Isotype Heterojunction Solar Cells Using n-Type Sb2Se3 Thin Films

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c00223
• Publication Date: 2020-03-03T18:09:32Z
• Authors: Theodore D. C. Ho...; Laurie J. Phillips; Oliver S. Hutter; Huw Shiel; Jack E. N. Swallow; Christopher N. Sa...; Pabitra K. Nayak; Silvia Mariotti; Bhaskar Das; Leon Bowen; Leanne A. H. Jones; Thomas J. Feather...; Matthew J. Smiles; Mark A. Farnworth; Guillaume Zoppi; Pardeep K. Thakur; Tien-Lin Lee; Henry J. Snaith; Chris Leighton; David O. Scanlon; Vinod R. Dhanak; Ken Durose; Tim D. Veal; Jonathan D. Major
• Keywords: Surface photovoltage; X-ray photoelectron spectroscopy; Secondary ion mass spectrometry; Thin-Film Solar Cells; F100; Materials Science; F200; Organic chemistry; H800; 02 engineering and technology; Quantum mechanics; 7. Clean energy; Analytical Chemistry (journal); Engineering; Chemical engineering; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Materials Chemistry; Doping; Nanotechnology; Dopant; Thin film; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Ion; Applications of Quantum Dots in Nanotechnology; Spectroscopy; FOS: Chemical engineering; FOS: Nanotechnology; Physics; Phase Change Materials for Data Storage and Photonics; Materials science; Solar Cells; Thin-Film Solar Cell Technology; Chemistry; Solar Cell Efficiency; Physical Sciences; Heterojunction; 0210 nano-technology

The carrier-type of the emerging photovoltaic Sb2Se3 was evaluated for both thin films and bulk crystals via a range of complementary techniques. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hot probe, Hall effect, and surface photovoltage spectroscopy showed films and crystals synthesized from the Sb2Se3 granulate material to be n-type with chlorine identified as an unintentional n-type dopant via secondary ion mass spectrometry analysis. The validity of chlorine as a dopant was confirmed by the synthesis of intrinsic crystals from metallic precursors and subsequent deliberate n-type doping by the addition of MgCl2. Chlorine was also shown to be a substitutional n-type shallow dopant by density functional theory calculations. TiO2/Sb2Se3 n–n isotype heterojunction solar cells with 7.3% efficiency are subsequently demonstrated, with band alignment analyzed via XPS.<br/>تم تقييم النوع الحامل لـ Sb2Se3 الكهروضوئي الناشئ لكل من الأغشية الرقيقة والبلورات السائبة عبر مجموعة من التقنيات التكميلية. أظهر التحليل الطيفي للأشعة السينية للإلكترونات الضوئية (XPS)، والمسبار الساخن، وتأثير هول، والتحليل الطيفي للجهد الضوئي السطحي، أن الأغشية والبلورات التي تم تصنيعها من المادة الحبيبية Sb2Se3 تكون من النوع n مع الكلور الذي تم تحديده على أنه إشابة غير مقصودة من النوع n عبر تحليل الطيف الكتلي الأيوني الثانوي. تم تأكيد صحة الكلور كمنشطات من خلال تخليق البلورات الجوهرية من السلائف المعدنية والمنشطات المتعمدة اللاحقة من النوع n من خلال إضافة MgCl2. كما تبين أن الكلور عبارة عن إشابة ضحلة من النوع n من خلال حسابات نظرية الكثافة الوظيفية. يتم لاحقًا عرض الخلايا الشمسية غير المتجانسة النمط TiO2/Sb2Se3 n - n بكفاءة 7.3 ٪، مع تحليل محاذاة النطاق عبر XPS.<br/>Le type de porteur du Sb2Se3 photovoltaïque émergent a été évalué pour les films minces et les cristaux en vrac via une gamme de techniques complémentaires. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), la sonde chaude, l'effet Hall et la spectroscopie de photovoltaïque de surface ont montré que les films et les cristaux synthétisés à partir du granulat de Sb2Se3 étaient de type n avec du chlore identifié comme dopant de type n involontaire via une analyse par spectrométrie de masse à ions secondaires. La validité du chlore en tant que dopant a été confirmée par la synthèse de cristaux intrinsèques à partir de précurseurs métalliques et le dopage délibéré subséquent de type n par l'ajout de MgCl2. Le chlore s'est également avéré être un dopant superficiel de type n de substitution par des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité. Les cellules solaires à hétérojonction d'isotype n–n TiO2/Sb2Se3 avec une efficacité de 7,3% sont ensuite démontrées, avec un alignement de bande analysé via XPS.<br/>El tipo de portador del Sb2Se3 fotovoltaico emergente se evaluó tanto para películas delgadas como para cristales a granel a través de una gama de técnicas complementarias. La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), la sonda caliente, el efecto Hall y la espectroscopía de fotovoltaje de superficie mostraron que las películas y los cristales sintetizados a partir del material granulado de Sb2Se3 eran de tipo n con cloro identificado como un dopante de tipo n no intencional mediante análisis de espectrometría de masas de iones secundarios. La validez del cloro como dopante se confirmó mediante la síntesis de cristales intrínsecos a partir de precursores metálicos y el posterior dopaje deliberado de tipo n mediante la adición de MgCl2. También se demostró que el cloro es un dopante superficial de tipo n de sustitución mediante cálculos de la teoría funcional de la densidad. Posteriormente se demuestran células solares de heterounión de isotipo n–n TiO2/Sb2Se3 con una eficiencia del 7,3%, con alineación de bandas analizada a través de XPS.<br/>