Titanium dioksida terdop sulfur sebagai lapisan pengangkut elektron sel suria perovskit

Abstract

Sel suria perovskit (PSC) telah menarik perhatian ramai dalam dekad yang lalu disebabkan peningkatan dalam kecekapan penukaran kuasa (PCE), dengan PCE yang diperakui kini lebih daripada 25%. PSC tipikal terdiri daripada berbilang lapisan filem pepejal nipis, seperti lapisan pengangkut elektron (ETL), lapisan penyerap perovskit dan lapisan pengangkut lohong (HTL). Lapisan-lapisan ini disusun dalam heterosimpang untuk peranti mengikut konfigurasi yang berbeza. ETL yang dioptimumkan berpotensi meningkatkan prestasi keseluruhan PSC dari segi kecekapan, pengurusan histeresis dan kebolehulangan peranti, tanpa mengira jenis konfigurasi peranti. ETL berprestasi tinggi secara amnya perlu membentuk lapisan yang tumpat, seragam, berkedudukan jalur konduksi yang sesuai dan mempunyai sifat pengangkut elektron yang baik. ETL TiO2 secara umumnya digunakan sebagai ETL kerana kos bahan yang rendah, mempunyai pelbagai kaedah penyediaan filem nipis dan mempunyai kestabilan kimia yang baik. Walau bagaimanapun, TiO2 tulen bukanlah ETL yang ideal kerana kelemahannya dalam beberapa kriteria penting seperti kekonduksian rendah dan ketidakpadanan jalur konduksi dengan perovskit yang direka komposisinya. Oleh itu, TiO2 ialah ETL yang tidak cekap untuk peranti perovskit berprestasi tinggi. Objektif pertama kajian ini adalah untuk mengkaji suhu pensinteran optimum untuk penyediaan lapisan pepejal TiO2 sebagai ETL PSC. Objektif kedua ialah mengkaji sifat pencirian sulfur sebagai dopan dalam ETL TiO2 untuk aplikasi PSC satah hetero-simpang. Kaedah sol gel yang mengandungi garam sulfur dan titanium diendap secara salutan putaran pada kaca fluorin-timah oksida (FTO) untuk membentuk ETL TiO2 terdop sulfur. Objektif seterusnya adalah untuk menentukan penambahbaikan sifat struktur, optik dan elektrik oleh lapisan TiO2 terdop sulfur yang digunakan sebagai ETL dalam PSC. Objektif terakhir ialah untuk menilai prestasi PCE PSC dengan lapisan pepejal TiO2 terdop sulfur. Metilammonium plumbum iodida (CH3NH3PbI3) digunakan sebagai penyerap cahaya dan 2,2',7,7'- Tetrakis[N,N-di(4-metoksifenil)amino]-9,9'-spirobifluorena (spiro-MeOTAD) sebagai HTL. Kesan pengekstrakan fotocas dan penyekatan lohong dari lapisan mesoporus TiO2 boleh diabaikan dengan memilih seni bina PSC satah. ETL TiO2 terdop sulfur adalah lebih baik daripada ETL TiO2 tanpa dop berdasarkan penyerapan cahaya dan aktiviti fotokatalitik yang lebih tinggi, dan ketumpatan fotoarus (peningkatan 13.75%). Pendopan sulfur juga telah meningkatkan hidrofobisiti ETL TiO2 yang boleh menambahbaik sifat lapisan penyerap perovskit berikutnya. Peranti PSC dengan TiO2 terdop sulfur juga menunjukkan PCE yang lebih baik (peningkatan 18%) yang difabrikasi dalam kelembapan relatif 40%–50%. Peningkatan kapasiti pengumpulan pembawa cas elektron dan ketumpatan fotoarus meningkatkan PCE kepada 6.0%. Kerja ini boleh memudahkan modifikasi spesifik ETL TiO2 melalui cara pendopan unsur lain, untuk memadankan tahap tenaga ETL dengan lapisan penyerap perovskit.