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Jun 06, 2023

AgSCN como nuevo material de transporte de agujeros para células solares de perovskita invertida

Informes científicos volumen 13,

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

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Detalles de métricas

Se diseñó un nuevo HTM basado en tiocianato de plata (AgSCN) para poder usarlo en células solares de perovskita (PSC). Con rendimiento másico, el AgSCN se sintetizó en el laboratorio y se elucida mediante XRD, XPS, espectroscopia Raman, UPS y TGA. La producción de películas AgSCN delgadas y altamente conformables que permiten la extracción rápida de portadores y la recolección fue posible gracias a un enfoque de eliminación rápida de solventes. Los experimentos de fotoluminiscencia han demostrado que agregar 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 detallado de la microestructura y la morfología de la película, lo que apunta al desarrollo de perovskita moldeada en la superficie de AgSCN. En comparación con los dispositivos debido al conocido PEDOT:PSS, AgSCN aumenta el voltaje de circuito abierto (VOC) con su función de alto trabajo 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 efectivamente PSC de alto rendimiento utilizando perovskita CH3NH3PbI3 en comparación con el 15,11 % de los dispositivos PEDOT:PSS controlados. El HTL inorgánico procesado en solución se demostró empleando métodos sencillos para construir módulos de PSC de pines flexibles duraderos y efectivos o su uso como celda frontal en celdas solares tándem híbridas.

La investigación sobre las células solares de perovskita (PSC) ha avanzado mucho en la década anterior. 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 TCO conductor (ITO o FTO), una capa de extracción/transporte de electrones (ETL), una capa absorbente de perovskita, una capa de extracción/transporte de huecos (HTL) y contacto posterior como electrodo5,6 . Debido a su exitosa capacidad de transporte/extracción de huecos y el ajuste de la interfaz que dificulta 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 los PSC eficaces7. Los HTM avanzados como PTAA, Spiro-MeOTAD y PEDOT: PSS ya están disponibles para su comercialización8,9,10. Sin embargo, la cristalinidad limitada, la poca movilidad, el alto costo y el posible deterioro del aire debido a la humedad son solo algunos 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. La creación de alternativas HTM actualizadas, de bajo costo y fáciles de obtener para PSC altamente efectivos es, por supuesto, imperativa. Los HTM apropiados requieren alta movilidad, el grado más alto de energía orbital molecular ocupada (HOMO) y propiedades químicas/físicas estables14,15. Teniendo en cuenta su alta movilidad, estabilidad, facilidad de síntesis y bajo costo, los semiconductores inorgánicos de 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 HTM tipo p basado en PSC planos invertidos. Debido a que el VOC de un PSC de heterounión plana se establece significativamente a través de las interfaces de las capas intermedias de transporte de cargas/perovskitas, la posible pérdida de energía en la interfaz entre PEDOT:PSS y CH3NH3PbI3 da como resultado una reducción de VOC18. Por ejemplo, cuando se compara 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 banda prohibida amplia (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 HTM inorgánico sustituto de CuSCN20. En particular, aparte de su uso como fuente de dopaje de Cu y Ag en una celda solar21 de dicalcogenuro de metal complementario (CdTe), el CuSCN procesado en solución y el AgSCN no se han informado como PSC inorgánicos basados ​​en HTL. Las ventajas de 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 solo como fuente de dopaje de Ag con una tasa de difusión más lenta21. En la Tabla S1 (SI), resumimos los parámetros fotovoltaicos de las PSC invertidas basadas 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 consta de Cu+, que es menos estable que Cu2+ e indeseable para la estabilidad química. La estructura se basa en la entalpía de los iones cuando se unen a otras moléculas (energía de hidratación). El ion Cu2+ tiene una densidad de carga más alta que el ion Cu+, lo que crea enlaces mucho más fuertes que liberan energía adicional22,23,24.

En este trabajo, AgSCN como HTL se investiga a través del procesamiento de la solución de la 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 de 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 clara 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 hora. Luego, se cargó una solución de cloruro de plata en un matraz cónico (300 mL) y se agregó 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 deshidratarse a 60 °C durante 6 h en una estufa de vacío. El mecanismo de reacción de un paso es el siguiente Fig. 1.

Estructuras moleculares y procedimientos sintéticos para AgSCN.

Se usó un sistema de limpieza por ultrasonidos para limpiar el sustrato de ITO, del tamaño del vidrio revestido con ITO (2 cm × 2 cm), que inicialmente se sumergió en una combinación de agente de limpieza y agua desionizada antes de enjuagarse muchas veces con agua desionizada. La hilatura para AgSCN en sulfuro de dipropilo con diferentes concentraciones se acostumbró a la preparación de HTL a 3000 rpm en sustrato de ITO durante 30 s a temperatura ambiente. La deposición de la película delgada de AgSCN se realiza en una caja de guantes seca con humedad relativa (HR) 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 con una solución precursora de perovskita a 4000 rpm durante 30 s. Después de 12 s, los 350 \(\mu \) L de clorobenceno se colaron verticalmente. 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 amortiguadora de la solución de BCP se centrifugó 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, eventualmente se formó el contacto posterior. La superposición entre el electrodo ITO y el Ag revela un área activa de 0,1 cm2.

En SHIMADZU, Japón, se utilizó un difractómetro XRD-7000 X para determinar el patrón XRD. Usamos 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). Usando un Thermo Fisher ESCALAB 250Xi, analizamos los espectros de los fotoelectrones ultravioleta. Las muestras de AgSCN y PEDOT:PSS se caracterizaron mediante medidas 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 usó el simulador Newport (modelo 94043A) para adquirir las curvas JV, mientras que la intensidad de la luz simulada se fijó en 100 mW/cm2 y se midió usando 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 AgSCN. Los picos del espectro XRD son claramente diferentes. Todos pueden indexarse ​​con precisión a AgSCN cristalino, no solo en las posiciones de los picos sino también en la fuerza relativa. Todos los patrones coincidieron muy bien con AgSCN y coincidieron con JCPDS: 29–1443. Espacio en grupo: C2/c, a = 8,774 Å, b = 7,972 Å y c = 8,182 Å también coincidentes. 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 de una dimensión 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 se puede usar como HTL con alta capacidad de extracción de agujeros. Por otro lado, para caracterizar el AgSCN, se realizó además el análisis de espectroscopía Raman. La figura S1, información complementaria (SI) indica las vibraciones simétricas que se prolongan de SCN y CN en el AgSCN, lo que da como resultado 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 N 1 s muestra que el pico que apareció en 398.3 eV pertenece a la categoría C=N–C30.

El análisis de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X incluye (a) el estudio XPS del producto que indica todos los picos del AgSCN inventado actualmente, (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 de AgSCN. El SAI de amplio rango total 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 corte, la función de trabajo es 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 aumento del nivel de energía de AgSCN puede ayudar en gran medida a la alineación de bandas entre AgSCN y perovskitas. El AgSCN, por lo tanto, tiene un VB marginalmente más alto de -5,32 eV en comparación con PEDOT:PSS (medido experimentalmente en nuestro trabajo anterior37) y CuSCN con -5,1 y -5,3 eV, respectivamente18,38. La función de trabajo de AgSCN se ajustó 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 VOC del dispositivo al aumentar la posible distinción entre el HTL VB y la perovskita (VB)18. Para determinar el CB de AgSCN, obtuvimos la banda óptica para la película delgada de AgSCN por 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, se nota la combinación de energía favorable entre AgSCN y la capa de perovskita en comparación con PEDOT: PSS, que se usa como un HTL famoso en PSC de estructura invertida. Los espectros de transmisión de películas delgadas de ITO/PEDOT:PSS y 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 la salida de conversión.

( a ) La espectroscopia 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 Tuac de AgSCN. ( d ) Arquitectura del dispositivo de PSC basado en AgSCN (pin) con un diagrama de banda de energía esquemático colocado en relación con un vacío. ( e ) Imagen SEM de sección transversal de PSC en el sustrato con AgSCN como HTL.

La configuración de los dispositivos PSC que consta de 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 hacer 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. La celda mejorada y eficiente basada en AgSCN HTL se muestra en la imagen SEM con 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 de 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 una excelente cristalinidad, que se espera que ayuden en la producción y transferencia de carga eficientes. . Después de eso, se aplicó encima una capa de PCBM/BCP con un espesor de alrededor de 150 nm. El contacto posterior se proporcionó finalmente a través de 120 nm basado en un electrodo de Ag. El diagrama esquemático de niveles de la Fig. 4, que se basa en los datos antes mencionados, aclara la transmisión y extracción eficientes de electrones y huecos.

La absorbancia de la capa activa en las celdas solares de perovskita es muy importante en la creación de pares electrón-hueco y determina de manera consistente la eficiencia final de las celdas. En consecuencia, los espectros de absorción de la película ITO/AgSCN o PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3 y la película ITO/CH3NH3PbI3 sin HTM se comparan en la Fig. S4. 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 de 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 el Eu de las capas de CH3NH3PbI3 sobre sustratos con y sin AgSCN y PEDOT:PSS. Se ha calculado que la energía de Urbach para películas de AgSCN, PEDOT:PSS y CH3NH3PbI3 es de 54, 63 y 72 meV, respectivamente. Se puede ver que el valor de Eu de las películas CH3NH3PbI3 sin HTL es más alto que el de la película AgSCN, PEDOT:PSS, lo que indica más estados defectuosos y átomos desordenados. Por lo tanto, la capa absorbente mejoró en base a 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 ) Usando espectroscopia de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL), comparamos los espectros de películas delgadas AgSCN y PEDOT: PSS como HTL. ( d ) Curva J - V para los dispositivos preparados basada en 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 hechos de PSC y su correspondiente diagrama de Nyquist de sustratos AgSCN y PEDOT: PSS con polarización de CC de 0, 8 V bajo iluminación AM1.5 de un sol (las líneas punteadas 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 establecido un experimento de extinción de fotoluminiscencia (PL) de estado estacionario. La eficiencia de extracción de agujeros de PEDOT:PSS se compara con la de una capa de AgSCN de referencia en la Fig. 5b usando CH3NH3PbI3 como absorbente. Es evidente a partir de la Fig. 5b que AgSCN puede extraer agujeros de manera más eficiente que PEDOT: PSS porque la película de AgSCN exhibe un enfriamiento de PL más eficiente.

Con el fin de optimizar la mejor concentración para preparar la película HTL, recubrimos 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 de 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 exploración 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 logró 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 desempeño favorable, en comparación con el 15,11 % PCE 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 película y una mejor transferencia de carga son compatibles con las caracterizaciones SEM y PL, lo que lleva a aumentos en el valor de JSC y VOC.

Además, hemos encontrado que el sustrato AgSCN tiene una morfología superficial uniforme con pequeñas partículas homogéneas que van desde 20 a 25 nm, y para el PEDOT:PSS de referencia en la misma dirección con partículas homogéneas que van desde 20 a 30 nm, como se muestra en la Fig. S6a, b. La película delgada lograda con éxito de AgSCN produjo una mejor película de perovskita con orificios libres y granos grandes, mientras que la película delgada de PEDOT:PSS produjo una película de perovskita de calidad similar con orificios 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 externa (Fig. 5e). Se encontró que la densidad de corriente integrada (JSC) de los espectros EQE era de 18,87 y 18,01 mA/cm2 para los dispositivos AgSCN y PEDOT:PSS-HTL, respectivamente, lo que coincide bien con las mediciones de J–V. Además, se lleva a cabo la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) de los dispositivos para probar la eficacia de AgSCN para el transporte de carga en las interfaces de PSC. La Figura 5f muestra los gráficos de Nyquist para AgSCN y PEDOT: dispositivos PSS como HTL medidos con iluminación AM1.5 y un sesgo de 0,8 V, y sus hallazgos de ajuste para las curvas correspondientes se muestran en la misma Figura 5f. Los valores de resistencia de transferencia de carga (Rtrans) de los dispositivos basados ​​en PEDOT:PSS y AgSCN, respectivamente, resultaron ser 512,8 y 408,2 \(\Omega \) a partir de los resultados de ajuste (Tabla S3). El valor bajo de Rtrans denota la interacción interfacial mejorada entre AgSCN y la película CH3NH3PbI3, donde los agujeros fotogenerados se extraen de manera efectiva de la capa de perovskitas. En consecuencia, el análisis del sistema que utiliza el análisis EIS verificó además que AgSCN HTL conduciría a un transporte de carga mejorado y una recombinación de carga reducida 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 PCE de dispositivos basados ​​en AgSCN HTL, lo que indica una excelente reproducibilidad. 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 descomposición de AgSCN con una pérdida de masa del 55 % (calculado 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, debe tenerse en cuenta la mejora de la estabilidad del PSC. Como resultado, la estabilidad de nuestras PSC bajo la 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 basadas en PEDOT:PSS de control. El PCE de las PSC con AgSCN conserva aproximadamente el 80,9 % 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 una humedad relativa del 48 %. Mientras que en las mismas condiciones de prueba, el PCE de PEDOT:PSS basado en PSC casi se reduce de 15,11 a 9,43%, lo que indica una menor estabilidad y una tasa de deterioro más rápida.

Para los PSC invertidos, el tiocianato de plata (AgSCN) es un potencial material transportador de huecos (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 las PSC invertidas puede ser difícil porque el HTM debe cumplir con los niveles de energía de la perovskita y tener una alta movilidad de huecos, excelente estabilidad y compatibilidad. Se ha demostrado que la alta movilidad de huecos de AgSCN (~ 2,1 × 10–2 cm2/V/s) elimina eficazmente los huecos 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 para la transferencia de h+ desde el VB de CH3NH3PbI3 a AgSCN. Por lo tanto, la función de trabajo mejorada también puede aumentar el COV del dispositivo al aumentar la posible distinción entre HTL VB y la capa de perovskita18. Esto puede resultar en un COV más alto para el PSC, ya que hay una fuerza impulsora más significativa para la transferencia de portadores de carga desde la capa de perovskita a la 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 de la extinción 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 eficiente de huecos 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 mejorado (VOC) en el dispositivo basado en AgSCN-HTL sugiere menos recombinación, lo que es consistente con la idea de que AgSCN-HTL reduce los estados de trampa y mejora la alineación de la banda de energía. Concluye que la prueba de primera ronda de la eficiencia de la celda solar de perovskita (PSC) que usa AgSCN-HTL es significativamente superior a la de la mayoría de los dispositivos que usan PEDOT:PSS-HTL, y se puede lograr una mejora adicional 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 la banda 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 en 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: PSS puede causar degradación con el tiempo. Se ha demostrado que PEDOT:PSS puede liberar protones y acidificar la capa de perovskita, lo que da lugar a la formación de yoduro de plomo y a la pérdida de rendimiento de la célula solar43,44,45. Mientras que para AgSCN, el sulfuro de dipropilo utilizado como solvente es muy volátil, y dentro del recubrimiento giratorio, no afecta la degradación de la capa de perovskita.

En resumen, AgSCN es un HTM prometedor para PSC invertidas debido a su alta movilidad de orificios, alineación de nivel de energía adecuada 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 PSC basado en CH3NH3PbI3, y su inserción en PSC de configuración de pin plano 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 atribuye principalmente a un aumento espectacular de los VOC de 0,1 V y un ligero aumento de 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 para 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 de baja temperatura y bajo costo se considera fácil y escalable, lo que es un buen augurio para comercializar dispositivos flexibles basados ​​en perovskita y tecnologías fotovoltaicas. En resumen, AgSCN es un rival económico y no tóxico con el que es fácil trabajar a bajas temperaturas. Es un fuerte competidor para crear 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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Ahmed Mourtada Elseman

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Correspondencia a Ahmed Mourtada Elseman.

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Elseman, AM AgSCN como un nuevo material de transporte de agujeros 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 Abril 2023

Aceptado: 12 de mayo de 2023

Publicado: 16 mayo 2023

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

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