높은 수준의 설계 및 시뮬레이션을 위한 다중 ETL 및 HTL 레이어에 대한 광범위한 연구

Sep 15, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2521(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

염화세슘(CsSnCl3)은 무연 페로브스카이트 태양전지(PSC)를 위한 잠재적이고 경쟁력 있는 흡수재입니다. 결함 없는 장치 제조, 전자 수송층(ETL), 정공 수송층(HTL)의 최적화되지 않은 정렬 및 유리한 장치 구성의 가능한 문제로 인해 CsSnCl3의 전체 잠재력은 아직 실현되지 않았습니다. 이 연구에서 우리는 인듐-갈륨-아연-산화물(IGZO), 주석-이산화물(SnO2)과 같은 다양한 유능한 ETL을 갖춘 1차원 태양전지 용량 시뮬레이터(SCAPS-1D)를 사용하여 여러 CsSnCl 기반 태양전지(SC) 구성을 제안했습니다. , 이황화텅스텐(WS2), 이산화세륨(CeO2), 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), C60, PCBM 및 산화제1동(Cu2O), 산화제2동(CuO), 산화니켈(NiO)의 HTL, 산화바나듐(V2O5), 요오드화구리(CuI), CuSCN, CuSbS2, Spiro MeOTAD, CBTS, CFTS, P3HT, PEDOT:PSS. 시뮬레이션 결과에 따르면 ITO/ETLs/CsSnCl3/CBTS/Au 이종구조를 갖는 ZnO, TiO2, IGZO, WS2, PCBM 및 C60 ETL 기반 할로겐화물 페로브스카이트는 96개의 서로 다른 구성 중에서 가장 가까운 광전지 매개변수 값을 유지하면서 뛰어난 광변환 효율을 나타냈습니다. 또한 6가지 최고 성능 구성의 경우 CsSnCl3 흡수체 및 ETL 두께, 직렬 및 션트 저항, 작동 온도, 커패시턴스의 영향, Mott-Schottky, 생성 및 재결합 속도, 전류-전압 특성 및 양자 효율이 성과를 평가했다. 우리는 CBTS HTL을 포함하는 TiO2, ZnO 및 IGZO와 같은 ETL이 ITO/ETL/CsSnCl3/CBTS/Au 구조를 포함하는 CsSnCl 기반 고효율(eta ≥ 22%) 이종접합 SC 제조에 뛰어난 재료로 작용할 수 있음을 발견했습니다. 최고의 6개 CsSnCl3-페로브스카이트 SC 구성에 대해 SCAPS-1D에서 얻은 시뮬레이션 결과는 추가 검증을 위해 wxAMPS(마이크로 전자 및 광자 구조의 위젯 제공 분석) 도구로 비교되었습니다. 또한, CsSnCl3 페로브스카이트 흡수층의 전자 전하 밀도, 페르미 표면과 함께 구조적, 광학적, 전자적 특성을 밀도 범함수 이론에 기초한 제1원리 계산을 사용하여 계산하고 분석했습니다. 따라서 이 심층 시뮬레이션은 무연 녹색 및 무공해 환경을 위한 비용 효율적이고 고효율이며 무연 CsSnCl3 페로브스카이트 기반 고성능 SC를 제작할 수 있는 건설적인 연구 길을 열어줍니다.

산업계와 학계에서는 새로 개발된 납(Pb) 할로겐화물 PSC 기술에 큰 관심을 갖고 있으며, 가장 주목할 만한 전력 변환 효율(PCE)이 23%를 초과했습니다. 독특한 광전자 특성, 간단한 용액 기반 합성 기술, 경제적이고 환경 친화적인 특징은 최근 몇 년간 CsPbX3(X = 할로겐)의 완전 무기 금속 할로겐화물 페로브스카이트 나노 결정에 대한 과학적 호기심을 불러일으켰습니다1,2. 무기 납 할로겐화물 페로브스카이트의 성능은 우수하지만, 납의 고유한 독성 문제는 아직 제대로 해결되지 않았습니다3. 따라서 CsSnX3 주석(Sn) 기반 페로브스카이트는 Sn2+ 이온의 무독성으로 인해 SC에 활용될 수 있는 탁월한 옵션이었습니다4,5. CsSnX3 페로브스카이트는 산화를 통해 Sn2+에서 더욱 안정적인 Sn4+로 전환되어 주변 환경에 대한 높은 민감성을 갖게 되었습니다6.

Sn의 s2p0 전자 구성을 갖춘 페로브스카이트 구조의 높은 대칭성은 직접 허용된 전이, 높은 광 흡수 계수, 작은 캐리어 유효 질량 및 높은 결함 허용 오차를 생성하여 우수한 광전자 성능을 가져옵니다. ABX3(A = 알칼리 금속 또는 1가 분자 양이온, B = Pb 또는 Sn, X = 할로겐)의 고유 이온 이동 과정은 슈퍼 장치 안정성을 가져옵니다11. 이러한 매력적인 특징으로 인해 이러한 광전자 할로겐화물 페로브스카이트 반도체는 최근 여러 차례 상용화 시도를 거쳤습니다12,13.