Las células solares de perovskita (PSC) se han convertido en un foco de investigación en el campo fotovoltaico debido a su alta eficiencia y bajo coste, pero su rendimiento se ve limitado por la recombinación de carga y los defectos de interfaz en la capa de transporte de electrones (ETL). SnO₂ es un material candidato ideal para ETL debido a su alta transmitancia (>85%) y estabilidad química, pero sus defectos intrínsecos (como las vacantes de oxígeno) limitan su conductividad.

En este estudio, SnO dopado con niobio₂ (SnO₂:Nb) Las películas delgadas se prepararon mediante tecnología de deposición de capa atómica (ALD), y la transmitancia de ETL se caracterizó con precisión en tiempo real combinando el probador de transmitancia en línea de perovskita Meineng para garantizar que su transmitancia en el rango de luz visible sea >85%, maximizando así la eficiencia de absorción de luz de la capa de perovskita (absorbancia >90%).

Preparación de células solares de perovskita

(a) Diagrama esquemático de una célula solar de perovskita con estructura NIP; (b) S₀ dispositivo (SnO sin dopar₂ ETL) y (c) O₅ dispositivo (SnO dopado con Nb₂ Imágenes SEM de corte transversal (ETL)

Las células PSC adoptan una estructura nip, con vidrio FTO como sustrato y SnO de 15 nm.₂ : Nb o SnO intrínseco₂ Película delgada depositada por ALD a 100°El dopaje de C. Nb se logra ajustando la secuencia de pulsos del precursor (secuencia O y secuencia S) y la relación de ciclo (como 55:1, 15:1, etc.). La cantidad de dopaje se determina mediante análisis de perfil de profundidad XPS (0-3,45% atómico). La capa de perovskita es Cs.₀.₀₅ (MAMÁ₀.₁₆₆FA₀.₈₃₃) ₀.₉₅Pb (Br₀.₁₆₆I₀.₈₃₃)₃, depositado mediante recubrimiento por centrifugación asistido con antidisolvente y recocido a 100°Luego se depositó C. PTAA como capa de transporte de huecos (HTL) y el electrodo de Au se preparó mediante evaporación térmica.

Prueba y análisis de rendimiento eléctrico

(a) Curvas de densidad de corriente-voltaje (JV) de celdas PSC basadas en SnO₂:Nb y SnO sin dopar₂ ETL en la dirección de escaneo inverso; (b) Cambios en la eficiencia cuántica externa (EQE) y densidad de corriente integrada con la longitud de onda

El PCE del SnO intrínseco₂ Dispositivo ETL (S₀) es del 12,15%, mientras que el PCE del SnO óptimo₂:Nb Dispositivo ETL (O₁₀) alcanza el 13,08%, una mejora de la eficiencia del 7,65%, atribuida principalmente a la mejora del Voc (1,05→1,06 V) y Jsc (18,81 → 20,34 mA/cm²).

Bajo nivel de dopaje (≤Dispositivos con un 0,2% at.%) (como O₅₅, oh₁₀) optimizan significativamente la eficiencia de transferencia de carga debido a la reducción de la resistencia en serie (Rₛ=48,35 Ω·cm² vs. 62.10 Ω·cm² de S₀) y el aumento de la resistencia paralela (Rₛₕ=12,77 Ω·cm² vs. 5.32 Ω·cm² de S₀). Dispositivos con alto nivel de dopaje (>0,2 at.%) (como S₅, Nb=3,45 at.%) tienen una caída repentina en FF a 32,70% (Rₛ=443,67 Ω·cm²), lo que resultó en una caída del PCE al 6,12%, lo que indica que el dopaje excesivo introduce resistencia y defectos en la interfaz.

Estudio sobre las características de la capa de perovskita

(a) Imagen SEM de vista superior de FTO/O₁₀/Pk semicelda; (b) Patrones de difracción de rayos X de capas de perovskita con diferentes ETL; (c) Espectros de transmisión óptica de capas de perovskita

La difracción de rayos X y el microscopio electrónico de barrido (SEM) muestran que todas las capas de perovskita en los ETL presentan granos densos (tamaño 60–70 nm) y (100) orientación preferida y PbI₂ Las impurezas no se enriquecen en la interfaz, lo que demuestra que la modificación ETL no afecta la cristalinidad de las perovskitas.

Las características de absorción de luz de la capa de perovskita afectan directamente la eficiencia de la utilización del espectro solar de la célula solarEl análisis de los espectros de transmisión y absorción UV-Vis-NIR reveló que:

Posición del borde de absorción: Todas las muestras presentan bordes de absorción evidentes a 765 nm, lo que corresponde a una banda prohibida óptica (Eg) de 1,62 eV. Esto concuerda con la banda prohibida típica de las perovskitas catiónicas ternarias, lo que indica que la dopación con Nb no altera las propiedades ópticas de las perovskitas.

Absorbancia y transmitancia: En el rango de luz visible (400–750 nm), la absorbancia de la capa de perovskita supera el 90%, mientras que la transmitancia de SnO₂ o SnO₂:Nb ETL es >85%, lo que indica que la alta transparencia del ETL garantiza que la luz incidente sea absorbida completamente por la capa de perovskita, reduciendo las pérdidas ópticas.

Dinámica de portadoras e ingeniería de bandas

Espectro de impedancia de la celda PSC bajo iluminación (diagrama de Nyquist): (a) condición de cortocircuito (V_DC=0 V); (b) condición de circuito abierto (V_DC=Vₒc)

Análisis del espectro de impedancia: La resistencia en serie (Rₛ=48,35 Ω·cm²) de dispositivo dopado con bajo contenido de Nb (O₁₀) es menor que el de S sin dopar₀ (62.10 Ω·cm²), lo que indica que se mejora la eficiencia de transferencia del portador.

(a) Espectro de fotoluminiscencia (PL) en estado estacionario; (b) Curva de desintegración de la fotoluminiscencia transitoria (TRPL); (c) Diagrama de bandas de energía de la perovskita, SnO₂ y SnO₂:Nb ETL

Desintegración de TRPL: La vida útil del portador de O₁₀ dispositivo (τ=461 ns) es significativamente mayor que la de S₀ (149 ns), lo que indica que la recombinación no radiativa de la interfaz está reducida.

Alineación de bandas: el dopaje con Nb hace que el SnO₂ banda de conducción cercana a la banda de conducción de la perovskita, reduciendo la barrera de extracción de electrones e inhibiendo la acumulación de carga en la interfaz.

En este estudio, se analizó la conductividad y la correspondencia de bandas de SnO₂:La ETL de Nb se puede mejorar significativamente controlando con precisión la concentración de dopaje de Nb (≤0,2% atómico mediante tecnología de deposición atómica en capas (ALD), optimizando así el rendimiento fotovoltaico de las células solares de perovskita (PSC). El estudio reveló además que la alta transmitancia del SnO₂:Nb ETL (transmitancia > 85%) garantiza que la capa de perovskita absorba completamente la luz incidente (absorbancia > 90%), reduciendo efectivamente las pérdidas ópticas.