Deposizione a temperatura moderata di SnO2 spruzzato da magnetron RF

Apr 26, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9100 (2023) Citare questo articolo

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Le celle solari alla perovskite (PSC) stanno ancora affrontando le due principali sfide di stabilità e scalabilità per soddisfare i requisiti per la loro potenziale commercializzazione. Pertanto, lo sviluppo di un film sottile uniforme, efficiente, di alta qualità e conveniente in termini di costi per lo strato di trasporto degli elettroni (ETL) per ottenere un PSC stabile è uno dei fattori chiave per affrontare questi problemi principali. La deposizione sputtering magnetron è stata ampiamente utilizzata per la sua deposizione di film sottile di alta qualità e per la sua capacità di depositare film in modo uniforme su vaste aree su scala industriale. In questo lavoro, riportiamo la composizione, lo stato strutturale, chimico e le proprietà elettroniche del SnO2 spruzzato a radiofrequenza (RF) a temperatura moderata. Ar e O2 vengono impiegati rispettivamente come gas sputtering e reattivi al plasma. Dimostriamo la possibilità di coltivare film sottili di SnO2 stabili e di alta qualità con elevate proprietà di trasporto mediante sputtering reattivo di magnetron RF. I nostri risultati mostrano che i dispositivi PSC basati sullo SnO2 ETL spruzzato hanno raggiunto un’efficienza di conversione di potenza fino al 17,10% e una durata operativa media superiore a 200 ore. Questi film sottili di SnO2 spruzzato uniformemente con caratteristiche migliorate sono promettenti per moduli fotovoltaici di grandi dimensioni e dispositivi optoelettronici avanzati.

The performance and cost-effectiveness fabrication of the perovskite solar cells (PSCs) are the two main assets which are increasingly attracting academic and industrial attention. Certified Power Conversion Efficiency (PCE) for the best solar cell efficiency has shown a 25.7% for PSCs as achieved by UNIST1. Focus is put nowadays on the PSCs commercialization2, and this aim is still facing two main challenges, namely a descent device operational-stability and the fabrication scalability. The stability of the PSCs has been the cornerstone of extensive research and development over the last years. Nevertheless, this research effort has been found to be one of the most complex physico-chemical issues that involves multiple factors and various physical phenomena. These issues are also a subject of the device configuration and materials’ characteristics. In fact, the device stability can directly be affected by the electrode material and its characteristics (work function, dimensions, etc.)3, electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) properties4,5, the nature of the interface between the absorber-perovskite layer and the charge transport materials6, and indeed, the stability of the perovskite material itself7. In 2016, Ahn et al.8 proposed that the ETL based on TiO2 is among the most responsible factors for the light-induced degradation in PSCs. This suggestion was also supported by the research outcome of Qiu et al.9. On the other hand, SnO2 as ETL has demonstrated its capability to replace the conventional TiO2 due to the fact that a PCE of more than 21% has been already achieved using SnO2 ETL10. SnO2 shows several benefits over TiO2, including a higher electron mobility and an excellent energy level matching11. More importantly, SnO2 as ETL is highly efficient against the perovskite solar cells degradation, which is induced by TiO2 ETL, thereby considerably improving the device operational lifetime under continuous light illumination at the maximum power point. In this context, Christians et al. 1000 hour operational stability. Nat. Energy 3(1), 68–74 (2018)." href="/articles/s41598-023-35651-1#ref-CR12" id="ref-link-section-d19268337e497"> 12 hanno recentemente dimostrato una durata molto più lunga con celle solari in perovskite non incapsulate basate su SnO2 come ETL rispetto a TiO2. D'altro canto, la seconda grande sfida riguarda la scalabilità della fabbricazione dei PSC, per raggiungere la scala dei moduli (ovvero i moduli solari in perovskite (PSM)), pur mantenendo prestazioni simili ai PSC di piccole aree2. Con l'introduzione di processi di crescita su larga scala di film sottili per la fabbricazione di PSC, il numero di segnalazioni relative ai PSM è aumentato drasticamente13. Ad esempio, Green et al. hanno riportato un PCE del 16% con un'area di apertura (AA) di 16,29 cm214 e Chen et al. hanno raggiunto un PCE certificato del 12,1% con un AA maggiore di 36,1 cm215. Altri parametri chiave sono legati al rapporto costo-efficacia e ai processi di deposizione su larga scala di ETL2. Attualmente, la maggior parte dei PSM sono basati su TiO2 come ETL, che richiede un'elevata temperatura di lavorazione. Il TiO2 è anche all'origine di molti problemi di instabilità16 a causa della sua resistenza relativamente più elevata e di un costoso metodo di modellazione laser che viene spesso utilizzato per rimuovere il rivestimento di TiO2 dai percorsi di interconnessione tra le sottocelle17. Ciò è necessario per evitare l'aumento del valore della resistenza in serie, diminuendo così le prestazioni complessive del PSM18.