Хімія, фізика та технологія поверхні, 2024, 15 (4), 456-466.

Дослідження роботи органічних сонячних елементів з використанням наночастинок SnO2 для наростання електронного транспортного шару шляхом імпульсного лазерного осадження



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.04.456

Faris M.A. Al-Hamdany, Abdulkhaliq A. Sulaiman, Abdullah I.M. Alabdullah

Анотація


Матеріал шару транспортування електронів (ETL) відіграє вирішальну роль у визначенні ефективності та стабільності пристроїв органічних сонячних елементів (OSC). Напівпровідник на основі оксиду олова (SnO2) зазвичай використовується як ETL в органічних сонячних елементах (OSC) і останнім часом привернув значну увагу. У цій статті частинки SnO2, осаджені за допомогою імпульсного лазерного осадження (PLD), використовуються як шар ETL в інвертованих органічних сонячних елементах зі структурою (FTO/SnO2/PTB7-Th:O-IDTBR/MoO3/Ag). Досліджені характеристики елемента за допомогою тестової системи Ossila Solar Cell I-V, а також структурні властивості тонкої плівки SnO2 за допомогою скануючого електронного мікроскопа (FESEM), атомно-силової мікроскопії (AFM) і рентгенівської спектроскопії. Було встановлено, що ефективність перетворення енергії (PCE) сонячної батареї становить 15.08 %. Стабільність вимірювали протягом 30 хвилин при безперервному освітленні на повітрі, вона поступово знижувалася протягом періоду освітлення приблизно до половини початкового значення ефективності. Зображення FESEM і XRD-спектр показують, що плівки були кристалічними. XRD-спектр показує наявність кількох піків, що належать наночастинкам SnO2. Оптичні властивості плівки SnO2 вказують на збільшення спектра коефіцієнта пропускання та показника заломлення, у той час як спектр поглинання зменшується, максимальне поглинання спостерігалося при довжині хвилі 320 нм, оптичний енергетичний проміжок становив близько 3.1 еВ, а розмір зерен для SnO2, становить приблизно 20–60 нм.


Ключові слова


Органічний сонячний елемент; SnO2; транспортний шар електронів; імпульсне лазерне осадження; характеристики сонячних елементів; стабільність

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Soonmin H., Hardani Nandi P., Mwankemwa B.S., Malevu T.D., Malik M.I. Overview on different types of solar cells: an update. Appl. Sci. 2023. 13(4): 2051. https://doi.org/10.3390/app13042051

2. Husen M.J., Aga F.G., Dibaba S.T. Theoretical Performance Analysis of Inverted P3HT: PCBM Based Bulk Hetero-Junction Organic Solar Cells through Simulation. Adv. Mater. Sci. Eng. 2023. 2023: 1. https://doi.org/10.1155/2023/4204298

3. Movla H., Shahalizad A., Asgari A. A numerical study on the relationship between the doping and performance in P3HT: PCBM organic bulk heterojunction solar cells. Sci. Rep. 2023. 13(1): 2031. https://doi.org/10.1038/s41598-023-29291-8

4. Kong T., Yang G., Fan P., Yu J. Solution-Processable NiOx: PMMA Hole Transport Layer for Efficient and Stable Inverted Organic Solar Cells. Polymers. 2023. 15(8): 1875. https://doi.org/10.3390/polym15081875

5. Alkarsifi R., Ackermann J., Margeat O. Hole transport layers in organic solar cells: A review. J. Met. Mater. Miner. 2022. 32(4): 1. https://doi.org/10.55713/jmmm.v32i4.1549

6. Tarique W.B., Uddin A. A review of progress and challenges in the research developments on organic solar cells. Mater. Sci. Semicond. Process. 2023. 163: 107541. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107541

7. Raeyani D., Asgari A. Enhancing the Efficiency of Inverted Organic Solar Cells with Treatment Techniques: Numerical and Experimental Study. Int. J. Energy Res. 2023. 2023: 1.https://doi.org/10.1155/2023/6612574

8. Suo Z., Xiao Z., Li S., Liu J., Xin Y., Meng L., Chen Y. Efficient and stable inverted structure organic solar cells utilizing surface-modified SnO2 as the electron transport layer. Nano Energy. 2023. 118: 109032.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109032

9. Solak E.K., Irmak E. Advances in organic photovoltaic cells: a comprehensive review of materials, technologies, and performance. RSC Adv. 2023. 13(18): 12244. https://doi.org/10.1039/D3RA01454A

10. Lim F.J., Ananthanarayanan K., Luther J., Ho G.W. Influence of a novel fluorosurfactant modified PEDOT: PSS hole transport layer on the performance of inverted organic solar cells. J. Mater. Chem. 2012. 22(48): 25057. https://doi.org/10.1039/c2jm35646e

11. Mohamed El Amine B., Zhou Y., Li H., Wang Q., Xi J., Zhao C. Latest Updates of Single-Junction Organic Solar Cells up to 20 % Efficiency. Energies. 2023. 16(9): 3895. https://doi.org/10.3390/en16093895

12. Tarique W.B., Uddin A. A review of progress and challenges in the research developments on organic solar cells. Mater. Sci. Semicond. Process. 2023. 163: 107541. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107541

13. Hoang Huy V.P., Bark C.W. Review on Surface Modification of SnO2 Electron Transport Layer for High-Efficiency Perovskite Solar Cells. Appl. Sci. 2023. 13(19): 10715. https://doi.org/10.3390/app131910715

14. Zeng L., Wang L., Qin J., Ren Y., Li H., Lu X., Li J. Applying l-cystine as an electron transport layer toward efficient organic solar cells. Opt. Mater. 2023. 136: 113404. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113404

15. Di Mario L., Romero D.G., Wang H., Tekelenburg E.K., Meems S., Zaharia T., Loi M.A. Outstanding Fill Factor in Inverted Organic Solar Cells with SnO2 by Atomic Layer Deposition. Adv. Mater. 2024. 36(20): 2301404. https://doi.org/10.1002/adma.202301404

16. Wang Y., Tan S.T. Composition of Electron Transport Layers in Organic Solar Cells (OSCs). Highlights in Science, Engineering and Technology. 2022. 12: 99. https://doi.org/10.54097/hset.v12i.1411

17. Kim J., Kim K.S., Myung C.W. Efficient electron extraction of SnO2 electron transport layer for lead halide perovskite solar cell. npj Comput. Mater. 2020. 6(1): 100. https://doi.org/10.1038/s41524-020-00370-y

18. Gonzalez-Valls I., Lira-Cantu M. Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells: a review. Energy Environ. Sci. 2009. 2(1): 19. https://doi.org/10.1039/B811536B

19. Kong T., Wang R., Zheng D., Yu J. Modification of the SnO2 electron transporting layer by using perylene diimide derivative for efficient organic solar cells. Front. Chem. 2021. 9: 703561.https://doi.org/10.3389/fchem.2021.703561

20. Tangade H.S., Pusawale S.N., Shirguppikar S.S. Synthesis and characterization of ZnO thin films deposited by chemical route. Materials Today: Proceedings. 2020. 33(8): 5147. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.861

21. Thomas B., Skariah B. Spray deposited Mg-doped SnO2 thin film LPG sensor: XPS and EDX analysis in relation to deposition temperature and doping. J. Alloys Compd. 2015. 625: 231. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.11.092

22. Hong C., Kim M., Lee J.G., Shao Q., Lee H.S., Park H.H. Research of Si-ZnO Thin-Film Transistors Deposited by Atomic Layer Deposition. Int. J. Energy Res. 2023. 2023.  https://doi.org/10.1155/2023/7261186

23. Derbali L., Bouhjar F., Derbali A., Soucase B.M. Enhanced ZnO-based ETL and nanostructured interface modification for improved perovskite solar cells efficiency. Opt. Mater. 2023. 145: 114440. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114440

24. Huang S., Li P., Wang J., Huang J.C.C., Xue Q., Fu N. Modification of SnO2 electron transport Layer: Brilliant strategies to make perovskite solar cells stronger. Chem. Eng. J. 2022. 439: 135687. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135687

25. Yu R., Wei X., Wu G., Zhang T., Gong Y., Zhao B., Tan Z. A. Efficient interface modification via multi-site coordination for improved efficiency and stability in organic solar cells. Energy Environ. Sci. 2022. 15(2): 822. https://doi.org/10.1039/D1EE03263A

26. Wu J., Tang F., Wu S., Li Y., Xiao L., Zhu X., Peng X. Interface Modification of Tin Oxide Electron‐Transport Layer for the Efficiency and Stability Enhancement of Organic Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2024. 14(2): 2302932. https://doi.org/10.1002/aenm.202302932

27. Clarke A.J., Luke J., Meitzner R., Wu J., Wang Y., Lee H.K., Li Z. Non-fullerene acceptor photostability and its impact on organic solar cell lifetime. Cell Reports Physical Science. 2021. 2(7): 100498. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100498

28. Zanoni K.P., Pérez-del-Rey D., Dreessen C., Rodkey N., Sessolo M., Soltanpoor W., Bolink H.J. Tin (IV) Oxide Electron Transport Layer via Industrial-Scale Pulsed Laser Deposition for Planar Perovskite Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023. 15(27): 32621. https://doi.org/10.1021/acsami.3c04387

29. AbdulWahhab N.A. Optical properties of SnO2 thin films prepared by pulsed laser deposition technique. J. Opt. 2020. 49(1): 41. https://doi.org/10.1007/s12596-020-00587-6

30. Saeed Z.A., Aadim K.A. Study of Optical, Structural and Morphology Properties of Tin Oxide Nanoparticles by Pulse Laser Ablation and its Effect on Bacteria Staphylococcus aureus. Iraqi Journal of Science. 2023. 46(11): 5654. https://doi.org/10.24996/ijs.2023.64.11.17

31. Wan N., Lu X., Wang Y., Zhang W., Bai Y., Hu Y.S., Dai S. Improved Li storage performance in SnO2 nanocrystals by a synergetic doping. Sci. Rep. 2016. 6(1): 18978. https://doi.org/10.1038/srep18978

32. Garcia Romero D., Di Mario L., Yan F., Ibarra‐Barreno C.M., Mutalik S., Protesescu L., Loi M.A. Understanding the Surface Chemistry of SnO2 Nanoparticles for High Performance and Stable Organic Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2024. 34(6): 2307958. https://doi.org/10.1002/adfm.202307958




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.04.456

Copyright (©) 2024 Faris M.A. Al-Hamdany, Abdulkhaliq A. Sulaiman, Abdullah I.M. Alabdullah

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.