Lapisan atom tungsten disulfida sebagai lapisan pengangkut elektron sel suria perovskite

Abstract

Prestasi dan sifat kestabilan sel suria perovskit bergantung kuat pada struktur dan kehabluran sesebuah permukaan lapisan pengangkut elektron (ETL). Struktur ETL yang sangat tipis dengan ketiadaan kecacatan pada permukaannya boleh menghasilkan pemindahan dan pengangkutan cas pada antara muka yang efektif sekaligus boleh meningkatkan kesan fotovoltaik dalam peranti. Lapisan atom dua dimensi (2D) daripada logam peralihan dichalcogenide (TMDs) berpotensi sebagai ETL yang berprestasi tinggi kerana mempunyai permukaan habluran yang sempurna bagi sebuah sistem bebas perangkap permukaan pembawa. Tesis ini melaporkan kajian analisis hubungan struktur dan sifat hablur ETL lapisan atom 2D WS2 serta struktur lapisan perovskit ke atas dinamika fotoelektrik dalam peranti sel suria berasaskan perovskit tiga jenis kation, Cs0.05[MA0.13FA0.87]0.95Pb(I0.87Br0.13)3 sebagai bahan aktif. Lapisan atom 2D WS2 berfasa heksagonal (2H) adalah semikonduktor yang mempunyai jurang tenaga setinggi 1.82 eV dengan jalur valensi and jalur konduksi masing-masing pada -5.75 eV dan -3.93 eV di mana ianya sangat sesuai dengan keadaan jalur tenaga perovskit. Lapisan atom 2D WS2 disediakan di atas permukaan substrat indium tin oksida (ITO) menggunakan kaedah ultrasonik semburan pirolisis pada suhu terkawal. Fasa hablur lapisan atom 2D WS2 disahkan menggunakan kaedah spektroskopi Raman dan pembelauan sinar-X (XRD). Manakala morfologi dan sifat kehabluran ditentukan menggunakan mikroskopi elektron imbasan pancaran medan (FESEM) dan mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM). Keadaan kimia dan elektronik bahan kemudian dianalisa menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Didapati bahawa kualiti kehabluran serta keadaan kimia dan elektronik lapisan atom 2D WS2 sangat bergantung kepada suhu penumbuhan dan yang terbaik adalah pada suhu 350 ℃. Bagi mendapatkan ciri pengangkutan elektron lapisan atom 2D WS2 ini, sel suria perovskit berstruktur ITO/lapisan atom 2D WS2/perovskit/spiro-OMeTAD/Au difabrikasi. Daripada analisa spektroskopi fotoluminesen fana (time-resolved photoluminescence, TRPL) dan spektroskopi impedans elektrokimia (EIS), ditemukan bahawa lapisan atom 2D WS2 menjana aktiviti pengekstrakan dan pengangkutan cas pembawa terfotogenerasi yang sangat dinamik dengan pemalar masa pemindahan cas dan rintangan pemindahan cas masing-masing sepantas 5.9 ns dan serendah 25.6 Ω dalam peranti sel suria perovskit. Sel suria perovskit dengan kecekapan setinggi 18.21% telah berjaya dihasilkan dengan ketumpatan arus litar pintas (Jsc), voltan litar terbuka (Voc) dan faktor pengisian (FF) serta kecekapan kuantum luaran (EQE) masing-masing setinggi 22.24 mA cm-2, 1.12 V, 0.731 dan 85.1%. Sel suria perovskit ini juga didapati memiliki kestabilan yang tinggi dengan kemampuan mengekalkan prestasi setinggi 95.02% dan 96.87% daripada kecekapan asal di bawah operasi penjejakan takat kuasa maksimum (MPP tracking) selama 80 s dan di bawah perumuran selama 33 hari dalam atmosfera nitrogen. Lapisan atom 2D WS2 dengan struktur lapisan 2D yang unik ini berpotensi sebagai asas bagi pembangunan peranti sel suria perovskit berprestasi dan berkestabilan tinggi.