Ny bærerdoping i p-type halvledere forbedrer fotovoltaisk enheds ydeevne ved at øge hulkoncentrationen

Perovskite-solceller har været genstand for megen forskning som den næste generation af solceller. Der er dog stadig mange udfordringer, der skal overvindes for den praktiske anvendelse. En af dem vedrører hultransportlaget (halvleder af p-type) i solceller, der fører huller genereret af lys til elektroden.

I konventionelle p-type organiske transporthalvledere er huldopanter kemisk reaktive og nedbryder den fotovoltaiske enhed. Uorganiske p-type halvledere, som er kemisk stabile, er lovende alternativer, men fremstilling af konventionelle uorganiske p-type halvledere kræver behandling ved høj temperatur. I denne henseende har man ønsket de p-type uorganiske halvledere, der kan fremstilles ved lave temperaturer og har fremragende hultransportevne.

Uorganisk p-type kobberiodid (CuI) halvleder er en førende kandidat til sådanne hultransportmaterialer i fotovoltaiske apparater. I dette materiale giver indfødte defekter anledning til ladningsubalance og frie ladningsbærere. Det samlede antal defekter er dog generelt for lavt til en tilfredsstillende enhedsydelse.

Tilføjelse af urenheder med acceptor (positivt ladede) eller donor (negativt ladede) egenskaber, kendt som "urenhedsdoping", er guldstandardmetoden til at styrke halvlederes transportegenskaber og enhedens ydeevne. I konventionelle metoder er ioner med lavere valens end de indgående atomer blevet brugt som sådanne urenheder. I Cu(I)-baserede halvledere er der dog ingen ion med en valens, der er lavere end monovalente kobberioners (nulvalens), og derfor er der ikke etableret en p-type doping i kobberforbindelser.

For at foreslå et nyt bærer-dopingdesign til p-type-doping i CuI fokuserede forskere fra Japan og USA for nylig på den alkaliske urenhedseffekt, som empirisk er blevet brugt til hul-doping i kobber monovalente halvledere, kobberoxid (Cu₂ O) og Cu(In,Ga)Se₂ .

I en ny tilgang skitseret i en undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , holdet, ledet af Dr. Kosuke Matsuzaki fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, demonstrerede eksperimentelt, at p-type doping med alkali-ion urenheder, som har samme valens som kobber, men større størrelse, kan forbedre ledningsevnen i Cu (I)-baserede halvledere. De teoretiske analyser viser, at de komplekse defekter, som er sammensat af alkali-ion-urenhed og tomrum af kobberioner, er en oprindelse til huldannelse (p-type ledningsevne).

Mens alkalimetalurenheder er kendt for at øge bærerkoncentrationen i kobberoxid, forblev den underliggende mekanisme et mysterium for videnskabsmænd indtil nu. Denne mekanisme er nu blevet belyst, som Dr. Matsuzaki forklarer:"Ved hjælp af en kombination af eksperimentelle undersøgelser og teoretisk analyse lykkedes det os at afdække virkningen af ​​de alkaliske urenheder i Cu(I)-baserede halvledere. Alkalimetal Na-urenheden interagerer med nabo Cu-ioner i Cu₂ O for at danne defekte komplekser. Komplekserne fører til gengæld til at være en kilde til huller."

Efterhånden som en urenhed tilføjes til krystalstrukturen, skubber elektrostatisk Coulomb-afstødning mellem urenheden og tilstødende Cu-ioner Cu-atomerne fra deres positioner i strukturen og fører til dannelsen af ​​flere acceptor-type kobber ledige pladser. Dette øger igen den totale p-type bærerkoncentration og følgelig p-type ledningsevne. "Vores simuleringer viser, at det er kritisk, at urenheden er noget større for, at ledige rum i krystalgitteret kan fremkalde elektrostatisk frastødning. For mindre alkaliske urenheder, for eksempel lithium, falder urenhedsionerne ind i de interstitielle steder og deformerer ikke krystallen tilstrækkeligt. gitter," uddyber Dr. Matsuzaki.

Baseret på p-type dopingmekanisme til at danne acceptor-type Cu ledighedsdefektkompleks, undersøgte holdet større alkaliske ioner, såsom kalium, rubidium og cæsium (Cs), som acceptorurenheder i γ-CuI. Blandt dem kunne Cs-ionerne binde endnu flere Cu-pladser, hvilket fører til endnu større koncentration af stabile ladningsbærere (10 ¹³ —10 ¹⁹ cm ^-3 ) både i enkeltkrystaller og tynde film fremstillet ud fra opløsningen.

"Dette tyder på, at metoden kan bruges til at finjustere bærerkoncentrationer under lavtemperaturbehandling til specifikke applikationer og enheder. Dette ville tillade en helt ny række anvendelser for disse p-type materialer," konkluderer Matsuzaki.

Faktisk kan udviklingen være et stort spring fremad for kobber(I)-baserede halvledere og kan snart føre til deres praktiske anvendelser i solceller og optoelektroniske enheder. + Udforsk yderligere

Transparent elektronikforskning tager fart