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Publicação
Conformal Deposition of SnO2 on Photonic Structured Perovskite Solar Cells via Magnetron Sputtering
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 10.21 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Light management through the incorporation of photonic structures is a promising,
yet largely unrealized, path for reducing optical losses in perovskite solar cells (PSCs).
The theoretical light-trapping effect of such structures can benefit the power conversion
efficiency (PCE) of PSCs through gains in photocurrent density (JPH), thanks to longer
optical lengths and decreased reflection losses, and in open circuit voltage (VOC) through
photon recycling.
Computational studies have corroborated the efficiency gains from the inclusion of
light-trapping structures in PSCs, emphasizing the importance of conformal deposition of
the device layers in order to achieve maximum PCE. While colloidal lithography has been
demonstrated to be a viable and scalable technique for the fabrication of the structured
layers, namely on the substrate and front electrode, the issue of achieving a conformal
and compact charge transport layer remains.
In this work, we demonstrate the fabrication of proof-of-concept perovskite solar
cells with a conformal layer of SnO2 electron transport layer deposited on top of indium
tin oxide (ITO) light-trapping structures manufactured via colloidal lithography, using
radio-frequency magnetron sputtering.
These experimental devices achieved a top efficiency of 7.41% (Voc = 0.85V, Jsc
= 18.07mA/cm2, FF = 48.17%) for a light-trapping substrate fabricated with 0.9 μm
polystyrene spheres, with 100nm ITO planar layer and 150nm structured ITO layer, that
while inferior to the planar benchmark developed with commercial ITO and sputtered
SnO2 (12.4% PCE, with Voc = 1.00V, Jsc = 19.8mA/cm2 and FF = 62.4%), proved the
viability of the approach pursued in this work. Exploiting the potential of sputtered SnO2
as a low-temperature electron transport material, we also demonstrated its use on flexible
PET substrates, achieving a PCE of 9.54% (Voc = 0.89V, Jsc = 21.61mA/cm2, FF = 49.3%).
A gestão de luz através da incorporação de estruturas fotónicas é um caminho promissor para reduzir as perdas óticas em células solares em perovskite (CSPs), mas maioritariamente por concretizar. O efeito teórico de aprisionamento de luz de tais estruturas pode beneficiar a eficiência das CSPs através de aumentos na densidade de fotocorrente (JPH), graças a comprimentos óticos superiores e redução das perdas por refleção, e na tensão de circuito aberto (VOC) através da reciclagem de fotões. Estudos computacionais corroboraram os ganhos de eficiência pela inclusão de estruturas fotónicas em CSPs, destacando a importância da deposição conformal das camadas do dispositivo para atingir a máxima eficiência. Embora a litografia coloidal tenha demonstrado ser uma técnica viável e escalável para a fabricação das camadas estruturadas, nomeadamente ao nível do substrato e elétrodo frontal, o problema de produzir uma camada de transporte de cargas compacta e conformal permanece. Neste trabalho, demonstramos uma prova de conceito para a fabricação de células solares em perovskite com uma camada de transporte de eletrões conformal de SnO2 depositado sobre estruturas fotónicas de óxido de índio e estanho (ITO) produzidas através de litografia coloidal, com recurso a pulverização catódica (sputtering). Estes dispositivos experimentais atingiram uma eficiência máxima de 7.41% (Voc = 0.85V, Jsc = 18.07mA/cm2, FF = 48.17%) para substratos com estruturas fotónicas fabricadas com esferas de poliestireno de 0.9 μm, com 100nm de ITO planar e 150nm de ITO estruturado, que embora inferiores à referência planar desenvolvida com ITO comercial e SnO2 depositado com sputtering (12.4% PCE, com Voc = 1.00V, Jsc = 19.8mA/cm2 e FF = 62.4%), demonstraram a viabilidade da abordagem estudada neste trabalho. Explorando o potencial do SnO2 depositado por sputtering como um material de transporte de eletrões processado a baixa temperatura, demonstrou-se também a sua utilização em substratos flexíveis de PET, atingindo uma eficiência de 9.54% (Voc = 0.89V, Jsc = 21.61mA/cm2, FF = 49.3%).
A gestão de luz através da incorporação de estruturas fotónicas é um caminho promissor para reduzir as perdas óticas em células solares em perovskite (CSPs), mas maioritariamente por concretizar. O efeito teórico de aprisionamento de luz de tais estruturas pode beneficiar a eficiência das CSPs através de aumentos na densidade de fotocorrente (JPH), graças a comprimentos óticos superiores e redução das perdas por refleção, e na tensão de circuito aberto (VOC) através da reciclagem de fotões. Estudos computacionais corroboraram os ganhos de eficiência pela inclusão de estruturas fotónicas em CSPs, destacando a importância da deposição conformal das camadas do dispositivo para atingir a máxima eficiência. Embora a litografia coloidal tenha demonstrado ser uma técnica viável e escalável para a fabricação das camadas estruturadas, nomeadamente ao nível do substrato e elétrodo frontal, o problema de produzir uma camada de transporte de cargas compacta e conformal permanece. Neste trabalho, demonstramos uma prova de conceito para a fabricação de células solares em perovskite com uma camada de transporte de eletrões conformal de SnO2 depositado sobre estruturas fotónicas de óxido de índio e estanho (ITO) produzidas através de litografia coloidal, com recurso a pulverização catódica (sputtering). Estes dispositivos experimentais atingiram uma eficiência máxima de 7.41% (Voc = 0.85V, Jsc = 18.07mA/cm2, FF = 48.17%) para substratos com estruturas fotónicas fabricadas com esferas de poliestireno de 0.9 μm, com 100nm de ITO planar e 150nm de ITO estruturado, que embora inferiores à referência planar desenvolvida com ITO comercial e SnO2 depositado com sputtering (12.4% PCE, com Voc = 1.00V, Jsc = 19.8mA/cm2 e FF = 62.4%), demonstraram a viabilidade da abordagem estudada neste trabalho. Explorando o potencial do SnO2 depositado por sputtering como um material de transporte de eletrões processado a baixa temperatura, demonstrou-se também a sua utilização em substratos flexíveis de PET, atingindo uma eficiência de 9.54% (Voc = 0.89V, Jsc = 21.61mA/cm2, FF = 49.3%).
Descrição
Palavras-chave
Photovoltaics Light Management Colloidal Lithography Perovskite Solar Cells RF Magnetron Sputtering