Impacto do co dinâmico

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19167 (2022) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Uma variedade de diferentes métodos de síntese para a fabricação de absorvedores de células solares com base no haleto de chumbo perovskita iodeto de chumbo de metilamônio (MAPbI3, MAPI) foram desenvolvidos com sucesso no passado. Neste trabalho, elaboramos a coevaporação de fonte dupla baseada em vácuo como uma tecnologia de processamento atraente industrialmente. Apresentamos esquemas de processamento não estacionários e nos concentramos em detalhes de esquemas de coevaporação onde intencionalmente atrasamos os pontos inicial/final de um dos dois componentes evaporados (MAI e PbI2). Anteriormente, foi descoberto para células solares baseadas em uma estrutura de nip regular, que a pré-evaporação de PbI\(_2\) é altamente benéfica para o crescimento do absorvedor e desempenho da célula solar. Aqui, aplicamos esquemas de processamento não estacionários semelhantes com sequências pré/pós-deposição para o crescimento de absorvedores MAPI em uma arquitetura de célula solar de pino invertido. Os parâmetros da célula solar, bem como os detalhes do crescimento do absorvedor, são comparados para um conjunto de diferentes esquemas de evaporação. Ao contrário de nossas suposições preliminares, descobrimos que a pré-evaporação de PbI2 é prejudicial na configuração invertida, indicando que o efeito benéfico das camadas de sementes se origina das propriedades da interface relacionadas ao transporte e extração aprimorados de portadores de carga através dessa interface, em vez de estar relacionado para um melhor crescimento do absorvedor. Isso é ainda evidenciado por uma melhoria de desempenho de dispositivos de células solares invertidas com MAI pré-evaporado e camadas de PbI2 pós-depositadas. Finalmente, fornecemos dois modelos eletrônicos hipotéticos que podem causar os efeitos observados.

Os semicondutores de perovskita de haleto de chumbo têm se destacado nos últimos anos como semicondutores versáteis em uma variedade de aplicações opto-eletrônicas1,2. Mais proeminentemente, células solares em escala de laboratório, tanto em junção única (η > 25%) quanto em configuração tandem com Si (η > 29,5%), mostraram eficiências recordes crescentes muito além das expectativas3.

Além da estabilidade do dispositivo, as principais preocupações em vista de uma aceitação industrial da tecnologia são a escalabilidade e a reprodutibilidade dos processos de fabricação implementados. Embora muitos avanços tecnológicos em pequenas células solares em escala de laboratório tenham sido obtidos com métodos químicos úmidos (por exemplo, revestimento por rotação, impressão), algumas abordagens baseadas em vácuo também foram implementadas com sucesso.

Liu et ai. relataram a fabricação de células solares de perovskita planares eficientes por coevaporação de fonte dupla, usando metilamônia (MA) e PbCl\(_2\) como precursores atingindo eficiências acima de 15%4. Vários outros grupos seguiram essa rota (com PbI\(_2\) ou PbCl\(_2\) como precursores de haleto de chumbo)5 e em 2019 o uso de camadas de contato otimizadas por Bolink et al. levou a eficiências superiores a 20%6. A coevaporação geralmente leva a filmes compactos e homogêneos, é rápida e facilmente escalável e oferece um controle de processamento aprimorado em condições reprodutíveis. As duas principais abordagens usadas atualmente são baseadas em a) coevaporação estacionária simultânea de diferentes fontes ou b) processamento sequencial, onde primeiro apenas um componente é depositado (normalmente o haleto de chumbo, por exemplo, PbI\(_2\)). Esta camada precursora é então convertida em perovskita, por exemplo, através da exposição a uma atmosfera MAI ou por deposição do MAI seguida de um recozimento7,8.

As tentativas de combinar parcialmente as duas abordagens são raras, ou seja, passar para a coevaporação não estacionária onde a aplicação dos dois precursores não é completamente sincronizada e estacionária. Isso é ainda mais surpreendente, pois essa é de fato uma das principais vantagens da coevaporação em comparação ao processamento baseado em solução: a quantidade e a proporção de precursores que chegam ao substrato podem variar durante o processamento. Como exemplo para outras tecnologias fotovoltaicas, células solares coevaporadas de alta eficiência baseadas em absorvedores de calcopirita Cu(In,Ga)Se\(_2\) são preparadas com um complexo esquema de evaporação pobre em Cu/rico em Cu/pobre em Cu para propriedades de absorção ideais e um gradiente de gap de banda cuidadosamente projetado dentro do absorvedor9.