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Emerging BaZrS3 and Ba(Zr,Ti)S3 Chalcogenide Perovskite Solar Cells: A Numerical Approach Toward Device Engineering and Unlocking Efficiency

材料科学 硫系化合物 能量转换效率 欧姆接触 载流子 光电子学 光伏 制作 工作职能 半导体 纳米技术 工程物理 光伏系统 电气工程 图层(电子) 病理 替代医学 工程类 医学
作者
Eupsy Navis Vincent Mercy,Dhineshkumar Srinivasan,Latha Marasamy
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:9 (4): 4359-4376 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acsomega.3c06627
摘要

BaZrS3 chalcogenide perovskites have emerged as a promising absorber due to their exceptional properties. However, there are no experimental reports on the applicability of BaZrS3 in photovoltaics. Thus, theoretical knowledge of device structure engineering is essential for its successful fabrication. In this regard, we have proposed various BaZrS3 device configurations by altering 12 electron transport layers (ETLs) in combination with 13 hole transport layers (HTLs) using SCAPS-1D, wherein a total of 782 devices are simulated by tuning the thickness, carrier concentration, and defect density of BaZrS3, ETLs, and HTLs. Interestingly, the absorber's thickness optimization enhanced the absorption in the device by 2.31 times, elevating the generation rate of charge carriers, while the increase in its carrier concentration boosted the built-in potential from 0.8 to 1.68 V, reducing the accumulation of charge carriers at the interfaces. Notably, on further optimization of ETL and HTL combinations, the best power conversion efficiency (PCE) of 28.08% is achieved for FTO/ZrS2/BaZrS3/SnS/Au, occurring due to the suppressed barrier height of 0.1 eV at the ZrS2/BaZrS3 interface and degenerate behavior of SnS, which increased charge carrier transportation and conductivity of the devices. Upon optimizing the work function, an ohmic contact is achieved for Pt, boosting the PCE to 28.17%. Finally, the impact of Ti alloying on BaZrS3 properties is examined on the champion FTO/ZrS2/BaZrS3/SnS/Pt device where the maximum PCE of 32.58% is obtained for Ba(Zr0.96,Ti0.04)S3 at a thickness of 700 nm due to extended absorption in the NIR region. Thus, this work opens doors to researchers for the experimental realization of high PCE in BaZrS3 devices.
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