Cs and Br tuning to achieve ultralow-hysteresis and high-performance indoor triple cation perovskite solar cell with low-cost carbon-based electrode

• DOI: 10.1016/j.isci.2024.109306
• Publication Date: 2024-02-22T08:46:37Z
• Authors: Ladda Srathongsian; Anusit Kaewprajak; Atittaya Naikaew; Chaowaphat Seriwa...; Napan Phuphathana...; Anuchytt Inna; Thana Chotchuangc...; Woraprom Passator...; Pisist Kumnorkaew; Somboon Sahasithiwat; Duangmanee Wongra...; Pipat Ruankham; Ratchadaporn Supr...; Hideki Nakajima; Pasit Pakawatpanurut; Pongsakorn Kanjan...
• Keywords: Composite material; Science; Perovskite Solar Cell Technology; Electrode; Materials Science; Stack (abstract data type); Quantum mechanics; Article; Engineering; Chemical engineering; Band gap; Devices; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Materials Chemistry; Carbon fibers; Nanotechnology; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Energy materials; Applications of Quantum Dots in Nanotechnology; Perovskite (structure); FOS: Chemical engineering; FOS: Nanotechnology; Hysteresis; Physics; Q; Solar cell; Composite number; Perovskite solar cell; Computer science; Materials science; Gallium Oxide (Ga2O3) Semiconductor Materials and Devices; Electronic, Optical and Magnetic Materials; Programming language; Chemistry; Physical chemistry; Physical Sciences; Energy conversion efficiency; Perovskite Solar Cells

With high efficacy for electron-photon conversion under low light, perovskite materials show great potential for indoor solar cell applications to power small electronics for internet of things (IoTs). To match the spectrum of an indoor LED light source, triple cation perovskite composition was varied to adjust band gap values via Cs and Br tuning. However, increased band gaps lead to morphology, phase instability, and defect issues. 10% Cs and 30% Br strike the right balance, leading to low-cost carbon-based devices with the highest power conversion efficiency (PCE) of 31.94% and good stability under low light cycles. With further improvement in device stack and size, functional solar cells with the ultralow hysteresis index (HI) of 0.1 and the highest PCE of 30.09% with an active area of 1 cm2 can be achieved. A module from connecting two such cells in series can simultaneously power humidity and temperature sensors under 1000 lux.<br/>Avec une grande efficacité pour la conversion électron-photon sous faible luminosité, les matériaux en pérovskite présentent un grand potentiel pour les applications de cellules solaires intérieures afin d'alimenter de petits appareils électroniques pour l'Internet des objets (IdO). Pour correspondre au spectre d'une source de lumière LED intérieure, la composition de la pérovskite à triple cation a été modifiée pour ajuster les valeurs de bande interdite via le réglage Cs et Br. Cependant, l'augmentation des bandes interdites entraîne des problèmes de morphologie, d'instabilité de phase et de défauts. 10 % de Cs et 30 % de Br trouvent le bon équilibre, ce qui conduit à des dispositifs à base de carbone à faible coût avec le rendement de conversion de puissance (pce) le plus élevé de 31,94 % et une bonne stabilité sous de faibles cycles de lumière. Avec une amélioration supplémentaire de l'empilement et de la taille des dispositifs, des cellules solaires fonctionnelles avec l'indice d'hystérésis (HI) ultra-faible de 0,1 et le pce le plus élevé de 30,09 % avec une surface active de 1 cm2 peuvent être obtenues. Un module de connexion de deux de ces cellules en série peut simultanément alimenter des capteurs d'humidité et de température de moins de 1000 lux.<br/>Con una alta eficacia para la conversión electrón-fotón en condiciones de poca luz, los materiales de perovskita muestran un gran potencial para aplicaciones de células solares interiores para alimentar pequeños dispositivos electrónicos para el internet de las cosas (IoT). Para que coincida con el espectro de una fuente de luz LED de interior, se varió la composición de perovskita de triple catión para ajustar los valores de banda prohibida a través del ajuste Cs y Br. Sin embargo, el aumento de las brechas de banda conduce a problemas de morfología, inestabilidad de fase y defectos. El 10% de Cs y el 30% de Br logran el equilibrio adecuado, lo que lleva a dispositivos basados en carbono de bajo costo con la mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 31,94% y una buena estabilidad en ciclos de poca luz. Con una mejora adicional en la pila y el tamaño del dispositivo, se pueden lograr células solares funcionales con un índice de histéresis (HI) ultrabajo de 0.1 y el PCE más alto de 30.09% con un área activa de 1 cm2. Un módulo que conecte dos de estas celdas en serie puede alimentar simultáneamente sensores de humedad y temperatura por debajo de 1000 lux.<br/>مع فعالية عالية لتحويل الفوتون الإلكتروني تحت الضوء المنخفض، تُظهر مواد البيروفسكايت إمكانات كبيرة لتطبيقات الخلايا الشمسية الداخلية لتشغيل الإلكترونيات الصغيرة لإنترنت الأشياء (IoTs). لمطابقة طيف مصدر ضوء LED داخلي، تم تنويع تركيبة بيروفسكايت الكاتيون الثلاثي لضبط قيم فجوة النطاق عبر ضبط Cs و Br. ومع ذلك، تؤدي فجوات النطاق المتزايدة إلى التشكل، وعدم استقرار الطور، ومشاكل العيوب. تحقق 10 ٪ Cs و 30 ٪ Br التوازن الصحيح، مما يؤدي إلى أجهزة منخفضة التكلفة تعتمد على الكربون مع أعلى كفاءة تحويل للطاقة (PCE) بنسبة 31.94 ٪ واستقرار جيد في ظل دورات الإضاءة المنخفضة. مع مزيد من التحسين في مكدس الجهاز وحجمه، يمكن تحقيق الخلايا الشمسية الوظيفية بمؤشر تباطؤ منخفض للغاية (HI) قدره 0.1 وأعلى PCE بنسبة 30.09 ٪ بمساحة نشطة تبلغ 1 سم 2. يمكن لوحدة من توصيل خليتين من هذا القبيل على التوالي أن تعمل في وقت واحد على تشغيل مستشعرات الرطوبة ودرجة الحرارة تحت 1000 لوكس.<br/>