: PSS optimisés. ( f ) Dispositifs fabriqués à partir de PSC et de leur tracé de Nyquist correspondant des substrats AgSCN et PEDOT: PSS à une polarisation CC de 0, 8 V sous un éclairage solaire AM1, 5 (les lignes pointillées donnent les courbes ajustées).

Beaucoup de travail a été fait pour explorer les caractéristiques bénéfiques d'AgSCN en tant que HTL. Pour évaluer les capacités d'extraction de charge de la couche AgSCN-HTL, par exemple, une expérience d'extinction de photoluminescence (PL) en régime permanent a été mise en place. L'efficacité d'extraction des trous de PEDOT: PSS est comparée à celle d'une couche AgSCN de référence sur la figure 5b en utilisant CH3NH3PbI3 comme absorbeur. Il ressort de la figure 5b qu'AgSCN peut extraire les trous plus efficacement que PEDOT: PSS car le film AgSCN présente une trempe PL plus efficace.

Afin d'optimiser la meilleure concentration pour la préparation du film HTL, nous avons revêtu par centrifugation l'AgSCN avec différentes concentrations (5, 15, 25 et 35 mg/mL). Pour l'étude comparable, un dispositif basé sur PEDOT: PSS est fabriqué pour garantir les conditions de fabrication de la cellule. La concentration optimisée d'AgSCN s'est avérée être de 25 mg/mL. De plus, la mobilité des trous mesurée (\({\upmu }_{h}\)) pour les 25 mg/ml d'AgSCN a été atteinte \(\sim \) 2,1 \(\times \) 10–2 cm2/V /s par rapport à \(\sim \) 5 \(\times \) 10–5 de PEDOT:PSS. La figure S5 affiche les courbes courant-tension (JV) mesurées obtenues dans le sens de balayage inverse, et le tableau S2 résume les caractéristiques de fonctionnement de l'appareil. La figure S5 et le tableau S2 montrent le PCE le plus élevé de 16,66 % pour AgSCN HTL fabriqué à partir d'une solution de 25 mg/mL. Pour une valeur de COV, 1,14 V, un FF de 77,01 % et un JSC de 19,00 mA/cm2 sont obtenus pour cet appareil champion. L'efficacité chute précipitamment à 15,63 % et 11,02 % de réduction de la concentration d'AgSCN à 15 et 5 mg/mL, respectivement. À la concentration la plus élevée de 35 mg/mL, l'appareil a atteint 14,33 %, 1,11 V, 67,53 % et 19,17 mA/cm2 pour PCE, VOC, FF et JSC, respectivement. Par conséquent, la limite de concentration d'AgSCN ne doit pas être supérieure à 25 mg/mL. La figure 5d compare les courbes de J – V pour les meilleurs dispositifs basés sur AgSCN et PEDOT: PSS-HTL. Le dispositif PSC basé sur AgSCN présente une performance favorable, par rapport au PCE de 15,11 % du dispositif basé sur PEDOT:PSS-HTL (VOC = 1,04 V, JSC = 18,17 mA/cm2 et FF = 0,80). Les paramètres complets de COV, JSC, FF et PCE sont présentés dans le tableau 1. Dans les dispositifs basés sur AgSCN, une cristallinité de film plus élevée et un meilleur transfert de charge sont compatibles avec les caractérisations SEM et PL, entraînant une augmentation de la valeur JSC et du COV.

De plus, nous avons constaté que le substrat AgSCN a une morphologie de surface uniforme avec de petites particules homogènes allant de 20 à 25 nm, et pour la référence PEDOT:PSS dans la même direction avec des particules homogènes allant de 20 à 30 nm, comme le montre la Fig. S6a,b. Le film mince d'AgSCN obtenu avec succès a produit un meilleur film de pérovskite avec des trous d'épingle libres et de gros grains, tandis que le film mince de PEDOT: PSS a produit un film de pérovskite de qualité similaire avec des trous d'épingle découverts, comme présenté à la Fig. S6c, d. De plus, les figures montrent que les tailles de grains de la couche de pérovskite sont coordonnées à 250–300 nm et 300–350 nm pour PEDOT:PSS et AgSCN, respectivement.

Le JSC des appareils a également été examiné à l'aide de spectres EQE ou de spectres d'efficacité quantique externe (Fig. 5e). La densité de courant intégrée (JSC) des spectres EQE s'est avérée être de 18,87 et 18,01 mA/cm2 pour les dispositifs AgSCN et PEDOT:PSS-HTL, respectivement, ce qui correspond bien aux mesures J–V. En outre, la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) des dispositifs est réalisée pour tester l'efficacité de l'AgSCN pour le transport de charge aux interfaces PSC. La figure 5f affiche les tracés de Nyquist pour AgSCN et PEDOT : dispositifs PSS en tant que HTL mesurés avec un éclairage AM1.5 et un biais de 0,8 V, et leurs résultats d'ajustement pour les courbes correspondantes sont présentés dans la même figure 5f. Les valeurs de résistance au transfert de charge (Rtrans) des dispositifs basés sur PEDOT:PSS et AgSCN, respectivement, se sont révélées être de 512,8 et 408,2 \(\Omega \) à partir des résultats d'ajustement (tableau S3). La faible valeur Rtrans dénote l'interaction interfaciale améliorée entre AgSCN et le film CH3NH3PbI3, où les trous photo-générés sont efficacement extraits de la couche de pérovskites. En conséquence, l'analyse du système utilisant l'analyse EIS a en outre vérifié que le HTL AgSCN conduirait à un transport de charge amélioré et à une recombinaison de charge réduite aux interfaces de l'appareil pour fournir une efficacité photovoltaïque améliorée des PSC inversés planaires.

La figure S7 (SI) et le tableau S4 comparent la reproductibilité des HTL AgSCN et PEDOT:PSS au sein de la CFP. Les statistiques de l'appareil montrent des paramètres avec une distribution limitée, y compris PCE des appareils basés sur AgSCN HTL, indiquant une excellente reproductibilité. Sur la figure S8, le TGA et le DTA ont été réalisés dans une atmosphère d'oxygène entre 30 et 600 ° C pour analyser la stabilité thermique de l'AgSCN. La figure S8 indique une étape exothermique de la désintégration d'AgSCN avec une perte de masse de 55 % (Calcd. 55,80 %) à 330 °C. Les calculs de la perte de masse ont révélé que AgO et Ag2O étaient les produits finaux de décomposition. La stabilité thermique supérieure de l'AgSCN à 550 ° C peut être attribuée à une structure polymère et au complexe de cyanure correspondant42.

D'autre part, l'amélioration de la stabilité des PSC doit être prise en compte. En conséquence, la stabilité de nos PSC sous la lumière AM1.5 et la plage de température (25–30 °C) a été testée pendant environ 500 h sans encapsulation. Comme le montre la figure S9, les PSC avec AgSCN ont démontré une stabilité à long terme exceptionnelle par rapport aux PSC témoins basés sur PEDOT: PSS. Le PCE des PSC avec AgSCN conserve environ 80,9% de son efficacité initiale, qui est modifiée de 16,7 à 13,52%, après une mesure opérationnelle en continu pendant 500 h dans une atmosphère à 48% d'humidité relative. Dans les mêmes conditions de test, le PCE de la PSC basée sur PEDOT:PSS est presque abaissé de 15,11 à 9,43%, indiquant une stabilité moindre et un taux de détérioration plus rapide.

Pour les PSC inversés, le thiocyanate d'argent (AgSCN) est un matériau de transport de trous potentiel (HTM). En raison de leur fiabilité supérieure et de leur efficacité de conversion de puissance élevée (PCE) par rapport aux cellules solaires à pérovskite conventionnelles, les PSC inversés ont suscité beaucoup d'intérêt. Cependant, trouver un HTM approprié pour les PSC inversés peut être difficile car le HTM doit respecter les niveaux d'énergie de la pérovskite et avoir une mobilité de trou élevée, une excellente stabilité et une compatibilité. Il a été démontré que la mobilité élevée des trous d'AgSCN (~ 2,1 × 10–2 cm2/V/s) élimine efficacement les trous de la couche de pérovskite. La perte d'énergie au contact pérovskite-HTM est également atténuée par sa bonne coordination au niveau de l'énergie avec la pérovskite. La fonction de travail plus élevée pour AgSCN que PEDOT: PSS (- 5,32 et - 5,1, respectivement) correspond au VB du CH3NH3PbI3 en tant que couche active que PEDOT: PSS, ce qui réduit la perte d'énergie pour le transfert h + du VB de CH3NH3PbI3 à AgSCN. Par conséquent, la fonction de travail améliorée peut également augmenter le COV du dispositif en augmentant la distinction possible entre le HTL VB et la couche de pérovskite18. Cela peut entraîner un COV plus élevé pour le PSC, car il existe une force motrice plus importante pour le transfert des porteurs de charge de la couche de pérovskite au HTL.

La stabilité à haute température d'AgSCN est également de bon augure pour la durabilité du dispositif IPSC. Comme le montre la figure 5c, les résultats du PL résolu dans le temps (TRPL) sont cohérents avec ceux de l'extinction du PL en régime permanent. Ces résultats mettent en évidence la nécessité d'une extraction et d'une collecte de charge efficaces en démontrant l'existence d'un transfert de trous efficace entre la pérovskite et l'AgSCN. La valeur EQE du dispositif basé sur AgSCN-HTL un peu plus élevée est attribuée à une extraction de charge améliorée et à une collecte de charge améliorée, ce qui indique une meilleure performance du dispositif. La tension de circuit ouvert (VOC) améliorée dans le dispositif basé sur AgSCN-HTL suggère moins de recombinaison, ce qui est cohérent avec l'idée que AgSCN-HTL réduit les états de piège et améliore l'alignement des bandes d'énergie. Il conclut que le premier essai de l'efficacité de la cellule solaire pérovskite (PSC) utilisant AgSCN-HTL est nettement supérieur à celui de la plupart des appareils utilisant PEDOT: PSS-HTL, et une amélioration supplémentaire peut être obtenue en optimisant la couche de pérovskite et/ou Épaisseurs de la couche de transport d'électrons (ETL). Dans l'ensemble, ce paragraphe fournit la preuve que l'utilisation de AgSCN-HTL entraîne une amélioration des performances des PSC par rapport à PEDOT: PSS-HTL, en réduisant les états de piège, en améliorant l'alignement des bandes d'énergie et en améliorant la collecte des charges. Ceci est important car cela suggère que l'optimisation du choix du HTL peut améliorer l'efficacité globale des PSC, ce qui est crucial pour leur adoption généralisée en tant que source d'énergie durable.

En ce qui concerne la stabilité inférieure des dispositifs basés sur PEDOT:PSS, l'effet de PEDOT:PSS sur la stabilité des PSC a été largement étudié, et sur la base du test de stabilité de ce travail, il existe des preuves suggérant que la nature acide de PEDOT : Le PSS peut entraîner une dégradation au fil du temps. Il a été démontré que PEDOT:PSS peut libérer des protons et acidifier la couche de pérovskite, entraînant la formation d'iodure de plomb et la perte de performances de la cellule solaire43,44,45. Alors que pour AgSCN, le sulfure de dipropyle utilisé comme solvant est très volatil, et dans le spin-coating, il n'affecte pas la dégradation de la couche de pérovskite.

En résumé, AgSCN est un HTM prometteur pour les PSC inversés en raison de sa mobilité élevée des trous, de son alignement de niveau d'énergie approprié et de sa bonne stabilité. D'autres études sont nécessaires pour optimiser ses performances et comprendre les mécanismes sous-jacents, mais il a le potentiel de permettre le développement de dispositifs IPSC plus efficaces et plus stables.

En conclusion, nous avons utilisé pour la première fois AgSCN comme HTL dans un processus de solution à température ambiante pour créer un PSC à base de CH3NH3PbI3, et son insertion dans un PSC à configuration de broche planaire a augmenté l'efficacité de 16,66 %. Lorsque AgSCN est utilisé comme HTL, les cellules solaires ont un PCE supérieur de plus de 1% à celui lorsque PEDOT:PSS est utilisé comme HTL. Cette différence est principalement attribuable à une augmentation spectaculaire du VOC de 0,1 V et à une légère augmentation du FF et du JSC. Les données expérimentales ont révélé des résultats supérieurs, principalement en raison d'une distribution favorable du niveau d'énergie, d'une excellente mobilité de charge et de la capacité à extraire des trous. La mobilité des trous pour les 25 mg/ml d'AgSCN a été atteinte \(\sim \) 2,1 \(\times \) 10–2 cm2/V/s par rapport à \(\sim \) 5 \(\times \) 10 –5. Cette méthode de production d'AgSCN à basse température et à faible coût est considérée comme simple et évolutive, ce qui est de bon augure pour la commercialisation de dispositifs flexibles à base de pérovskite et de technologies photovoltaïques. En somme, AgSCN est un rival non toxique et peu coûteux avec lequel il est simple de travailler à basse température. C'est un concurrent sérieux pour la création de dispositifs en tandem et de cellules solaires à jonction pin à haut rendement en pérovskites.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et seront disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Ahmed Mourtada Elseman

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Réimpressions et autorisations

Elseman, AM AgSCN en tant que nouveau matériau de transport de trous pour les cellules solaires à pérovskite inversée. Sci Rep 13, 7939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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Reçu : 06 avril 2023

Accepté : 12 mai 2023

Publié: 16 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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