Ученые создали полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с эффективностью 17 % на основе слоя оксида алюминия, устойчивого к распылению
Аккумулятор FIAMM FG 10121
Исследователи заменили традиционный буферный слой SnOₓ толщиной 20 нм на слой AlOₓ толщиной всего 3 нм, нанесенный методом атомно-слоевого осаждения, который защищал инвертированные перовскитные элементы от повреждений, вызванных распылением ITO, сохраняя при этом эффективный вывод заряда. В результате эффективность устройств превысила 17 % в полупрозрачных элементах и 26 % в тандемах перовскита и кремния, при этом сократилось использование материалов и время изготовления.
Схема солнечного элемента
Международная исследовательская группа предложила использовать тонкий буферный слой из оксида алюминия (AlOₓ) в инвертированных перовскитных солнечных элементах для подавления межфазной рекомбинации зарядов и защиты перовскита, тем самым повышая эффективность и стабильность работы.
Слой, нанесенный методом атомно-слоевого осаждения (ALD), расположен между электронно-транспортным слоем из бакминстерфуллерена (C₆₀) (ETL) и напыленным контактом из оксида индия и олова (ITO).
«Новизна этого исследования заключается в том, что мы продемонстрировали, что традиционный буферный слой SnO₂ толщиной от 10 до 20 нм, который обычно используется для предотвращения повреждений при распылении, можно заменить гораздо более тонким, но при этом более однородным слоем AlOₓ», — рассказала автор исследования Стефани Эссиг. «Мы были удивлены, обнаружив, что слой AlOₓ толщиной 3 нм обеспечивает эффективный отвод носителей заряда через границу раздела C₆₀/ITO».
«Мы планируем и дальше оптимизировать процесс напыления прозрачного проводящего оксида (TCO), чтобы уменьшить повреждения, вызванные напылением, а также провести расширенные испытания на стабильность работы устройства», — сказала она.
Чтобы оценить буферные слои, исследователи изготовили полупрозрачные инвертированные перовскитные солнечные элементы со слоями AlOₓ или SnOₓ, нанесенными методом атомно-слоевого осаждения, между электронопроводящим слоем C₆₀ и напыленным ITO-электродом. Они протестировали слои AlOₓ толщиной 1,5 нм, 3 нм, 5 нм, 8 нм и 15 нм, сравнив их характеристики с ячейками без буфера и эталонными устройствами со слоями SnOₓ толщиной 3 нм, 10 нм и 20 нм.
Команда также изучила влияние температуры осаждения методом атомно-слоевого осаждения, сравнив слои AlOₓ, осажденные при температуре 75 °C и 80 °C. Они оптимизировали процесс с помощью повторяющейся последовательности водных импульсов.
Ученые создали верхнюю инвертированную ячейку со стеклянной подложкой и подложкой из оксида индия и олова (ITO), покрытой дырочно-селективным слоем Me-4PACz и наночастицами оксида кремния. Между перовскитным поглотителем и 20-нанометровым электронопроводящим слоем из C₆₀ был размещен промежуточный слой из оксида алюминия (AlOₓ) толщиной примерно 1,4 нм. Устройство было дополнено 25-нанометровым слоем оксида олова, нанесенным методом атомно-слоевого осаждения, и 130-нанометровым серебряным электродом. Покрытие из фторида лития толщиной 100 нм на стеклянной стороне служило антибликовым слоем.
Ученые использовали микроскопию, спектроскопию, рентгеновскую дифракцию, фотолюминесценцию и электрические измерения для оценки морфологии, покрытия, химического состава, устойчивости к напылению и свойств переноса заряда. Затем они внедрили оптимизированный слой AlOₓ толщиной 3 нм в монолитные двухполюсники на основе перовскита и кремния и сравнили их характеристики с характеристиками ячеек с обычным буферным слоем SnOₓ толщиной 20 нм.
Результаты показали, что при низкоэнергетическом магнетронном распылении буферный слой AlOₓ толщиной 3 нм эффективно подавляет повреждения, вызванные распылением, в отличие от слоя толщиной 1,5 нм. Устройства со слоем AlOₓ толщиной 3 нм показали такие же результаты, как и устройства со слоем SnOₓ толщиной 20 нм: эффективность преобразования энергии составила более 17 % в полупрозрачных перовскитных элементах и более 26 % в перовскитно-кремниевых тандемных устройствах.
По словам исследователей, использование тонкого слоя AlOₓ в качестве устойчивого к распылению буферного слоя дает ряд преимуществ, в том числе возможность плотного и равномерного осаждения из газовой фазы, снижение расхода материала и ускорение производства будущих перовскитных тандемных и полупрозрачных устройств.
Исследование «Устойчивый к распылению слой оксида алюминия позволяет создавать надежные перовскитные тандемные солнечные элементы» было опубликовано в Materials Today. В исследовании приняли участие ученые из Штутгартского университета в Германии, Исследовательского центра Юлиха и Solarlab Aiko Europe, а также из Международной иберийской лаборатории нанотехнологий в Португалии.