Deposição de temperatura moderada de SnO2 pulverizado por magnetron de RF

Jan 29, 2024

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9100 (2023) Cite este artigo

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As células solares de perovskita (PSCs) ainda enfrentam os dois principais desafios de estabilidade e escalabilidade para atender aos requisitos de sua potencial comercialização. Portanto, desenvolver um filme fino de camada de transporte de elétrons (ETL) uniforme, eficiente, de alta qualidade e econômico para obter um PSC estável é um dos fatores-chave para abordar essas questões principais. A deposição por pulverização catódica magnética tem sido amplamente utilizada para a deposição de filmes finos de alta qualidade, bem como sua capacidade de depositar filmes uniformemente em grandes áreas em escala industrial. Neste trabalho, relatamos a composição, estado estrutural, químico e propriedades eletrônicas de SnO2 pulverizado por radiofrequência (RF) de temperatura moderada. Ar e O2 são empregados como gases reativos e de pulverização de plasma, respectivamente. Demonstramos a possibilidade de crescer filmes finos de SnO2 estáveis ​​e de alta qualidade com altas propriedades de transporte por pulverização catódica reativa de magnetron de RF. Nossas descobertas mostram que os dispositivos PSC baseados no SnO2 ETL sputtered alcançaram uma eficiência de conversão de energia de até 17,10% e uma vida operacional média superior a 200 h. Esses filmes finos de SnO2 pulverizados uniformemente com características aprimoradas são promissores para grandes módulos fotovoltaicos e dispositivos optoeletrônicos avançados.

The performance and cost-effectiveness fabrication of the perovskite solar cells (PSCs) are the two main assets which are increasingly attracting academic and industrial attention. Certified Power Conversion Efficiency (PCE) for the best solar cell efficiency has shown a 25.7% for PSCs as achieved by UNIST1. Focus is put nowadays on the PSCs commercialization2, and this aim is still facing two main challenges, namely a descent device operational-stability and the fabrication scalability. The stability of the PSCs has been the cornerstone of extensive research and development over the last years. Nevertheless, this research effort has been found to be one of the most complex physico-chemical issues that involves multiple factors and various physical phenomena. These issues are also a subject of the device configuration and materials’ characteristics. In fact, the device stability can directly be affected by the electrode material and its characteristics (work function, dimensions, etc.)3, electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) properties4,5, the nature of the interface between the absorber-perovskite layer and the charge transport materials6, and indeed, the stability of the perovskite material itself7. In 2016, Ahn et al.8 proposed that the ETL based on TiO2 is among the most responsible factors for the light-induced degradation in PSCs. This suggestion was also supported by the research outcome of Qiu et al.9. On the other hand, SnO2 as ETL has demonstrated its capability to replace the conventional TiO2 due to the fact that a PCE of more than 21% has been already achieved using SnO2 ETL10. SnO2 shows several benefits over TiO2, including a higher electron mobility and an excellent energy level matching11. More importantly, SnO2 as ETL is highly efficient against the perovskite solar cells degradation, which is induced by TiO2 ETL, thereby considerably improving the device operational lifetime under continuous light illumination at the maximum power point. In this context, Christians et al. 1000 hour operational stability. Nat. Energy 3(1), 68–74 (2018)." href="/articles/s41598-023-35651-1#ref-CR12" id="ref-link-section-d168536439e497"> 12 demonstraram recentemente uma vida útil muito mais longa com células solares de perovskita não encapsuladas baseadas em SnO2 como ETL em comparação com TiO2. Por outro lado, o segundo grande desafio diz respeito à escalabilidade da fabricação do PSC, para atingir a escala do módulo (ou seja, módulos solares de perovskita (PSMs)), mantendo desempenho semelhante aos PSCs de pequenas áreas2. Como os processos de crescimento de filmes finos em larga escala para a fabricação de PSCs foram introduzidos, o número de relatórios relacionados a PSMs aumentou drasticamente13. Por exemplo, Green et al. relataram um PCE de 16% com uma área de abertura (AA) de 16,29 cm214 e Chen et al. alcançaram um PCE certificado de 12,1% com um AA maior de 36,1 cm215. Outros parâmetros-chave estão relacionados com a relação custo-eficácia e processos de deposição em larga escala de ETL2. Atualmente, a maioria dos PSMs são baseados em TiO2 como ETL, o que requer alta temperatura de processamento. O TiO2 também é a origem de muitos problemas de instabilidade16 devido à sua resistência relativamente maior e um método caro de padronização a laser que é frequentemente usado para remover o revestimento de TiO2 dos caminhos de interconexão entre as subcélulas17. Isso é necessário para evitar o aumento do valor da resistência em série, diminuindo assim o desempenho geral do PSM18.