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Oct 31, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 20455 (2022) Citar este artículo

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Recientemente, los impresionantes logros logrados en células solares de perovskita multiunión (tándem) han desencadenado un enorme esfuerzo de investigación para mejorar su rendimiento. Aquí, utilizando una técnica del método de elementos finitos (FEM) tridimensional (3D), proponemos e investigamos PSC en tándem paralelos que consisten en dos capas absorbentes de MoTe2 y CH3NH3PbI3 con bandas prohibidas en cascada para utilizar de manera más eficiente el infrarrojo cercano (NIR). espectro. Dotada de una banda prohibida de aproximadamente 1 eV, la capa MoTe2 junto con una capa CH3NH3PbI3 es capaz de ampliar el rango de absorción de luz de la estructura más allá de la longitud de onda de 800 nm, hasta 1200 nm. Además de esto, el material MoTe2 no solo puede captar luz de manera apreciable incluso con un espesor tan bajo como 20 nm debido a su alto coeficiente de absorción, sino que también logra una alineación perfecta de la banda con la capa CH3NH3PbI3. Como resultado, el PCS multiunión propuesto produce una alta eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 18,52% con un VOC de 0,83 V, Jsc de 26,25 mA/cm2 y FF de 0,84, que es considerablemente mayor que sus correspondientes PSC de unión única. con PCE, VOC, Jsc y FF de 14,01%, 1,14 V, 15,20 mA/cm2 y 0,81, respectivamente. Además, para mitigar la pérdida de VOC causada por la baja banda prohibida de MoTe2, demostramos un aumento en VOC de 0,84 a 0,928 V y en PCE de 18,52% a 20,32%, cuando reemplazamos una capa de óxido de grafeno reducido (rGO) con Spiro- Capa OMeTAD como capa de transporte de huecos (HTL).

Organic–inorganic metal hybrid perovskites have been consistently arousing extraordinary research interest in the photovoltaic community owing to their exceptional semiconductor properties such as facile fabrication process, long diffusion length 175 μm in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science 347, 967–970 (2015)." href="/articles/s41598-022-25015-6#ref-CR1" id="ref-link-section-d316757610e379">1, long carrier lifetime2, panchromatic absorption of light3, etc. To date, the maximum power conversion efficiency (PCE) achieved in single-junction perovskite solar cells (PSCs) has been as high as 25.5% 175 μm in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals. Science 347, 967–970 (2015)." href="/articles/s41598-022-25015-6#ref-CR1" id="ref-link-section-d316757610e391">1. So as to further enhance the PCE constrained by the Shockley–Queisser (SQ) limit, some different strategies were pursued, namely, the carrier multiplication effect to harvest the additional energy (hυ-Eg) of photons with energy larger than bandgap (Eg)4 and multijunction absorbers to harvest photons with energy smaller than Eg5. Whereas it still is impractical and elusive to gain the PCE via carrier multiplication phenomena, multijunction (tandem) PSCs have successfully achieved the PCE as large as 29.15% 29% efficiency by enhanced hole extraction. Science 370, 1300–1309 (2020)." href="/articles/s41598-022-25015-6#ref-CR6" id="ref-link-section-d316757610e409"> 6. Sin embargo, inspirados por los logros de sus homólogos de PSC en tándem, células solares multiunión basadas en GaAs y GaInP que han alcanzado un PCE máximo del 38,8%7, todavía existe un creciente interés en seguir mejorando el rendimiento del PSC multiunión. Esto ha estimulado la búsqueda de nuevos materiales y arquitecturas para PSC multiunión.

Los dicalcogenuros semiconductores de metales de transición (TMD), incluidos MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2 y WSe2, están surgiendo como absorbentes muy impresionantes para células solares debido a sus coeficientes de absorción ultraaltos8, flexibilidad mecánica9, alta movilidad de los portadores10, junto con una banda prohibida ideal para energía fotovoltaica. aplicaciones8. En particular, una capa TMD de menos de 20 nm es capaz de absorber luz incluso diez veces más grande que los semiconductores de banda prohibida directa bien conocidos8. Si bien los TMD, especialmente MoS2, se han empleado ampliamente como capas de transporte de portadores (HTL) en los PSC11,12, no hay ningún informe que indique que se obtenga un beneficio de la capacidad de absorción de los TMD para mejorar la eficiencia de absorción de luz en los PSC. Aunque la mayoría de los TMD tienen casi la misma magnitud de banda prohibida que las perovskitas, el MoTe2 a granel con una banda prohibida de alrededor de 1 eV sería un material absorbente complementario para que la perovskita capte el rango de luz solar del infrarrojo cercano (NIR). La fuerte capacidad de absorción NIR del MoTe2, junto con la ausencia de enlaces colgantes en su superficie, una propiedad de los TMD que se origina a partir de su débil interacción entre capas de van der Waals (vdW), sustentan al MoTe2 como un candidato adecuado para ser heteroestructurado con materiales de perovskita para células solares en tándem13,14. Experimentalmente, los métodos de exfoliación química y mecánica rentables disponibles permiten la preparación de una película fina de MoTe2 uniforme y homogénea15,16. Por lo tanto, sería más valioso explorar la explotación de materiales de MoTe2 como capa absorbente de soporte, para beneficiarse de la absorción de MoTe2.

En este documento, presentamos y proponemos numéricamente un tipo plano de PSC multiunión paralelas con una región absorbente hecha de un delgado MoTe2 y CH3NH3PbI3. El dispositivo principal está compuesto por capas de ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/Spiro-OMeTAD/Ag, configuración que también fue fabricada con MoS216. La alineación de banda excelentemente deseable de MoTe2 con otras capas, junto con su alta capacidad de absorción NIR, allana notablemente el camino para lograr una mayor eficiencia fotovoltaica. En comparación con los PSC de unión simple, el dispositivo propuesto produce un aumento en el PCE del 14,01 al 18,52 %. Al realizar un análisis numérico preciso del rendimiento del dispositivo dependiente del espesor de MoTe2, se obtuvo un espesor óptimo de 25 nm, que es varios órdenes de amplitud más delgado que las capas absorbentes de soporte anteriores informadas hasta ahora en PSC multiunión17.

No obstante, es un hecho bien establecido que la utilización de un absorbente de banda prohibida baja es perjudicial para el voltaje de circuito abierto (VOC) de las células solares debido a la separación limitada del nivel cuasi Fermi de electrones y huecos. Asimismo, hemos observado una reducción de Voc tras convertir la estructura en un dispositivo multiunión. Para compensar estas pérdidas de fotovoltaje, reemplazamos una lámina de óxido de grafeno reducido (rGO) con Spiro-OMeTAD como HTL para mejorar la extracción y el transporte del agujero. Sorprendentemente, la lámina rGO mejora el COV y el PCE del dispositivo hasta un 0,928 y un 20,32%, respectivamente. Es de destacar que el rendimiento eficaz de la capa rGO como capa intermedia y capa de transporte de carga ha quedado bien demostrado en PSC18,19,20,21,22,23.

En este trabajo, empleamos un modelo híbrido óptico y eléctrico para calcular y evaluar las estructuras presentadas. Presentamos su formulación tradicional (es decir, en el dominio de la frecuencia) y luego discutimos la extensión al dominio del tiempo. Se utiliza un método de elementos finitos (FEM) para resolver las ecuaciones diferenciales parciales (PDE).

La Figura 1A muestra el diagrama esquemático de nuestro esquema PSC plano básico. De arriba a abajo, la estructura está apilada por un electrodo transparente de óxido de indio y estaño (ITO), una capa compacta de dióxido de titanio (TiO2), una película de perovskita de yoduro de plomo y metilamonio (CH3NH3PBI3), una película de N,N-di(4-metoxifenilo) capa de amino]-9,9′-espirobifluoreno (espiro-OMeTAD) y un electrodo trasero de plata (Ag). La luz incidente ingresa a la celda desde la capa de ITO y es absorbida hasta cierto punto por la película de perovskita. Además, la luz entrante experimenta una multirreflexión debido al reflector trasero Ag que da lugar a una mejora de la absorción. Para cuantificar la interacción entre las ondas electromagnéticas y las capas, así como la distribución del campo eléctrico (E), se resolvió la ecuación de Helmholtz (representada de la siguiente manera):

donde k0 es el número de onda en el espacio libre y εr es la constante dieléctrica. Claramente, para resolver la ecuación anterior, se necesita todo el índice de refracción complejo (\(N=n=ik\)) de las capas en función de la longitud de onda. Posteriormente, la distribución E obtenida al resolver la ecuación de Helmholtz anterior nos permite calcular la absorción de luz y la tasa de generación de portadores (Gopt). Se aplica el método de matriz de transferencia (TMM) para estimar Gopt en cada capa de la estructura. La fórmula de Gopt es la siguiente,

donde ℏ es la constante de Planck reducida y ε" es la parte imaginaria de la permitividad relativa. Como obviamente indica la fórmula, Gopt es proporcional al cuadrado de la intensidad E en una determinada longitud de onda. La tasa de generación total (Gtot) puede ser calculado integrando Gopt sobre un ancho de banda de longitud de onda de luz incidente.

Diagrama esquemático y energético y funcionamiento del dispositivo. (a) La estructura de pila del PSC básico diseñado en este trabajo. (b) el diagrama de alineación de bandas y el principio de funcionamiento del PSC básico. (c) Los espectros de absorción del PSC básico, determinando la contribución de cada capa. (d) la tasa de generación de portadores en las capas absorbentes en función de la longitud de onda.

El Gtot resultante se utiliza para la entrada del modelo eléctrico.

La siguiente relación J-V bien conocida se utiliza para describir las características eléctricas de los PSC actuales:

donde Jdark representa la corriente eléctrica de los PSC en ausencia de iluminación luminosa, Jsc es la fotocorriente, e es la carga del electrón, n es un factor de idealidad, K es la constante de Boltzmann y T es la temperatura en kelvin. Para calcular las corrientes se deben resolver las siguientes ecuaciones de Poisson y de continuidad en todo el dispositivo:

donde ε0 es la permitividad del espacio libre, ϕ es el potencial electrostático, ρ es la densidad de carga y q es la carga del electrón. Además, Jn y Jp muestran las densidades de corriente que surgen de los electrones y huecos, respectivamente, UN y UP ilustran las tasas de recombinación de electrones y huecos, respectivamente, y Gn y Gp son las tasas de generación de electrones y huecos, respectivamente. Suponiendo que cada fotón absorbido crea un par electrón-hueco, Gn y Gp se consideran iguales al Gtot obtenido de la parte óptica.

En este estudio, se ignora la influencia de los límites de grano y la recombinación de portadores en las interfaces entre semiconductores. Además, asumimos que la recombinación asistida por trampas (SRH) dentro de materiales a granel es el mecanismo de recombinación más rápido y dominante en nuestros dispositivos.

Como se mencionó anteriormente, el PSC de referencia está hecho de capas de ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, espiro-OMeTAD y Ag, como se demuestra en la Fig. 1a. Las capas ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, espiro-OMeTAD y Ag actúan como electrodo frontal transparente, capa de transporte de electrones (ETL), capa absorbente, capa de transporte de huecos (HTL) y electrodo posterior, respectivamente. A lo largo de este manuscrito, el espesor de las capas de ITO, TiO2, CH3NH3PBI3, espiro-OMeTAD y Ag se fija en 50, 90, 200, 100 y 100 nm, respectivamente. La Figura 1b muestra el diagrama de bandas de energía de los componentes de la estructura, lo que aprueba una alineación de bandas favorable para la transferencia de electrones y huecos a través del dispositivo. Estrictamente hablando, la considerable banda de valencia desplazada entre la perovskita (-5,48 eV) y ETL (-7,45 eV) bloquea efectivamente la inyección de huecos, mientras que su banda de conducción está bien alineada para recolectar los electrones excitados en la película de perovskita. Por el contrario, la alineación de bandas entre CH3NH3PBI3 (− 3,93 eV) y Spiro-OMeTAD (− 1,95 eV) hace adecuadamente factible la transferencia de huecos en la banda de valencia, mientras que impide la transferencia de electrones en la banda de conducción. Los parámetros de entrada, los valores de la banda prohibida de energía (Eg) y la afinidad electrónica (χ) de todos los componentes se eligen de acuerdo con la literatura17,24,25, y sus valores están indexados al nivel de vacío. La curva negra de la Fig. 1c muestra la absorción total en el PSC de referencia. Los datos del índice de refracción de TiO2, CH3NH3PBI3 y espiro-OMeTAD se toman de las referencias26,27,28. El área sombreada en azul de la Fig. 1c manifiesta los espectros de absorción de PSK en la estructura. Está claro que la capa de perovskita sólo puede absorber luz solar entre 300 y 800 nm debido a su banda prohibida (1,55 eV), por lo que toda la luz NIR se desperdicia. Para llevar la absorción de luz más allá del rango visible, se coloca una capa ultrafina de MoTe2 debajo de la película de perovskita. El semiconductor MoTe2 a granel dotado de una pequeña banda prohibida indirecta de aproximadamente 1,0 eV29 es capaz de extender la absorción de luz a longitudes de onda de hasta 1200 nm, como lo indica la región sombreada en rosa de la Fig. 1c. Además de una banda prohibida indirecta, el MoTe2 en masa disfruta de dos brechas excitónicas directas dominantes, denominadas A y B, alrededor de 1,2 y 1,5 eV, respectivamente, que especifican sus picos de absorción, como aparece en la Fig. 1c. Posteriormente, la curva negra en la Fig. 1d muestra el Gopt total en el dispositivo. Confirma una absorción de luz eficiente conducida a la generación de portadores en el rango NIR. Las áreas sombreadas en azul y rosa de la Fig. 1d revelan la contribución de las capas PSK y MoTe2, respectivamente, al Gopt total. Cuantitativamente, las capas PSK y MoTe2 contribuyen aproximadamente con el 61% y el 39% de la generación de portadoras, respectivamente. Esta mejora de la generación de portadores por parte de la capa MoTe2 podría ser prometedora para mejorar el rendimiento de la célula. Además, la capa MoTe2, al igual que otros materiales TMD, puede desempeñar funciones ventajosas adicionales para mejorar el rendimiento del dispositivo. La utilidad de los TMD en los PSC se ha ampliado para facilitar un transporte eficiente de los transportistas32, prolongar la estabilidad16, etc.33. Por lo tanto, estas ventajas, acompañadas de su bajo costo y su sencillo proceso de preparación (exfoliación mecánica y transferencia a un dispositivo), afirman su eficacia para mejorar la eficiencia del PSK.

En esta simulación, el índice de refracción del MoTe2 en masa se obtuvo del Ref34. Además, en todos los cálculos, la fuente de luz de entrada se ajusta al espectro AM1.5G. El ancho de banda de longitud de onda se elige entre 300 y 1200 nm con una resolución de hasta 20 nm. La condición de contorno periódica (PBC) se utiliza para cada lado de la región aislante en las estructuras y los lados de la capa de Au se configuran como un conductor eléctrico perfecto (PEC). Los contactos inferior y superior se consideran óhmicos ideales y Schottky con una velocidad de recombinación superficial de 107 cm/s, respectivamente. Además, se aplica una malla barrida para resolver con mayor precisión los campos alrededor de la capa delgada. La Tabla 1 incluye todos los valores de entrada ópticos y eléctricos utilizados en las simulaciones. Aquí, εr es la constante dieléctrica, NC y NV son densidad efectiva de estados de conducción y bandas de valencia, μn y μp son movilidades de electrones y huecos, χ es afinidad electrónica, Eg es energía de banda prohibida, NA y ND son densidades de aceptores y donantes, y τn y τp son vidas de electrones y huecos, respectivamente. Se sabe que los materiales MoTe2 están naturalmente dopados con P35. Además, en el límite de volumen, los TMD semiconductores tienen una vida útil de los portadores fotogenerados de hasta unos pocos nanosegundos36,37.

Las características de densidad de corriente-voltaje (J – V) de nuestro PSC de referencia bajo una condición de sol se demuestran en la Fig. 2a. El PSC muestra un PCE de 14,01%, con Jsc de 15,20 mA/cm2, Voc de 1,14 V y FF de 0,81. Beneficiando la luz NIR absorbida en la capa de MoTe2, Jsc aumenta considerablemente en 26,2 mA/cm2 en el PSC multiunión con un espesor optimizado de MoTe2. Sin embargo, el Voc cae a 0,84 V debido a que la separación del nivel cuasi Fermi de electrones y huecos ahora está restringida por la banda prohibida de MoTe2. En total, a pesar de que el Voc se destruye después de insertar la capa de MoTe2, la mejora de Jsc predomina en gran medida sobre la reducción de Voc, lo que lleva a un aumento notable en el PCE del 14,01% al 18,52%. Este aumento de PCE también se ve contribuido por una alineación de banda adecuada entre MoTe2 y la capa de perovskita y HTL, como se indica en la Fig. 2b. De hecho, la alineación de banda deseada entre las capas absorbentes puede mitigar eficazmente la pérdida de Voc en PSC multiunión como resultado de la mejora del transporte de carga y la reducción de la recombinación de carga. Para proporcionar una perspectiva más amplia sobre la capacidad de los TMD para absorber luz, comparamos el espectro de absorción de la estructura actual con cuando la capa MoTe2 fue reemplazada por otros tres TMD, WSe2, MoSe2 y MoS2, como se ilustra en la Fig. 2c. El índice de refracción y los parámetros de estructura de bandas de WSe2, MoSe2 y MoS2 se obtienen de la literatura34,39,40,41. Si bien todos los TMD muestran una fuerte interacción luz-materia bajo iluminación luminosa, sus bandas prohibidas cubren un amplio rango de 1 a 2 eV42. En este caso, WSe2 y MoSe2 con una banda prohibida de alrededor de 1,3 eV pueden absorber un espectro de luz más amplio en comparación con MoS2 con una banda prohibida de 1,45 eV. De estos, MoTe2 claramente es más capaz de absorber la luz NIR, lo que lo convierte en la mejor opción para conectarlo en cascada con el PSK. La Figura 2d,e muestra la interacción entre los campos eléctricos ligeros y diferentes capas en la longitud de onda de 600 y 1000 nm. Se puede ver que la capa de MoTe2 interactúa con la luz cuando la longitud de onda se establece en 1000 nm, mientras que su contribución a la absorción de luz en la longitud de onda visible de 600 nm es insignificante. También vale la pena saber que la utilización de TMD en PSC ha mostrado resultados exitosos para mejorar la estabilidad16,43. Por otro lado, los TMD en cada espesor se pueden preparar fácilmente mediante enfoques no destructivos y no sensibles al medio ambiente, como la exfoliación seca o en fase líquida16, y luego transferirse mediante métodos secos o húmedos. Por lo tanto, una combinación de materiales PSK y TMD puede mejorar potencialmente el rendimiento de los PSC, no sólo el funcionamiento fotovoltaico sino también la estabilidad.

El rendimiento del PSC simple y multiunión. ( a ) Curva de densidad de corriente-voltaje (J – V) del PSC único y del PSC multiunión, incluido MoTe2. (b) El diagrama de alineación de bandas de PSC multiunión. (c) Los espectros de absorción de la estructura para diferentes TMD, incluidos MoTe2, WSe2, MoSe2 y MoS2. (d) y (e) La distribución del campo eléctrico normalizado en las longitudes de onda de 600 y 1000 nm, respectivamente.

Para lograr el rendimiento máximo del PSC multiunión, se llevó a cabo un análisis de la dependencia del rendimiento de la celda con respecto al espesor de MoTe2, mientras que otros parámetros de entrada en la Tabla 1 se dejan sin cambios. Según la Fig. 3, la absorción, la generación de portadores y los parámetros fotovoltaicos de la celda cambian a medida que el espesor del MoTe2 aumenta de 5 a 100 nm. La Figura 3a muestra los espectros de absorción de cuatro espesores diferentes de la capa de MoTe2 dentro del PSC multiunión. Como era de esperar, cuanto más gruesa es la capa de MoTe2, mayor es la absorción de luz en la capa de MoTe2. Sin embargo, la tasa de absorción de luz se vuelve más lenta a medida que aumenta el espesor del MoTe2, hasta que alcanza la saturación en un cierto espesor. Aunque el MoTe2 absorbe demasiada luz en las longitudes de onda más largas, alrededor de 1100 nm, la generación de portadoras es deficiente en tales longitudes de onda, como se ilustra en la Fig. 3b. Esto puede atribuirse al efecto de cavidad resonante y a las interferencias que desempeñan un papel en los espectros de absorción, pero no ejercen ninguna influencia en la generación de portadores. Como se muestra en la Fig. 3c, d, los parámetros fotovoltaicos de la celda, PCE, Jsc, Voc y FF varían con el espesor de MoTe2. Al aumentar el espesor de la capa de MoTe2, el Jsc aumenta gradualmente hasta alcanzar un punto de saturación. Por el contrario, el Voc se reduce a medida que aumenta el espesor del MoTe2. Inicialmente, el Voc experimenta una rápida disminución y luego la tasa de disminución se vuelve más lenta con el aumento del espesor del MoTe2. El valor decreciente de Voc puede atribuirse a un aumento en la recombinación de portadores de carga en la capa absorbente más gruesa y al aumento de la resistencia en serie44. Cuando el espesor de la capa absorbente es menor que la longitud de difusión del portador, la tasa de recombinación del portador disminuye significativamente, lo que resulta en un fuerte aumento de Voc. Por otro lado, después de una distancia igual a la longitud de difusión del portador, se produce una reducción de Voc debido al aumento de la recombinación del portador. Además, vale la pena señalar que el parámetro FF tiene una dependencia insignificante del espesor de MoTe2. En consecuencia, como se indica en la Fig. 3d, el PCE inicialmente experimenta un aumento relativamente intenso en la respuesta a cambios bruscos tanto de Voc como de JSC en los espesores de MoTe2 más delgados y luego alcanza un máximo (~ 18,52%) en el espesor de MoTe2 de 25 nm. , y posteriormente, cae a medida que se satura el aumento de Jsc.

La dependencia del rendimiento del PSC multiunión del espesor de MoTe2. (a) Los espectros de absorción de la película MoTe2 con diferentes espesores. (b) La generación de portadores dentro de los diferentes espesores de la capa de MoTe2. (c) Las curvas negra y azul representan la dependencia de VOC y JSC del espesor de MoTe2, respectivamente. (d) La dependencia del PCE del espesor de MoTe2.

Para compensar el efecto destructivo de apilar en paralelo materiales de banda prohibida baja y alta, reemplazamos la capa de espiro con una capa de rGO de 60 nm para mejorar la transferencia del portador. Podría decirse que el óxido de grafeno (GO) y el rGO pueden proporcionar múltiples beneficios a las PSC, a saber, la mejora de la estabilidad y la conductividad eléctrica y térmica45. Por lo tanto, los materiales se utilizaron ampliamente para diferentes funciones en PSC, como capas de transporte de soporte, capas intermedias y óxidos conductores transparentes. Aquí, la capa GO se selecciona para insertar como HTL debido a su estructura de banda bien alineada con los bordes de la banda de las capas adyacentes. Los parámetros de la banda de energía electrónica de rGO se obtienen del Ref46. Como se ilustra en la Fig. 4a, la utilidad de rGO como HTL mejora notablemente tanto FF como Voc hasta 0,89 y 0,928, respectivamente, en comparación con el PSC multiunión sin la capa rGO. En consecuencia, produce un PCE tan alto como 20,32, alrededor de un 1,77% mayor que el PSC multiunión con espiro HTL. La mejora significativa del rendimiento fotovoltaico en el PSC multiunión basado en rGO está dedicada a un transporte de carga más eficiente y una mejor alineación de la banda de energía, junto con una reducción en el aumento de la resistencia en serie debido a la reducción esperada de la recombinación de carga en la interfaz.

El rendimiento del PSC multiunión con y sin rGO. ( a ) Curva de densidad de corriente-voltaje (J – V) del rendimiento del PSC multiunión con sprio y sin rGO HTL. ( b ) Curva de densidad de corriente-voltaje (J – V) del PSC multiunión con diferentes HTL, incluidos Spiro, PTAA, rGO y CuS. (c) Alineación de bandas entre las capas de PSC multiunión y los HTL propuestos.

La Figura 4b compara el rendimiento fotovoltaico del PSC multiunión con diferentes HTL, incluidos los materiales Spiro, PTAA, rGO y CuS. Los parámetros de entrada de estos materiales se tabulan en la Tabla 2. La capa de rGO actúa como HTL mejor que otros materiales debido a su alta movilidad de agujeros47, junto con una buena alineación de banda con MoTe2. Por el contrario, CuS no está bien alineado energéticamente con MoTe2, lo que provoca una reducción de COV. El diagrama de bandas del PSC multiunión con diferentes HTL se muestra en la Fig. 4c.

En resumen, los importantes éxitos logrados en los PSC multiunión (tándem) han intensificado los esfuerzos científicos para abordar los desafíos existentes y mejorar su rendimiento actual. En esta dirección, diseñamos y propusimos una célula solar de perovskita multiunión n–i–p hecha de capas de ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/MoTe2/Spiro-OMeTAD/Ag, que incluye dos absorbentes, CH3NH3PbI3 y MoTe2, con bandas prohibidas en cascada para absorber una espectro solar más amplio. La capa MoTe2 con una banda prohibida de alrededor de 1 eV nos permite recolectar fotones con energías más pequeñas que la banda prohibida de la perovskita. Los resultados calculados muestran un aumento apreciable en la eficiencia de la célula solar de perovskita procedente de la corriente de cortocircuito, en comparación con la célula sin MoTe2. Sin embargo, a diferencia de la corriente de cortocircuito, el apilamiento de los absorbentes con diferentes bandas prohibidas ha provocado una caída de la tensión del circuito abierto debido al deterioro del transporte de huecos en la zona de absorción. Para aliviar el problema inevitable, insertamos una capa de óxido de grafeno con un espesor de 1,5 nm. En consecuencia, observamos que el voltaje del circuito abierto aumenta hasta 0,1 eV, lo que lleva a una mejora de la eficiencia del 18,52% al 20,32%. Tanto la estructura de la banda de energía de las capas de MoTe2 como de óxido de grafeno combinan perfectamente con los bordes de las bandas de las capas cercanas, lo que permite lograr un alto rendimiento. También es importante mencionar que las capas de MoTe2 y óxido de grafeno elegidas en esta investigación se han utilizado experimentalmente para diversas funciones, como mejora de la estabilidad, capas de transporte, etc.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Departamento de Ciencias Energéticas, Universidad Sungkyunkwan (SKKU), Suwon, República de Corea

Mohammad Gholipoor y Nasrin Solhtalab

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Tarbiat Modares (TMU), Teherán, Irán

Mohammad Hosein Mohammadi

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MG: principal contribución a la concepción, escribió el algoritmo de simulación, diseño del trabajo, análisis e interpretación de datos, redactó el manuscrito principal y preparó figuras. NS: contribución significativa a la concepción, interpretación de los datos, los revisó sustancialmente, escribió algunas partes del manuscrito. MHM: Conceptualización, proporcionó el algoritmo de simulación, revisión.

Correspondencia a Mohammad Gholipoor.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Gholipoor, M., Solhtalab, N. y Mohammadi, MH Célula solar de perovskita/MoTe2 en tándem paralela de alto rendimiento basada en óxido de grafeno reducido como capa de transporte de huecos. Representante científico 12, 20455 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25015-6

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Recibido: 15 de septiembre de 2022

Aceptado: 23 de noviembre de 2022

Publicado: 28 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25015-6

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