Fabrication and characterization of superstrate planar solar cells using antimony sulfoselenide (Sb2(S,Se)3) as a light absorber

Abstract

This project describes the complete process of creating superstrate planar solar cells from antimony sulfoselenide (Sb2(S,Se)3) which is a promising future photovoltaic material. The combination of being earth-abundant elements and low production costs and non-toxic nature makes antimony chalcogenides suitable as sustainable thin-film alternatives compared to traditional materials. The FTO/CdS/Sb2(S,Se)3/PTAA/Au structure represtents the baseline structure despite being modified in certain experiments. The hydrothermal deposition method creates vertical quasi-one-dimensional ribbon structures in the absorber layer which enables efficient charge transport. The experimental part of the project combined the mastering of the baseline process together with new techniques that were expected to minimize both electronic recombination and resistive power loss. The experiments showed that maintaining a clean annealing environment produces high-quality crystals while poor PTAA Hole Transport Layer (HTL) development restricts charge collection, resulting in decreased JSC and F F values. The Scanning electron microscopy (SEM) images showed how the absorber material structure transformed during annealing through its morphological changes. A Self-Assembled Monolayer (SAM) interface was added to the process together with other experimental approaches, however, none of the new methods showed an increase in efficiency. The baseline devices reached a maximum power conversion efficiency (PCE) of 9.13%. The VOC is still limited by Shockley–Read–Hall (SRH) non-radiative recombination, which mainly occurs at the Sb2(S,Se)3/CdS interface.

Este proyecto describe el proceso completo de creación de células solares en una configuración de superestrato a partir de sulfoselenuro de antimonio (Sb2(S,Se)3) que es material fotovoltaico con un futuro prometedor. La combinación de ser elementos abundantes en la corteza de la tierra, los bajos costes de producción y la naturaleza no tóxica hace que los calcogenuros de antimonio sean considerados como alternativas sostenibles de película fina respecto a otros materiales tradicionales. La estructura FTO/CdS/Sb2(S,Se)3/PTAA/Au representa la estructura de la célula solar de referencia que ha sido modificada en algunos de los experimentos. El método de deposición hidrotermal crea estructuras de cinta verticales casi-unidimensionales en la capa absorbente que permiten un transporte de carga eficiente. La parte experimental del proyecto combinó el dominio del proceso de referencia junto con nuevas técnicas que esperaban minimizar tanto la recombinación electrónica como la pérdida de potencia resistiva. Los experimentos mostraron que el mantenimiento de un entorno libre de contaminantes donde reproducir el annealing, produce capas de alta calidad, mientras que si el proceso de creación de la capa de transporte de PTAA (HTL) no se reproduce correctamente, restringe la recogida de cargas, resultando en una disminución de los valores J_sc y $FF$. Las imágenes del Scanning electron microscopy (SEM) mostraron como la estructura del material absorbente se transforma durante el annealing a través de sus cambios morfológicos. Se añadió al proceso una interfaz de Auto-Assembled Monolayer (SAM), incluyendo otros enfoques experimentales, pero, ninguno de los nuevos métodos mostró un aumento de la eficiencia. Los dispositivos de referencia llegaron a una eficiencia máxima de conversión de energía (PCE) de 9,13\%. El V_oc todavía está limitado por la recombinación no radiativa Shockley-Read-Hall (SRH), que se produce principalmente a la interfaz \ch{Sb2(S,Se)3}/CdS.

Aquest projecte descriu el procés complet de creació de cèl·lules solars en una configuració de superestrat a partir de sulfoselenur d’antimoni (Sb2(S,Se)3) que és material fotovoltaic amb un futur prometedor. La combinació de ser elements abundants en l’escorça de la terra, els baixos costos de producció i la naturalesa no tòxica fa que els calcogenurs d’antimoni siguin considerats com a alternatives sostenibles de pel·lícula fina respecte a altres materials tradicionals. L’estructura FTO/CdS/Sb2(S,Se)3/PTAA/Au representa l’estructura de la cèl·lula solar de referència que ha sigut modificada en alguns dels experiments. El mètode de deposició hidrotermal crea estructures de cinta verticals quasi- unidimensionals en la capa absorbent que permeten un transport de càrrega eficient. La part experimental del projecte va combinar el domini del procés de referència junta- ment amb noves tècniques que esperaven minimitzar tant la recombinació electrònica com la pèrdua de potència resistiva. Els experiments van demostrar que el manteniment d’un entorn lliure de contaminants on reproduir l’annealing, produeix capes d’alta qualitat, mentre que si el procés de creació de la capa de transport de PTAA (HTL) no és reprodueix correctament, restringeix la recollida de c`arregues, resultant en una disminució dels valors JSC i FF. Les imatges del Scanning electron microscopy (SEM) van mostrar com l’estructura del material absorbent es transforma durant l’annealing a través dels seus canvis morfològics. Es va afegir al procés, una interfície d’Auto-Assembled Monolayer (SAM) conjuntament amb altres enfocaments experimentals, però, cap dels nous mètodes va mostrar un augment de l’eficiència. Els dispositius de referència van arribar a una eficiència màxima de conversió d’energia (PCE) de 9,13%. El V_OC encara està limitat per la recombinació no radiativa Shockley- Read-Hall (SRH), que es produeix principalment a la interfície Sb2(S,Se)3/CdS.