AgSCN como nuevo material transportador de huecos para células solares de perovskita invertida

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7939 (2023) Citar este artículo

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Se diseñó un novedoso HTM basado en tiocianato de plata (AgSCN) para que pueda utilizarse en células solares de perovskita (PSC). Con rendimiento de masa, el AgSCN se sintetizó en el laboratorio y se dilucida mediante XRD, XPS, espectroscopia Raman, UPS y TGA. La producción de películas AgSCN delgadas y altamente conformes que permiten una rápida extracción y recolección del portador fue posible gracias a un enfoque de eliminación rápida de solventes. Los experimentos de fotoluminiscencia han demostrado que la adición de AgSCN ha mejorado la capacidad de transferir cargas entre HTL y la capa de perovskita en comparación con PEDOT:PSS en la interfaz. Las discrepancias cristalográficas en la película de perovskita policristalina se descubren tras un examen más detenido de la microestructura y morfología de la película, lo que apunta al desarrollo de perovskita moldeada en la superficie de AgSCN. En comparación con los dispositivos del conocido PEDOT:PSS, AgSCN con su alta función de trabajo aumenta la tensión de circuito abierto (VOC) en 0,1-1,14 V (1,04 V para PEDOT:PSS). Con una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 16,66 %, se generan PSC de alto rendimiento de manera efectiva utilizando perovskita CH3NH3PbI3 en comparación con el 15,11 % de los dispositivos PEDOT:PSS controlados. El HTL inorgánico procesado en solución se demostró empleando módulos PSC de clavijas flexibles, duraderos y eficaces, o su uso como celda frontal en células solares híbridas en tándem.

La investigación sobre células solares de perovskita (PSC) ha avanzado mucho en la última década. PSC ha logrado un alto grado de eficiencia de conversión de energía (PCE), superior al 25,7%; sin embargo, varios problemas, incluida la baja estabilidad y el alto costo, continúan impidiendo su implementación práctica1,2,3,4. Un PSC estándar tradicional se compone de un sustrato conductor de TCO (ITO o FTO), una capa de extracción/transporte de electrones (ETL), una capa absorbente de perovskita, una capa de extracción/transporte de orificios (HTL) y un contacto posterior como electrodo5,6 . Debido a su exitosa capacidad de transporte/extracción de huecos y al ajuste de la interfaz que dificultan la transferencia de electrones desde la capa absorbente (perovskita) a los ánodos metálicos (los materiales de transporte de huecos (HTM) o HTL) son importantes para PSC eficaces7. HTM avanzados como PTAA, Spiro-MeOTAD y PEDOT: PSS están disponibles para su comercialización hoy en día8,9,10. Sin embargo, la cristalinidad limitada, la movilidad deficiente, el alto costo y el posible deterioro del aire debido a la humedad son solo algunos de los problemas con estos HTM orgánicos11,12. Las alternativas inorgánicas, térmica y químicamente compatibles a bajas temperaturas de tratamiento y muy estables son extremadamente raras13,14. Por supuesto, es imperativa la creación de alternativas HTM actualizadas, de bajo costo y fáciles de obtener para PSC altamente efectivas. Los HTM apropiados requieren alta movilidad, el mayor grado de energía de orbitales moleculares ocupados (HOMO) y propiedades químicas y físicas estables14,15. Teniendo en cuenta su alta movilidad, estabilidad, facilidad de síntesis y bajo costo, los semiconductores inorgánicos tipo p son una mejor opción que los HTM orgánicos13,14,16.

El conductor de orificio orgánico de PEDOT:PSS17 se reemplaza por material inorgánico tipo p HTM basado en PSC planos invertidos. Debido a que el VOC de un PSC de heterounión plana se establece significativamente a través de las interfaces perovskitas/capas intermedias de transporte de carga, la posible pérdida de energía en la interfaz entre PEDOT:PSS y CH3NH3PbI3 da como resultado una reducción del VOC18. Por ejemplo, en comparación con PEDOT:PSS, CuSCN se distingue con niveles de energía de VB = − 5,3 eV y CB = − 1,8 eV, lo que es consistente con CH3NH3PbI3 (VB = − 5,4 eV). Además, CuSCN ofrece una mejor transparencia en todo el rango UV-Vis-NIR con una amplia banda prohibida (Eg) de 3,6 eV, lo que facilita que los materiales fotoactivos absorban más luz en una estructura invertida para generar una fotocorriente más alta19. Este estudio emplea AgSCN como sustituto del HTM inorgánico para CuSCN20. En particular, aparte de su uso como fuente de dopaje de Cu y Ag en una célula solar de dicalcogenuro metálico complementario (CdTe), no se ha informado que CuSCN y AgSCN procesados ​​en solución sean PSC inorgánicos basados ​​en HTL. Las ventajas del CuSCN radican en el hecho de que puede servir como capa de transporte de huecos y como fuente de dopaje de Cu, mientras que AgSCN, con su mayor resistividad, puede servir simplemente como fuente de dopaje de Ag con una tasa de difusión más lenta21. En la Tabla S1 (SI), resumimos los parámetros fotovoltaicos de PSC invertidos basados ​​en CuSCN como HTM inorgánico durante el período 2015-2020 para defender la eficiencia en comparación con los nuevos resultados de AgSCN. Se sabe que CuSCN está formado por Cu+, que es menos estable que Cu2+ e indeseable para la estabilidad química. La estructura depende de la entalpía de los iones cuando se unen a otras moléculas (energía de hidratación). El ion Cu2+ tiene una mayor densidad de carga que el ion Cu+, creando enlaces mucho más fuertes que liberan energía extra22,23,24.

En este trabajo, se investiga AgSCN como HTL mediante el procesamiento de solución de una arquitectura PSC invertida basada en CH3NH3PbI3 como capa absorbente por primera vez. La arquitectura del dispositivo tipo pin consta de ITO/AgSCN/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag. Se obtuvo un PCE máximo del 16,66% en experimentos preliminares empleando AgSCN-HTL.

Se disolvieron 0,1 mol/L de polvo de cloruro de plata (AgCl) en agua bidestilada (DD) durante 1 h con agitación continua. Después de terminar la agitación, la solución transparente de cloruro de plata se almacenó a temperatura ambiente entre 0 y 5 °C durante 1 día. Se disolvieron 0,1 mol/l de tiocianato de amonio (NH4SCN) en agua DD con agitación continua durante 1 h. Luego, se cargó una solución de cloruro de plata en un matraz cónico (300 ml) y se añadió gradualmente una solución de NH4SCN con agitación durante 3 h. Se precipitó un precipitado de nanoestructuras de AgSCN. El precipitado obtenido se lavó muchas veces con agua antes de deshidratarlo a 60 °C durante 6 h en una estufa de vacío. El mecanismo de reacción de un paso es el siguiente en la Fig. 1.

Estructuras moleculares y procedimientos sintéticos para AgSCN.

Se utilizó un sistema de limpieza ultrasónico para limpiar el sustrato de ITO, del tamaño del vidrio recubierto de ITO (2 cm x 2 cm), que inicialmente se sumergió en una combinación de agentes limpiadores y agua desionizada antes de enjuagarse muchas veces con agua desionizada. Se acostumbró el giro para AgSCN en sulfuro de dipropilo con diferentes concentraciones a la preparación de HTL a 3000 rpm en sustrato ITO durante 30 s a temperatura ambiente. La deposición de la película delgada de AgSCN se realiza en una caja de guantes seca con una humedad relativa (RH) entre 25 y 30 y luego se deja durante al menos 30 minutos antes de que comience la deposición de la capa de perovskita. El PEDOT:PSS, como HTL de referencia, se recubrió por rotación en la atmósfera (fuera de la guantera) a 6000 rpm durante 40 s, según la literatura de18. Posteriormente, el sustrato recubierto con HTL se transfirió a la guantera para el siguiente paso. La capa activa sobre HTL se depositó mediante recubrimiento por rotación de una solución precursora de perovskita a 4000 rpm durante 30 s. Después de 12 s, se lanzaron verticalmente los 350 \(\mu \) L de clorobenceno. Después de 90 s de recocido a 50 °C, la película recubierta por rotación se transfirió a una placa calefactora diferente y se recoció a 100 °C durante 10 min. La solución de PC61BM se depositó a 4000 rpm durante 30 s para el ETL sobre la lámina absorbente de perovskita. Durante 30 s, la capa tampón de la solución BCP se hizo girar a 2000 rpm para cubrir la superficie. Luego, las células se transfirieron a la cámara del evaporador térmico para calentar la evaporación de Ag a 120 nm y finalmente se formó el contacto posterior. La superposición entre el electrodo ITO y Ag revela un área activa de 0,1 cm2.

En SHIMADZU, Japón, se utilizó un difractómetro X XRD-7000 para determinar el patrón XRD. Utilizamos TGA/DTA para evaluar un STA504. Para medir los espectros de absorción UV, se empleó un espectrómetro Shimadzu UV-2550. El tamaño de grano de la capa de perovskita se midió mediante microscopía electrónica de barrido de campo (SEM, JSM-6700F). Utilizando un Thermo Fisher ESCALAB 250Xi, analizamos los espectros de los fotoelectrones ultravioleta. Las muestras de AgSCN y PEDOT:PSS se caracterizaron mediante mediciones de efecto Hall en geometría de Van der Pauw (Ecopia HMS-3000), con los cuatro puntos de soldadura colocados en las esquinas de los sustratos. Se empleó una estación de trabajo electroquímica 660D (Shanghai Chen hua Instrument Co., Ltd., China) para determinar el espectro de impedancia de CA. Se utilizó el simulador Newport (modelo 94043A) para adquirir las curvas JV, mientras que la intensidad de la luz simulada se ajustó a 100 mW/cm2 y se midió utilizando un medidor de fuente Keithley 2400. Con un paso de voltaje de diez mV y cero milisegundos de retraso, implementamos el escaneo hacia atrás de −1,2 a 0,2 V, y la condición medida fue de 25 a 30 °C. Se utilizó un amplificador lock-in (SR-830) para obtener la fotocorriente generada por la luz monocromática que se manipuló. El EQE del dispositivo se determinó calculando la fotocorriente medida y la intensidad de la luz.

Como se ve en la Fig. 1, el nuevo HTM se sintetizó utilizando reacciones de precipitación tradicionales con rendimientos razonables. Se investigaron sistemáticamente las características de las estructuras fotofísicas, electroquímicas, térmicas y electrónicas y las propiedades relacionadas con el HTM. Consulte la Fig. 2a para el estudio de difracción de rayos X de partículas de AgSCN. Los picos del espectro XRD son claramente diferentes. Todo se puede indexar con precisión al AgSCN cristalino, no solo en las posiciones máximas sino también en su fuerza relativa. Todos los patrones coincidieron muy bien con AgSCN y coincidieron con JCPDS: 29–1443. Espacio dentro del grupo: C2/c, a = 8,774 Å, b = 7,972 Å y c = 8,182 Å también coincidieron. Los picos indexados en 2θ = 15,03°, 18,97°, 21,77°, 24,87°, 25,99°, 28,88°, 33,82°, 36,96°, 40,20°, 48,42° se asignaron a los planos monoclínicos del cristal AgSCN (110). (111), (002), (− 112), (−202), (221), (130), (312), (402)25,26. La Figura 2b demuestra que AgSCN es monoclínico en la célula, con ocho moléculas. Los grupos SCN−, con un ángulo de enlace de 179,6(5)°, tienen una geometría molecular casi lineal. La longitud de interacción de Ag-Ag bajo varía de 0,3249 (2) a 0,3338 (2) nm, como un zigzag en una secuencia unidimensional en AgSCN27. Como lo demuestran las formas nítidas de los picos prominentes, hubo escasez de defectos en AgSCN, que mejoran las cargas fotoinducidas por los centros de recombinación. Por lo tanto, AgSCN posiblemente pueda usarse como HTL con alta capacidad de extracción de orificios. Por otro lado, para caracterizar el AgSCN, se llevó a cabo además el análisis de espectroscopía Raman. La Figura S1, la información complementaria (SI) indica las vibraciones simétricas que se prolongan de SCN y CN en el AgSCN, lo que resulta en picos de 2150 y 710 cm-128.

( a ) Análisis de difracción de rayos X y tarjeta JCPDS correspondiente de HTM sintetizado de AgSCN. (b) Geometría molecular del cristal AgSCN.

En la Fig. 3a se muestra una descripción general del XPS de AgSCN, que muestra todos los picos de AgSCN29. Se observan dos picos en la Fig. 3b, que indican los espectros Ag 3d XPS. Ag 3d5/2 a 368,4 eV y Ag 3d3/2 a 374,4 eV, respectivamente, lo que sugiere la condición monovalente de Ag. En la Fig. 3c, los picos en 163,2 y 164,4 eV podrían asignarse a S 2p de SCN−. Los picos en la Fig. 3d a 284,5 y 286,25 eV corresponden a los grupos C – C y SCN −. En la Fig. 3e, el espectro XPS de N 1 s muestra que el pico que apareció a 398,3 eV pertenece a la categoría C = N – C30.

El análisis de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X incluye (a) el estudio XPS del producto que indica todos los picos del AgSCN actualmente inventado, (b) Ag 3d, (c) S 2p, (d) C 1s y (e) N 1s. .

Una alineación adecuada de los niveles de energía entre perovskita y HTM es importante para suprimir las pérdidas de energía en las PSC. En la Fig. 4 y la Fig. S2 (SI), los espectros de UPS que se muestran aquí se han utilizado para investigar la función de trabajo de la película delgada AgSCN. El UPS total de amplio rango se presenta en la Fig. S2 (SI). Como se revela en la Fig. 4a, b, el nivel de energía de Fermi de AgSCN se redujo significativamente en relación con la estructura más cercana de CuSCN, como se informó 31,32,33. Para AgSCN, para el segundo límite, la función de trabajo es de alrededor de 5,07 eV, que se calcula a partir de ΦAgSCN = 16,15–21,22 eV = –5,07 ± 0,1 eV13,34,35,36; para más detalles sobre el cálculo se encuentra en el SI. Al recopilar el nivel de Fermi y el valor de la función de trabajo, la banda de valencia (VB) será igual a – 5,32 ± 0,2 eV. El mayor nivel de energía de AgSCN puede ayudar en gran medida a la alineación de la banda entre AgSCN y las perovskitas. El AgSCN, por lo tanto, tiene un VB marginalmente mayor de –5,32 eV en comparación con PEDOT:PSS (como se midió experimentalmente en nuestro trabajo anterior37) y CuSCN con –5,1 y −5,3 eV, respectivamente18,38. La función de trabajo de AgSCN se ajustaba mejor al transporte de huecos y al bloqueo de electrones que la de cualquier otra perovskita estudiada (– 5,4 eV). La función de trabajo mejorada también puede aumentar el COV del dispositivo al aumentar la posible distinción entre HTL VB y la perovskita (VB)18. Para determinar el CB de AgSCN, obtuvimos la banda óptica para la película delgada de AgSCN mediante αhʋ = A (hy - Eg) n (ecuaciones de Tauc) a través de espectros de transmitancia39 como se muestra en la Fig. 4c. La curva lineal especifica que la banda prohibida óptica (Eg) de AgSCN es igual a 3,95 ± 0,1 eV. Por lo tanto, el mínimo de CB es de hasta −1,37 ± 0,1 eV. Como se muestra en el esquema del nivel de energía en la Fig. 4d, la combinación de energía favorable entre AgSCN y la capa de perovskita se observa en comparación con PEDOT: PSS, que se utiliza como un famoso HTL en PSC de estructura invertida. Los espectros de transmisión de películas delgadas de ITO/PEDOT:PSS e ITO/AgSCN se muestran en la Fig. S3. En comparación con ITO/PEDOT:PSS, la transmisión de AgSCN no tiene cambios con el bit de transmisión más significativo, lo que no tiene impacto en el resultado de conversión.

(a) La espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta (UPS) describe la energía del máximo de la banda de valencia (VBM) y (b) la función de trabajo (WF) de la muestra de AgSCN. (c) Transición de banda prohibida directa mediante el cálculo de AgSCN de Tuac. (d) Arquitectura del dispositivo de PSC (pin) basado en AgSCN con un diagrama esquemático de bandas de energía colocado en relación con el vacío. (e) Imagen SEM de sección transversal de PSC en el sustrato con AgSCN como HTL.

La configuración de los dispositivos PSC que consisten en ITO / AgSCN / MAPbI3 / PCBM / BCP / Ag revelada en la Fig. 4d se seleccionó para aprender cómo nuestra capa HTL afecta la funcionalidad de los dispositivos de perovskita. La sección experimental incluye una descripción completa de cómo fabricar los dispositivos. En la Fig. 4e se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) de la sección transversal del diseño del dispositivo invertido de vidrio/ITO, AgSCN HTL con CH3NH3PbI3, PCBM recubierto por rotación como ETL, BCP como capa amortiguadora. y finalmente Ag como electrodo superior. En la imagen SEM se muestra que la celda mejorada y eficiente basada en AgSCN HTL tiene una deposición homogénea a lo largo de su longitud. El proceso de fabricación del dispositivo comenzó con una capa extremadamente delgada de AgSCN (50 nm) sobre el vidrio ITO. A continuación, se depositó una película MAPbI3 homogénea y densa de 350 nm de espesor sobre el sustrato AgSCN o PEDOT:PSS como referencia con una capa de perovskita de alta calidad y excelente cristalinidad, las cuales se espera que ayuden en la producción y transferencia eficiente de carga. . Después de eso, se aplicó encima una capa de PCBM/BCP con un espesor de alrededor de 150 nm. En última instancia, el contacto posterior se proporcionó a través de un electrodo de Ag de 120 nm. El diagrama de niveles esquemático de la figura 4, que se basa en los datos antes mencionados, aclara la transmisión y extracción eficiente de electrones y huecos.

La absorbancia de la capa activa en las células solares de perovskita es muy importante en la creación de pares electrón-hueco y determina consistentemente la eficiencia final de las células. En consecuencia, en la Fig. S4 se comparan los espectros de absorción de la película ITO/AgSCN o PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3 y la película ITO/CH3NH3PbI3 sin HTM. El comportamiento de absorción casi idéntico de las tres películas demuestra que la elección de AgSCN como HTL es mejor que PEDOT:PSS y no afecta las propiedades absorbentes de las películas CH3NH3PbI3. Estudiar el efecto de los defectos optoelectrónicos y la cristalinidad de la capa de perovskita basada en HTM de AgSCN o PEDOT:PSS. La energía de Urbach (Eu) se deriva de los espectros de absorción (Fig. S4) según la regla empírica de Urbach descrita en los detalles del SI. La Figura 5a muestra la Eu de capas de CH3NH3PbI3 sobre sustratos con y sin AgSCN y PEDOT:PSS. Se ha calculado que la energía de Urbach para películas AgSCN, PEDOT:PSS y CH3NH3PbI3 es 54, 63 y 72 meV, respectivamente. Se puede ver que el valor Eu de las películas CH3NH3PbI3 sin HTL es mayor que el de la película AgSCN, PEDOT:PSS, lo que indica más estados defectuosos y átomos desordenados. Así, la capa absorbente mejoró basada en AgSCN como HTM40,41.

(a) Energía de Urbach (Eu) de capas de CH3NH3PbI3 sobre sustratos con y sin AgSCN y PEDOT:PSS. (b) PL, (c) Utilizando espectroscopía de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL), comparamos los espectros de películas delgadas de AgSCN y PEDOT:PSS como HTL. (d) Curva J - V para los dispositivos preparados según la condición óptima de AgSCN y PEDOT:PSS como dispositivo de referencia. (e) Espectros JSC y EQE integrados de AgSCN y PEDOT:PSS optimizados. (f) Dispositivos fabricados a partir de PSC y su correspondiente gráfico de Nyquist de sustratos AgSCN y PEDOT:PSS con polarización de CC de 0,8 V bajo una iluminación solar AM1.5 (las líneas de puntos dan las curvas ajustadas).

Se ha trabajado mucho para explorar las características beneficiosas de AgSCN como HTL. Para evaluar las capacidades de extracción de carga de la capa AgSCN-HTL, por ejemplo, se ha creado un experimento de extinción de fotoluminiscencia (PL) en estado estacionario. La eficiencia de extracción de orificios de PEDOT: PSS se compara con la de una capa de AgSCN de referencia en la Fig. 5b utilizando CH3NH3PbI3 como absorbente. De la Fig. 5b se desprende claramente que AgSCN puede extraer agujeros de manera más eficiente que PEDOT: PSS porque la película de AgSCN exhibe un enfriamiento de PL más eficiente.

Para optimizar la mejor concentración para preparar una película HTL, cubrimos por rotación el AgSCN con diferentes concentraciones (5, 15, 25 y 35 mg/ml). Para el estudio comparable, se fabrica un dispositivo basado en PEDOT:PSS para garantizar las condiciones de fabricación celular. Se encontró que la concentración optimizada de AgSCN era 25 mg/ml. Además, se logró la movilidad del orificio medida (\({\upmu }_{h}\)) para los 25 mg/ml de AgSCN \(\sim \) 2,1 \(\times \) 10–2 cm2/V /s comparado con \(\sim \) 5 \(\times \) 10–5 de PEDOT:PSS. La Figura S5 muestra las curvas de corriente-voltaje (JV) medidas obtenidas en la dirección de escaneo inversa, y la Tabla S2 resume las características operativas del dispositivo. La Figura S5 y la Tabla S2 muestran el PCE más alto del 16,66 % para AgSCN HTL fabricado a partir de una solución de 25 mg/ml. Para un valor de VOC, se obtienen 1,14 V, un FF de 77,01 % y un JSC de 19,00 mA/cm2 para este dispositivo campeón. La eficiencia cae precipitadamente a reducciones del 15,63 % y 11,02 % en la concentración de AgSCN a 15 y 5 mg/ml, respectivamente. A la concentración más alta de 35 mg/mL, el dispositivo alcanzó 14,33 %, 1,11 V, 67,53 % y 19,17 mA/cm2 para PCE, VOC, FF y JSC, respectivamente. Como resultado, el límite para la concentración de AgSCN debe establecerse en no más de 25 mg/ml. La Figura 5d compara las curvas de J – V para los mejores dispositivos basados ​​en AgSCN y PEDOT: PSS-HTL. El dispositivo PSC basado en AgSCN presenta un rendimiento favorable, en comparación con el PCE del 15,11 % del dispositivo basado en PEDOT:PSS-HTL (VOC = 1,04 V, JSC = 18,17 mA/cm2 y FF = 0,80). Los parámetros completos de VOC, JSC, FF y PCE se presentan en la Tabla 1. En los dispositivos basados ​​en AgSCN, una mayor cristalinidad de la película y una mejor transferencia de carga son compatibles con las caracterizaciones SEM y PL, lo que lleva a aumentos en el valor JSC y VOC.

Además, hemos encontrado que el sustrato AgSCN tiene una morfología de superficie uniforme con pequeñas partículas homogéneas que varían de 20 a 25 nm, y para la referencia PEDOT:PSS en la misma dirección con partículas homogéneas que varían de 20 a 30 nm, como se muestra en la Fig. S6a, b. La película delgada de AgSCN lograda con éxito produjo una mejor película de perovskita con poros libres y granos grandes, mientras que la película delgada de PEDOT: PSS produjo una película de perovskita de calidad similar con poros descubiertos, como se presenta en la Fig. S6c, d. Además, las figuras muestran que los tamaños de grano de la capa de perovskita están coordinados en 250–300 nm y 300–350 nm para PEDOT:PSS y AgSCN, respectivamente.

El JSC de los dispositivos también se examinó utilizando espectros EQE o espectros de eficiencia cuántica externos (Fig. 5e). Se encontró que la densidad de corriente integrada (JSC) de los espectros EQE era 18,87 y 18,01 mA/cm2 para los dispositivos AgSCN y PEDOT:PSS-HTL, respectivamente, lo que coincide bien con las mediciones J-V. Además, se realiza espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) de los dispositivos para probar la eficacia de AgSCN para el transporte de carga en las interfaces PSC. La Figura 5f muestra los gráficos de Nyquist para AgSCN y PEDOT: dispositivos PSS como HTL medidos con iluminación AM1.5 y una polarización de 0.8 V, y sus hallazgos de ajuste para las curvas correspondientes se muestran en la misma Figura 5f. Se encontró que los valores de resistencia de transferencia de carga (Rtrans) de los dispositivos basados ​​en PEDOT:PSS y AgSCN, respectivamente, eran 512,8 y 408,2 \(\Omega \) a partir de los resultados de ajuste (Tabla S3). El bajo valor de Rtrans denota la interacción interfacial mejorada entre AgSCN y la película CH3NH3PbI3, donde los agujeros fotogenerados se extraen efectivamente de la capa de perovskitas. En consecuencia, el análisis del sistema utilizando el análisis EIS verificó además que AgSCN HTL conduciría a un mejor transporte de carga y una reducción de la recombinación de carga en las interfaces del dispositivo para proporcionar una eficiencia fotovoltaica mejorada de los PSC planos invertidos.

La Figura S7 (SI) y la Tabla S4 comparan la reproducibilidad de AgSCN y PEDOT:PSS HTL dentro del PSC. Las estadísticas del dispositivo muestran parámetros con distribución limitada, incluido el PCE de dispositivos basados ​​en AgSCN HTL, lo que indica una reproducibilidad excelente. En la Fig. S8, el TGA y el DTA se realizaron en una atmósfera de oxígeno entre 30 y 600 °C para analizar la estabilidad térmica del AgSCN. La Figura S8 indica una etapa exotérmica de desintegración de AgSCN con una pérdida de masa del 55% (Calcd. 55,80%) a 330 °C. Los cálculos de la pérdida de masa revelaron que AgO y Ag2O eran los productos finales de la descomposición. La estabilidad térmica superior del AgSCN a 550 °C se puede acreditar a una estructura polimérica y al correspondiente complejo de cianuro42.

Por otro lado, se debe tener en cuenta la mejora de la estabilidad del PSC. Como resultado, la estabilidad de nuestras PSC bajo luz AM1.5 y el rango de temperatura (25–30 °C) se probó durante aproximadamente 500 h sin encapsulación. Como se muestra en la Fig. S9, las PSC con AgSCN demostraron una estabilidad excepcional a largo plazo en comparación con las PSC de control basadas en PEDOT:PSS. El PCE de los PSC con AgSCN conserva aproximadamente el 80,9 por ciento de su eficiencia inicial, que se modifica del 16,7 al 13,52 %, después de una medición operativa continua durante 500 h en una atmósfera con un 48 % de humedad relativa. En las mismas condiciones de prueba, el PCE del PSC basado en PEDOT:PSS casi se reduce del 15,11 al 9,43 %, lo que indica una menor estabilidad y una tasa de deterioro más rápida.

Para PSC invertidas, el tiocianato de plata (AgSCN) es un potencial material transportador de agujeros (HTM). Debido a su confiabilidad superior y alta eficiencia de conversión de energía (PCE) en comparación con las células solares de perovskita convencionales, las PSC invertidas han atraído mucho interés. Sin embargo, encontrar un HTM apropiado para PSC invertidas puede resultar difícil porque el HTM debe cumplir con los niveles de energía de la perovskita y tener una alta movilidad del orificio, una excelente estabilidad y compatibilidad. Se ha demostrado que la alta movilidad de los agujeros de AgSCN (~ 2,1 × 10–2 cm2/V/s) elimina eficazmente los agujeros de la capa de perovskita. La pérdida de energía en el contacto perovskita-HTM también se ve mitigada por su buena coordinación del nivel de energía con la perovskita. La función de trabajo más alta para AgSCN que PEDOT:PSS (− 5.32 y − 5.1, respectivamente) coincide con el VB de CH3NH3PbI3 como capa activa que PEDOT:PSS, lo que reduce la pérdida de energía por la transferencia de h+ desde el VB de CH3NH3PbI3 a AgSCN. Por lo tanto, la función de trabajo mejorada también puede aumentar el VOC del dispositivo al aumentar la posible distinción entre HTL VB y la capa de perovskita18. Esto puede dar como resultado un VOC más alto para el PSC, ya que existe una fuerza impulsora más significativa para la transferencia de portadores de carga desde la capa de perovskita al HTL.

La estabilidad a altas temperaturas de AgSCN también es un buen augurio para la durabilidad del dispositivo IPSC. Como se puede mostrar en la Fig. 5c, los resultados del PL resuelto en el tiempo (TRPL) son consistentes con los del enfriamiento del PL en estado estacionario. Estos resultados resaltan la necesidad de una extracción y recolección de carga efectiva al demostrar la existencia de una transferencia de huecos eficiente entre la perovskita y AgSCN. El valor EQE del dispositivo basado en AgSCN-HTL, algo más alto, se atribuye a una extracción de carga mejorada y una recolección de carga mejorada, lo que indica un mejor rendimiento del dispositivo. El voltaje de circuito abierto (VOC) mejorado en el dispositivo basado en AgSCN-HTL sugiere una menor recombinación, lo que es consistente con la idea de que AgSCN-HTL reduce los estados de trampa y mejora la alineación de las bandas de energía. Se concluye que el primer intento de eficiencia de la célula solar de perovskita (PSC) usando AgSCN-HTL es significativamente superior que el de la mayoría de los dispositivos que usan PEDOT:PSS-HTL, y se pueden lograr mejoras adicionales optimizando la capa de perovskita y/o Espesores de la capa de transporte de electrones (ETL). En general, este párrafo proporciona evidencia de que el uso de AgSCN-HTL da como resultado un mejor rendimiento de los PSC en comparación con PEDOT:PSS-HTL, al reducir los estados de trampa, mejorar la alineación de las bandas de energía y mejorar la recolección de carga. Esto es importante porque sugiere que optimizar la elección de HTL puede mejorar la eficiencia general de los PSC, lo cual es crucial para su adopción generalizada como fuente de energía sostenible.

Con respecto a la estabilidad inferior de los dispositivos basados ​​en PEDOT:PSS, el efecto de PEDOT:PSS sobre la estabilidad de las PSC se ha estudiado ampliamente y, según la prueba de estabilidad de este trabajo, hay evidencia que sugiere que la naturaleza ácida de PEDOT: El PSS puede causar degradación con el tiempo. Se ha demostrado que PEDOT:PSS puede liberar protones y acidificar la capa de perovskita, provocando la formación de yoduro de plomo y la pérdida de rendimiento de la célula solar43,44,45. Mientras que para AgSCN, el sulfuro de dipropilo utilizado como disolvente es muy volátil y, dentro del recubrimiento de giro, no afecta la degradación de la capa de perovskita.

En resumen, AgSCN es un HTM prometedor para PSC invertidas debido a su alta movilidad del orificio, alineación adecuada del nivel de energía y buena estabilidad. Se necesitan más estudios para optimizar su rendimiento y comprender los mecanismos subyacentes, pero tiene el potencial de permitir el desarrollo de dispositivos IPSC más eficientes y estables.

En conclusión, utilizamos por primera vez AgSCN como HTL en un proceso de solución a temperatura ambiente para crear un PSC basado en CH3NH3PbI3, y su inserción en un PSC con configuración de pines planos aumentó la eficiencia en un 16,66%. Cuando se utiliza AgSCN como HTL, las células solares tienen un PCE más de un 1% más alto que cuando se utiliza PEDOT:PSS como HTL. Esta diferencia se puede atribuir principalmente a un aumento dramático en el VOC de 0,1 V y un ligero aumento en FF y JSC. Los datos experimentales revelaron resultados superiores, principalmente debido a la distribución favorable del nivel de energía, la excelente movilidad de la carga y la capacidad de extraer agujeros. La movilidad del hueco para los 25 mg/ml de AgSCN se logró \(\sim \) 2,1 \(\times \) 10–2 cm2/V/s en comparación con \(\sim \) 5 \(\times \) 10 –5. Este método de producción de AgSCN a baja temperatura y bajo costo se considera fácil y escalable, lo que es un buen augurio para la comercialización de dispositivos flexibles y tecnologías fotovoltaicas basados ​​en perovskita. En resumen, AgSCN es un rival económico y no tóxico con el que es sencillo trabajar a bajas temperaturas. Es un fuerte competidor para la creación de dispositivos en tándem y células solares de unión pin de alta eficiencia hechas de perovskitas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y estarán disponibles previa solicitud a través del autor correspondiente.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB).

Departamento de Materiales Electrónicos y Magnéticos, Instituto Central de Investigación y Desarrollo Metalúrgico (CMRDI), Helwan, PO Box 87, El Cairo, 11421, Egipto

Ahmed Mourtada Elseman

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Elseman, AM AgSCN como nuevo material transportador de orificios para células solares de perovskita invertida. Informe científico 13, 7939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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Recibido: 06 de abril de 2023

Aceptado: 12 de mayo de 2023

Publicado: 16 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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