Оксинитрид титана позволил получить перовскитные солнечные элементы с рекордной эффективностью

Jun Peng et al. / Nature, 2022
Австралийские ученые заменили в перовскитном солнечном элементе транспортный слой диоксида титана на слой оксинитрида титана. Благодаря этому концентрация носителей заряда в слое выросла на два порядка, фактор заполнения увеличился до 86 процентов, а эффективность солнечного элемента площадью в один сантиметр — до 23,33 процента. Для перовскитных солнечных элементов такой площади это рекорд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Чтобы солнечный элемент эффективно работал, недостаточно обеспечить поглощение света и генерацию носителей заряда. Необходимо также быстро разделить заряды, не давая им рекомбинировать, и отправить электроны к аноду, а дырки к катоду. В перовскитных солнечных элементах для извлечения электронов чаще всего используют слой широкозонного полупроводника — диоксида титана TiO2. Во время работы солнечного элемента этот слой находится сверху от активного слоя, поэтому его делают прозрачным.
Обычно он состоит из двух частей: сначала наносят тонкий (компактный) слой диоксида титана, а поверх — более рыхлый и объемный мезопористый слой из наночастиц диоксида титана, который служит подложкой для активного перовскитного слоя. Однако свойства диоксида титана неоптимальны: подвижность электронов в этом материале ограничена, а иногда его частицы выступают как центры безызлучательной рекомбинации. Поэтому ученые постоянно ищут способы, которыми можно этот материал улучшить.
Неделю
назад
мы писали
о работе корейских и швейцарских ученых,
которые заменили наночастицы оксида
титана в
мезопористом слое на
наночастицы
оксида олова, чтобы замедлить
безызлучательную рекомбинацию и
извлекать электроны из
активного слоя
более эффективно. Химики под
руководством Кайли
Кэчпол (Kylie R. Catchpole) из Австралийского национального университета пошли
другим путем.
Мезопористый
слой диоксида
титана они оставили без изменений, а
компактный слой они решили изготовить из оксинитрида титана TiOxNy.
Оксинитрид
титана — это
родственный
диоксиду титана
полупроводниковый
материал. Хотя он широко
применяется
в фотокатализе, в перовскитных солнечных элементах до сих пор его почти
не
использовали.
Сначала
Кэчпол
и ее коллеги
получили серию
пленок оксинитрида титана на
прозрачных проводящих подложках.
Для
этого они нанесли на
подложки слой нитрида титана TiN,
а затем обожгли
его в атмосфере кислорода при температурах от
350 до 550
градусов Цельсия. В
процессе обжига нитрид
частично
окисляется
до оксинитрида.
Все полученные пленки имели одинаковую толщину около 50 нанометров и схожую морфологию, а вот химический состав у них заметно отличался. Рентген-фотоэлектронная спектроскопия показала, что с ростом температуры обжига азота в пленках становилось меньше — в пленках, которые не обжигали соотношение N/Ti было 0,62, а в пленках, обожженных при температуре 550 градусов Цельсия, оно снизилось до 0,07. Кроме того, в образцах, которые обжигали при температуре 450 градусов Цельсия и выше, титана в степени окисления +3 (как в TiN) уже не оставалось, весь титан переходил в степень окисления +4.
Диоксид
титана является
полупроводником
n-типа, то
есть основной тип носителей заряда в
нем — электроны. Добавки
азота и титана в степени
окисления +3 для диоксида
титана являются донорными
примесями,
поэтому
авторы ожидали, что в пленках оксинитрида
количество носителей
заряда
будет выше, чем
в стандартном
диоксиде титана. Так и
получилось — плотность
свободных носителей заряда в пленках
снижалась с уменьшением количества
азота (то есть с повышением температуры
обжига — см. рисунок). Тем не менее даже у пленок,
которые обжигались при температуре 550
градусов Цельсия, плотность носителей
заряда все еще была почти на два порядка
выше, чем у стандартного недопированного
оксида титана (3.4 × 1016 см−3
против 4.5 × 1014 см−3).
Вместе с плотностью носителей заряда
росла и проводимость пленок — то есть
самые лучшие транспортные свойства
показывали те пленки, которые обжигались при температуре 350 градусов Цельсия.
Кэчпол и ее коллеги сделали солнечные элементы площадью один квадратный сантиметр. Поверх слоя оксинитрида титана они нанесли мезопористый слой оксида титана, затем перовскитный слой, дырочно-транспортный слой и, наконец, золотой катод.
Солнечные
элементы с транспортным слоем
TiOxNy
показали эффективность
23,33 процента. Это рекорд для ячеек
площадью в один квадратный сантиметр.
Замена диоксида титана на оксинитрид улучшает все характеристики солнечных элементов — эффективность, ток и напряжение — но больше всего от такой замены рос фактор заполнения. Этот параметр изменяется в процентах и показывает, насколько форма вольт-амперной кривой солнечного элемента близка к прямоугольной, то есть насколько поведение солнечного элемента близко к поведению идеального диода. Фактор заполнения у солнечных элементов с оксинитридом достигал 86 процентов, в то время как у контрольных образцов с диоксидом титана он не превышал 80 процентов. Такие значения фактора заполнения — рекорд уже для перовскитных солнечных элементов любого размера.
Авторы объяснили улучшение не только лучшей проводимостью электрон-транспортного слоя, но и уменьшением эффекта обеднения — снижения концентрации электронов на границе транспортного и активного слоя по сравнению с равновесной.
Исследования первоскитных солнечных элементов не стоят на месте. Так, минувшим летом американские химики нашли более простой и быстрый способ подготовки дырочно-транспортного слоя в перовскитном солнечном элементе.
Наталия Самойлова