Um extenso estudo sobre múltiplas camadas ETL e HTL para projetar e simular alta

May 26, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2521 (2023) Citar este artigo

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Cloreto de estanho e césio (CsSnCl3) é um material absorvedor potencial e competitivo para células solares de perovskita sem chumbo (PSCs). O potencial total do CsSnCl3 ainda não foi realizado devido aos possíveis desafios de fabricação de dispositivos sem defeitos, alinhamento não otimizado da camada de transporte de elétrons (ETL), camada de transporte de furos (HTL) e configuração favorável do dispositivo. Neste trabalho, propusemos várias configurações de célula solar (SC) baseadas em CsSnCl3 usando um simulador de capacitância de célula solar unidimensional (SCAPS-1D) com diferentes ETLs competentes como óxido de índio-gálio-zinco (IGZO), dióxido de estanho (SnO2) , dissulfeto de tungstênio (WS2), dióxido cérico (CeO2), dióxido de titânio (TiO2), óxido de zinco (ZnO), C60, PCBM e HTLs de óxido cuproso (Cu2O), óxido cúprico (CuO), óxido de níquel (NiO), óxido de vanádio (V2O5), iodeto de cobre (CuI), CuSCN, CuSbS2, Spiro MeOTAD, CBTS, CFTS, P3HT, PEDOT:PSS. Os resultados da simulação revelaram que as perovskitas de haletos baseadas em ZnO, TiO2, IGZO, WS2, PCBM e C60 ETLs com heteroestrutura ITO/ETLs/CsSnCl3/CBTS/Au exibiram excelente eficiência de fotoconversão, retendo valores de parâmetros fotovoltaicos mais próximos entre 96 configurações diferentes. Além disso, para as seis configurações de melhor desempenho, o efeito do absorvedor CsSnCl3 e espessura ETL, resistência em série e shunt, temperatura de trabalho, impacto da capacitância, Mott-Schottky, taxa de geração e recombinação, propriedades corrente-tensão e eficiência quântica em desempenho foram avaliados. Descobrimos que ETLs como TiO2, ZnO e IGZO, com CBTS HTL podem atuar como excelentes materiais para a fabricação de SCs de heterojunção de alta eficiência (η ≥ 22%) baseados em CsSnCl3 com estrutura ITO/ETL/CsSnCl3/CBTS/Au. Os resultados de simulação obtidos pelo SCAPS-1D para as seis melhores configurações de CsSnCl3-perovskitas SC foram comparados pela ferramenta wxAMPS (widget fornecido para análise de estruturas microeletrônicas e fotônicas) para posterior validação. Além disso, as propriedades estruturais, ópticas e eletrônicas, juntamente com a densidade de carga eletrônica e a superfície de Fermi da camada absorvedora de perovskita CsSnCl3 foram computadas e analisadas usando cálculos de primeiro princípio baseados na teoria do funcional da densidade. Assim, esta simulação aprofundada abre um caminho de pesquisa construtiva para fabricar SCs de alto desempenho baseados em perovskita CsSnCl3 de baixo custo, alta eficiência e sem chumbo para um ambiente verde sem chumbo e livre de poluição.

As sociedades industriais e acadêmicas têm grande atenção para a tecnologia recém-desenvolvida de PSCs de haleto de chumbo (Pb), com seu progresso mais notável na eficiência de conversão de energia (PCEs) superior a 23%. As propriedades optoeletrônicas distintas, técnica de síntese baseada em solução simples, recursos econômicos e ambientalmente benignos atraíram a curiosidade científica para nanocristais de perovskita de haleto metálico totalmente inorgânicos de CsPbX3, (X = halogênios) nos últimos anos1,2. Embora o desempenho das perovskitas de haleto de chumbo inorgânico seja excelente, a questão problemática da toxicidade inerente do chumbo ainda precisa ser abordada adequadamente3. Portanto, a perovskita à base de estanho (Sn) CsSnX3 tem sido uma excelente opção para ser utilizada em SCs, devido à não toxicidade dos íons Sn2+4,5. As perovskitas CsSnX3 transitaram de Sn2+ para Sn4+ mais estável por oxidação, resultando em uma alta suscetibilidade ao ambiente circundante6.

Alta simetria da estrutura de perovskita com configuração eletrônica s2p0 de Sn, produz transições diretas permitidas, altos coeficientes de absorção ótica, pequenas massas efetivas de portadores e alta tolerância a defeitos, resultando assim em desempenho optoeletrônico superior7,8,9,10. O processo de migração de íons intrínsecos em ABX3 (A = metal alcalino ou cátion molecular monovalente; B = Pb ou Sn; X = halogênio) resulta em superestabilidade do dispositivo11. Devido a essas características atraentes, esses semicondutores optoeletrônicos haleto perovskita passaram recentemente por várias tentativas de comercialização12,13.