Technique DLCP. (A) Schéma de la flexion de bande d'un semi-conducteur de type p avec des états de piège profonds dans une jonction n + -p. X désigne la distance de la barrière de jonction où les pièges peuvent être capables de changer dynamiquement leurs états de charge avec la polarisation alternative dV. dX désigne le changement différentiel de X par rapport à dV. Ew est l'énergie de démarcation déterminée par Ew =kTln(w0/w) (où k est la constante de Boltzmann). CE, VE, et EF indiquent le bord de la bande de conduction, bord de bande de valence, et niveau de Fermi, respectivement. (B) Dépendance de la densité de porteurs sur la distance de profilage d'une cellule solaire Si à différentes fréquences ca mesurées par DLCP. L'encart montre le schéma de la structure de l'appareil. (C) Schéma de la synthèse d'un monocristal de MAPbI3 en vrac dans une solution à l'air libre. (D) Schéma de la synthèse d'un monocristal mince MAPbI3 double couche en utilisant la méthode de croissance confinée dans l'espace. (E) Dépendance de la densité du piège sur la distance de profilage d'un monocristal MAPbI3 mesurée par DLCP. L'encart montre la structure de l'appareil. (F) Dépendance de la densité du piège sur la distance de profilage d'un monocristal mince MAPbI3 double couche. L'encart montre l'image SEM en coupe transversale du monocristal mince MAPbI3 à double couche. Les épaisseurs des monocristaux supérieur et inférieur étaient de 18 et 35 mm, respectivement. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aba0893
Dans un nouveau rapport publié le Science , Zhenyi Ni et une équipe de recherche en sciences physiques appliquées, le génie mécanique et des matériaux et le génie informatique et énergétique aux États-Unis ont profilé les distributions spatiales et énergétiques des états de piège ou des défauts dans les cellules solaires polycristallines monocristallines à pérovskite aux halogénures métalliques. Les chercheurs ont attribué les performances photovoltaïques des pérovskites aux halogénures métalliques (MHP) à leur coefficient d'absorption optique élevé, mobilité des porteurs, longue longueur de charge-diffusion et faible énergie d'Urbach (représentant le désordre dans le système). Des études théoriques ont démontré la possibilité de former des pièges de charge profonds à la surface du matériau en raison de la faible énergie de formation, défauts structurels et joints de grains des pérovskites pour guider le développement des techniques de passivation (perte de réactivité chimique) dans les cellules solaires à pérovskite. Les états de piège de charge jouent un rôle important lors de la dégradation des cellules solaires à pérovskite et d'autres dispositifs. Comprendre la distribution des états de piège dans leur espace et leur énergie peut clarifier l'impact des pièges de charge (défauts) sur le transport de charge dans les matériaux et dispositifs pérovskites pour leurs performances optimales.
Les scientifiques ont largement utilisé les méthodes de spectroscopie d'admission thermique (TAS) et de courant stimulé thermiquement (TSC) pour mesurer la densité d'états de piège dépendant de l'énergie (tDOS) dans les cellules solaires à pérovskite. Les méthodes peuvent généralement atteindre une profondeur de piège d'environ 0,55 eV, suffisamment profonde pour fabriquer des cellules solaires efficaces. Pour détecter les états de piège plus profonds qui existent dans les pérovskites à large bande interdite, les chercheurs ont utilisé des techniques telles que la spectroscopie de tension de surface et le photocourant à sous-bande interdite. Cependant, la plupart des techniques ne peuvent pas être appliquées à des dispositifs solaires déjà terminés pour mesurer la distribution spatiale des états-pièges. Dans ce travail, Ni et al. a démontré la méthode de profilage de capacité au niveau du lecteur (DLCP) - une technique alternative basée sur la capacité pour fournir des distributions spatiales bien caractérisées des densités de porteurs et de pièges dans les pérovskites. Les scientifiques ont cartographié la distribution spatiale et énergétique des états pièges dans les monocristaux de pérovskite et les films minces polycristallins pour une comparaison directe.
Variation de la capacité de jonction avec l'amplitude des polarisations AC pour une cellule solaire Si. Variation de la capacité de jonction (C) d'une cellule solaire Si par rapport à l'amplitude des polarisations AC (δV) sous différentes polarisations DC mesurées à des fréquences AC de (a) 1 kHz et (b) 100 kHz. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aba0893
L'équipe a développé la méthode DLCP (drive-level capacitance profiling) pour étudier la distribution spatiale des défauts dans la bande interdite des semi-conducteurs amorphes et polycristallins tels que le silicium amorphe. La méthode pourrait déterminer directement la densité de porteurs pour inclure à la fois la densité de porteurs libres et la densité de pièges dans la bande interdite des semi-conducteurs ainsi que leur distribution dans l'espace et l'énergie. Ils ont estimé la densité de piège en soustrayant la densité de porteurs libres estimée mesurée à des fréquences de courant alternatif (ca) élevées de la densité de porteurs totale mesurée à basse fréquence de courant alternatif. La technique a permis à l'équipe de dériver la distribution énergétique des états de piège. Pour valider la précision de la densité de porteurs mesurée par la méthode DLCP, les scientifiques ont effectué des mesures DLCP sur une cellule solaire en silicium fabriquée sur une plaquette de Si cristallin de type p (p-Si) avec une couche de diffusion de type n Si (n + ) en haut. La mesure était cohérente avec la concentration de dopant de la plaquette de p-Si obtenue à partir de la mesure de conductivité pour valider la précision de la densité de porteurs mesurée à l'aide du DLCP.
Pour profiler les densités de porteurs et de pièges à l'aide du DLCP, les chercheurs ont étudié à travers un dispositif d'une électrode à la contre-électrode pour comprendre l'emplacement des jonctions dans les cellules solaires à pérovskite à structure plane. L'équipe a mené plusieurs expériences et observé que les cellules pérovskites maintenaient généralement un n
+
-jonction P entre les composants de l'appareil. Afin de déterminer la profondeur du profil correspondant à la profondeur physique du matériau, Ni et al. construit un dispositif contenant une double couche d'iodure de plomb méthyl ammonium (MAPbI
Distributions spatiales des états de piège dans un monocristal mince MAPbI3. (A) Dépendance de la densité de porteurs sur la distance de profilage d'un monocristal mince MAPbI3 de 39 mm d'épaisseur à différentes fréquences alternatives, mesurée par DLCP. (B) Dépendance de la densité du piège sur la distance de profilage d'un monocristal mince MAPbI3 mesuré à une fréquence alternative de 10 kHz. La densité de porteuses mesurée à 500 kHz est considérée comme des porteuses libres. (C) Schémas d'un monocristal mince MAPbI3 sur un substrat PTAA/ITO avant polissage mécanique, après polissage mécanique, et après traitement à l'oxysel [(C8–NH3)2SO4]. (D) Piège densité près de la barrière de jonction d'un monocristal mince MAPbI3 avant polissage mécanique, après polissage mécanique, et après traitement à l'oxysel. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aba0893
L'équipe a ensuite étudié la distribution des pièges dans les cellules solaires monocristallines à pérovskite et observé l'efficacité de conversion de puissance (PCE) la plus élevée du premier MAPbI signalé.
Distributions de densité de pièges dépendantes de l'épaisseur dans des monocristaux minces de MAPbI3. (A) Dépendance des densités de piège sur les distances de profilage de monocristaux minces MAPbI3 avec différentes épaisseurs de cristal mesurées à une fréquence alternative de 10 kHz. L'emplacement de l'interface MAPbI3/C60 pour chaque cristal est aligné à des fins de comparaison. La flèche en pointillé noir indique la tendance du changement de la densité minimale de piège NT min dans les monocristaux MAPbI3 avec différentes épaisseurs. (B) Dépendance de la NT min dans le monocristal mince MAPbI3 sur l'épaisseur du cristal. La ligne horizontale en pointillés indique la valeur NT min dans un monocristal MAPbI3 en vrac. L'encart montre un schéma de l'écoulement laminaire de la solution de précurseur entre deux verres PTAA/ITO pendant la croissance du cristal. Les flèches désignent le sens de l'écoulement laminaire de la solution de précurseur, et la longueur de la flèche indique la vitesse d'écoulement laminaire. (C) tDOS d'un monocristal mince MAPbI3, mesurée par la méthode TAS. L'épaisseur du monocristal mince MAPbI3 était de 39 mm. (D) Cartographie spatiale et énergétique des densités d'états pièges dans le monocristal mince MAPbI3, mesurée par DLCP. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aba0893
Pour comprendre l'origine de la densité de pièges profonds à l'interface pérovskite, l'équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission à haute résolution et a examiné des échantillons de pérovskite de différentes compositions. Ils ont comparé les distributions de densité de piège entre des monocristaux de pérovskite et des films minces polycristallins avec des compositions variables. Les distributions de densité de piège pour les monocristaux minces étaient de plusieurs ordres de grandeur inférieures à celles des films minces polycristallins. Les résultats ont montré l'importance de processus de modification de surface adéquats pour réduire les densités de pièges dans les monocristaux de pérovskite à l'interface de films minces polycristallins afin d'améliorer les performances du dispositif. Les résultats indiquent une direction importante pour augmenter les performances des cellules solaires à pérovskite et d'autres dispositifs électroniques en réduisant la densité de pièges à l'interface.
Distributions spatiales et énergétiques des états pièges dans les films minces de pérovskite. (A) Courbe J-V des cellules solaires à couche mince Cs0.05FA0.70MA0.25PbI3. L'encart montre la structure de l'appareil. (B) Dépendance de la densité du piège sur la distance de profilage pour le film mince de pérovskite dans la cellule solaire mesurée à une fréquence alternative de 10 kHz. (C) tDOS de la cellule solaire à couche mince pérovskite, mesurée par la méthode TAS. (D) Cartographie spatiale et énergétique des densités d'états pièges du film mince de pérovskite dans la cellule solaire, mesurée par DLCP. (E) Image HR-TEM en coupe transversale de la pile de pérovskite et de PTAA. Les carrés en pointillés marquent les zones où les transformées de Fourier rapides des réseaux ont été effectuées, avec les axes des zones indicatrices blanches et jaunes de [1 −1 −1] et [2 1 0], respectivement. Les lignes rouges indiquent l'orientation des facettes. (F) Transformées de Fourier rapides des zones indiquées en (E). (G) Courbes J-V mesurées et simulées de cellules solaires à structure plane basées sur des films minces polycristallins MAPbI3. Les densités de masse et de piège d'interface à couche mince (monocristal) ont été adoptées pour les simulations. (H) Dépendance du PCE de la cellule solaire à couche mince MAPbI3 sur les densités de piège en vrac et d'interface. Les lignes pointillées désignent les courbes de niveau de certaines valeurs PCE, qui sont notés. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aba0893
De cette façon, Zhenyi Ni et ses collègues ont utilisé le simulateur de capacité de cellules solaires pour simuler les cellules solaires à pérovskite à couche mince et monocristalline avec différentes densités de pièges. La gamme de pièges mesurés avec les mesures DLCP était suffisamment profonde pour prédire le comportement des cellules solaires et réduire la densité de pièges en vrac des matériaux et augmenter l'efficacité de conversion de puissance (PCE) jusqu'à 20 %. En diminuant la densité de piège d'interface, ils ont augmenté les valeurs de PCE plus près de la PCE observée pour une cellule solaire à couche mince sans piège. Les données simulées pour les cellules solaires monocristallines concordent bien avec les expériences, montrant que le PCE de la cellule solaire monocristalline pourrait être encore amélioré à l'interface de l'appareil pour récolter plus de lumière solaire.
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