Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Film Oluşumunda Hybrid Perovskit Fabrikasyon Yöntemleri, Elektronik Yapısı ve Güneş Pili Performans Etkisi

Published: February 27, 2017 doi: 10.3791/55084
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry, University of Cologne

Summary

Biz kristal yapıları, devletler, enerji düzeyleri yoğunluğu ve sonuçta güneş pili performansını karşılaştırarak organik / inorganik Perovskite ince filmlerin farklı imalat yöntemleri etkileri üzerine kapsamlı bir çalışma sunulmuştur.

Abstract

Hibrid organik / inorganik halide perovskit son zamanlarda diğer ince film cihaz teknolojileri aşan cihaz verimliliği elde etmek için potansiyeli olan, güneş pili uygulamaları alanında büyük ilgi bir konu olmuştur. Bununla birlikte, cihaz, verimlilik ve fiziksel özellikleri büyük değişiklikler bildirilmiştir. Bu yeterince şimdiye kadar araştırılmamıştır filmin işlenmesi sırasında kasıtsız varyasyonları, kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, gösterdiğimiz CH3 NH3 PBI 3 perovskit çok sayıda morfolojik ve elektronik yapı kapsamlı bir çalışma yürüttüler kadar hazırlama yöntemi olarak başlangıç maddeleri metilamonyum iyodür ve kurşun (II) iyodit darbe özellikleri gibi karışım oranı film oluşumu, kristal yapısı, durum yoğunluğu, enerji seviyeleri ve sonuçta güneş pili performansı.

Introduction

İnce film fotovoltaik teknolojileri nedeniyle esnek yüzeylerde düşük malzeme tüketimi ve uygulanabilirliği güneş pili uygulamalarında araştırma önemli bir ilgi var. Özellikle, inorganik / organik halojenür perovskit malzemelerin yüksek verimliliklere gelen güneş pili cihazları uygun bir aktif tabakalar olduğu kanıtlanmıştır. Perovskit yüksek soğurma katsayısı 1, yüksek yük taşıyıcı mobilitesi 2, ve enerji 3 bağlayıcı düşük eksiton olarak avantajlı özelliklere sahiptir. Perovskit tabakaları çeşitli çözelti ya da kurşun (II) iyodit (PBI 2) ve metilamonyum iyodür (MAI) gibi düşük maliyetli ön-madde malzemeleri kullanılarak buhar fazlı göre üretim yöntemleri ile üretilebilir. Bu şekilde piyasada mevcut silikon güneş hücreleri ile karşılaştırıldığında düşük üretim sıcaklıkları kullanılarak yüksek kristal filmlerin kolay hazırlanmasını sağlar.

Bu Sho olmuşturo exciton difüzyon uzunluğu ve yük taşıyıcı hareketlilik etkiler olarak wn o birkaç parametre, perovskit güneş pilleri, en önemlisi filmin morfolojisi performansı üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Nie ve ark. göstermiştir ki, perovskit filmlerin morfolojisi iyileştirilmesi kapsamı ve ortalama kristal boyutu, güneş pili performans artışı 4, 5 gözeterek. Morfolojisi (örneğin kurşun asetat 6 kullanılması), (II) molekül katkı 7, çözücü, (iii) bir seçim, (NH4CI) gibi (IV) 'ün termal ön-madde malzemesi (I)' in tercih etkilendiği gösterilmiştir ve hazırlama yöntemi 9, özellikle (h) bir seçim (tolüen ya da klorobenzen 8) gibi bir çözücü atmosferi altında tavlama. % 17 4 aşan etkinliklerine sahip olan güneş hücreleri tek aşamalı ya da iki aşamalı bir iplik kaplama sonuç gibi solüsyon bazlı işlemler </ sup>, 10, vakum tevdi Perovskite güneş hücreleri iken 11, 12% 15,4 13 verimlilik elde.

Perovskit tabakalar bu aşırı PBI 2 bağlı tane sınırlarında 14 de PBI 2 ile perovskit filmin pasifleştirilmesi tarafından geliştirilmiş bir taşıyıcı dengesi solar hücre performansı için avantajlıdır gösterilmiştir. Ancak, küçük iş perovskit film malzemelerinin üzerinde stokiyometri etkilerinin rolünü anlamak için yapılmıştır.

Bu yazıda farklı hazırlanmış Perovskite filmlerin geniş bir yelpazede kapsamlı bir çalışma sunmak ve göstermek nasıl hazırlama yöntemleri ve haberci stokiyometrisi etkisi morfolojisi, kristal yapı, durum yoğunluğu, filmin bileşimi ve güneş pili performansı. Bütünsel bir bakış characteri film fabrikasyon arasında değişen sunulmuşturCihaz performansı kıymetleştirme tüm yol.

Protocol

1. İTO Substratları

Not: gelişmiş bir numunenin ve cihazların kısa devre yapmasını önlemek için, İTO kaplı cam substratlar litografi ve aşındırma kullanılarak şekillendirilebilir gerekir. Üst ve alt elektrot örtüşme üretilen güneş pillerinin etkin alanını tanımlar.

  1. 2.5 cm x 2.5 cm alt tabakalar elde etmek için, bir cam kesici ile indiyum kalay oksit (İTO) kaplanmış cam levha kesin.
  2. bir İTO merkezinde dairesel şekilli bir etiket (çap = 1.6 cm) Tutkal substrat sahiptir.
  3. 10 dakika boyunca 60 ° C'de hidroklorik 1 M FeCl3 çözelti içinde alt tabakaların yerleştirerek İTO Etch.
  4. kloroform, aseton ve ultrasonik bir banyo içinde sabun çözeltisi (% 2) ile alt-tabakalar bir sekans dahilinde temizleyin.
  5. Bunun bir N2 akımı altında bir kez damıtılmış su ile daha fazla ve daha kuru bir durulayın.

İTO Substratlar 2. ozonlama

Not: Organik kirleri çıkarmak için, TO yüzeyler ozonlanmış gerekir ITO. Bu oksidik yüzey aktif hale gelir ve daha sonra tabakalar yeniden üretilebilir birikme için çok önemli olan alt-tabaka, bir ıslatma özelliklerine arttırır.

  1. Dağı İTO örnek tutucu yüzeylerde ve bir ozonlama odasına yerleştirin.
  2. ozon üreten bir ultraviyole lambası (20 B) (atmosferik) oksijen altında 10 dakika için yanacaktır.

Pedot 3. Biriktirme: PSS Delik toplama İletişim

Not: poli (3,4-etilendioksitiyofen) -poli (sitiren) (PEDOT: PSS) bir film, ortam koşullarında (25 ila% 40 bağıl nem) altında sulu süspansiyondan, santrifüj yoluyla kaplama bırakılır. Bu katman bir delik toplama temas olarak kullanılan ve yüksek iş fonksiyonuna sahiptir, deliklerin azaltır ve cihazların artan tekrarlanabilirliği sebep olur.

  1. bir uçtan bir uca filtre edildikten sonra, PSS alt-tabaka üzerinde bir şırınga ile, su süspansiyonu (% 1.5): PEDOT 150 mcL0.45 um bir filtre öf.
  2. 25 saniye için 2500 rpm bir dönme hızı ile Spin kat doğrudan 4000 dev / s, her bir ivme ile 5 saniye için 4.000 rpm'de eklenmiştir. PSS filmler: Bu prosedür 40 ile 45 nm kalınlığında PEDOT yol açar.
  3. termal hava 10 dakika süre ile 150 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde alt-tabakaların tavlanmasıyla filmden artık suyun ayrılması.

Perovskit Katmanlar 4. Biriktirme

Dikkat: Kurşun iyodür (PBI 2) insanlar için son derece toksiktir. Hatta küçük miktarlarda sinir, hematopoetik, böbrek ve karaciğer sistemleri için son derece tehlikelidir. dikkatle çözümler içeren kurşun anlaştım.
NOT: Bu yazıda boyunca incelenen Perovskite filmler habercisi malzemesi olarak PBI 2 ve CH 3 NH 3 I (MAI) kullanılarak beş farklı yöntemlerle hazırlanır. Bozulmasını 15 önlemek için, film ve cihazlar ve bunların karakterizasyonu fabrikasyon b zorundaN 2 dolu torpido gözü (çözelti işleme) olarak inert atmosfer, örneğin altında gerçekleştirilen e veya vakum altında (buhar biriktirme).

  1. çözüm işleme
    1. arda tevdi
      1. Sıkma kaplayıcı ile yerleştirilmesidir ve bırak 150 uL substrat üzerine bir pipetle N, N-dimetilformamid, DMF (400 mg / ml) içinde çözüldü PBI 2.
      2. 30 saniye süreyle 3,000 rpm'de hemen Spin kat.
      3. Mai Dip PBI 2 filmler izopropanol içinde çözülmüş 40 s veya kurutuldu PBI 2 filmi üzerine açılan MAI çözeltisi (10 mg / ml) ve 40 saniye boyunca orada bırakın.
      4. substrat kapalı 30 saniye süreyle 3,000 rpm'de MAI çözümü kalan Spin kat.
      5. bir sıcak plaka üzerinde bir alt tabaka üzerinde 100 ° C'de 15 dakika boyunca ısı.
    2. Co-çözüm:
      1. 250 mg bir konsantrasyonda bir ön-madde bir çözelti oluşturmak üzere, DMF (1 mol oranı ideal olarak 1) istenen oranda PBI 2 ve MAI hem çözündürülür/ Ml.
      2. en az 5 saat süreyle 50 ° C'de ön-madde çözeltisi ilave edin.
      3. Ön ısıtma substratlar PEDOT kaplı: PSS 50 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde 5 dakika karıştırıldı.
      4. tek bir cihaz serisi boyunca artan bir tekrarlanabilirlik garanti etmek için, eğirme perovskit tabakayla kaplanması sırasında sıkma kaplayıcı kabın içindeki çözücü (200 uL), küçük bir miktarda damlayan bir toluen atmosferi yaratır.
      5. alt tabaka üzerinde (4.1.2.1 den), 150 uL ön bileşik çözeltisi yerleştirin.
      6. Spin kat bu çözeltilerden 30 saniye süreyle 3,000 rpm'de Perovskite katmanları. Sıkma kat alt-tabakasına başına perovskit malzemenin bir tabakası.
      7. bir sıcak plaka üzerinde 110 ° C'de 30 saniye için elde edilen perovskit katmanları ısıtın.
    3. Moleküllü katkı:
      1. Daha iyi bir film oluşumunu sağlamak için NH4CI (şekilde 4.1.2.1 açıklanmıştır) spin kaplama çözeltisi içinde (18-20 mg / ml) eş çözülür. daha önce olduğu gibi devam edin.
        NOT: Bu ko-böylece ilave bir alternatiftir4.1.2 den dökülmesinden.
  2. vakumlu biriktirme
    1. Genel prosedür
      1. vakum sistemi içine temizlenmiş yüzeyler yükleyin ve tahliye.
      2. 10 -7 mbar basınç buharlaştırma odasına transfer örnekleri ulaştı ve bir çekim ile buharlaştırma kaynaklardan kapalı kalkan sonra.
      3. PBI 2 yaklaşık 330 ° C'ye kadar ön-madde malzemeleri içerir ve MAI 140 ° C, iki ısı kaynaklarının. Odasındaki basınç nedeniyle MAI uçucu doğasına yaklaşık 10 -4 mbar artacak unutmayın.
      4. Diğeri örnek konumunda iken bir kuvars kristali monitör (QCM) ile iki malzemeler için buharlaşma oranlarını kalibre yakın kaynak konumlandırılmış. Bir buharlaşma sıcaklığına malzemeyi ısıtın ve aynı anda iki QCMs gösterilen ilgili kalınlıkları yazınız. oranı ile takım faktörünü hesaplamakiki değerden. Kalınlık hesaplaması için kullanılacak 6.16 ve 1.23 g / cm -3 sırasıyla PBI 2 ve MAI için.
    2. Eş buharlaştırma
      1. Artan veya stoikiometrik doğru perovskit filmi elde etmek için kaynak sıcaklığı düşürülerek 2: yaklaşık 1 ila MAI PBI 2 oranları ayarlayın.
      2. birikmesini başlatmak için numune önünde deklanşör açın. amaçlanan kalınlığı ulaşıldıktan sonra, kaynaklar ısıtma çekim ve dönüş kapatın.
      3. Uçucu bileşikler ve tam film oluşumunu çıkarmak için vakum odası içinde 70 ° C'de 1 saat boyunca filmler ısıtın.
    3. sıralı buharlaşma
      1. Buharlaşma (. Yaklaşık 100 ° C) noktasının altına tekrar MAI kaynağının sıcaklığını azaltın ve buharlaşma başlayana kadar PBI 2 kaynağı ısınır; Saf PBI 2 50 nm mevduat.
      2. Daha sonra, PBI 2 soğumasınıKaynak ve benzer şekilde MAI 50 nm buharlaşır. Daha büyük kalınlıklarda yönelik adımlar 4.2.3.1 ve 4.2.3.2 alternatif tekrarlayın.
      3. Uçucu bileşikler ve tam film oluşumunu çıkarmak için vakum odası içinde 70 ° C'de 1 saat boyunca filmler ısıtın.

5. Solar Hücre hazırlanması

  1. 20 mg / mL'lik bir konsantrasyonda klorobenzen akseptor fenil-Cı 60 -butirik asit metil ester (PC 60 BM) çözülür ve 50 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde, en az bir gün için karıştırılmıştır.
  2. daha önce gösterildiği gibi perovskit tabaka (katkı ile birlikte çözüm süreci) hazırlayın (bakınız 4.1.3.).
  3. Oda sıcaklığına kadar metal bir plaka üzerinde 30 saniye boyunca ısıtmalı Perovskite katmanları serinleyin.
  4. Alt tabaka üzerinde 150 ul PC 60 BM çözüm yerleştirin
  5. Spin kat PC 50 nm kalınlığında bir katman elde perovskit filmin üzerine 30 saniye süreyle 2000 rpm'de 60 BM.
  6. Tamamen kaplı yüzeylerde yerleştirinsırayla bir gölge maskesi ile örnek tutucu ve kapak aktif katmanları üst üste kişileri buharlaşmasına.
  7. İTO anot temas kurmak için bir neşter ile temas birini Scratch.
  8. katot üst temas birikimi için bir vakum odasına aktarın.
  9. Bir kuartz kristal monitör ile ölçülen 0.5 Å / s oranı ile p = 3 x 10 -6 mbar maksimum basınçta Depozito 10 nm alüminyum. ilk 10 nm sonra hızı 100 nm tabaka kalınlığı elde edilene kadar 2.5 Å / s'ye kadar artırılabilir.
  10. -0.5 V 1.5 (adımlarla = 0.02 V) gerilim aralığında bir kaynağı ölçüm birimi kullanılarak güneş pillerinin gerilim (OG) ölçümlerinde karşı akım yoğunluğu gerçekleştirin. Hiçbir histerezis JV özellikleri görünen emin olmak için, yanı sıra 1.5 -0.5, V dan yanlılık süpürme yoluyla, hem de ters tarama yönünü ölçmek. bir güneş simülatörü (100 mW cm²) sertifikalı silikon fotodiyot kullanılarak kalibre kullanın.

Representative Results

Perovskite filmler için farklı üretim yöntemleri üzerinde bütünsel bir görünüm elde etmek için, yapısal, elektronik ve cihaz karakterizasyonu birleştirmek için önemlidir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) morfolojisinin iyi bir izlenim verir. Bu nedenle, farklı üretim yöntemleri ile üretilen filmler incelenmiştir. Perovskit ince filmlerin bir Örnek alt filmi morfolojisine hazırlama yönteminin önemli bir etkiye görselleştirir Şekil 1 'de gösterilmiştir.

İdeal olarak, pürüzsüz ve iğne deliği dahi film cihazları için arzu edilir. Görüldüğü gibi, bu katkı NH4CI ve tolüen atmosfer ile birlikte çözelti hazırlanır, buhar biriktirilmiş filmler (F, G), daldırma ile kaplanmış olanlar (d, e) ve filmler için geçerlidir (a1 1.4 0.6 MAI için PBI 2 değişen bir oran R ile A5) için. Buna karşılık, sinema witho UT katkı (h), hem de dip kaplı (d, e) ve açılan kaplanmış olanlar (B, C) büyük boşluklar, yapılar gibi iğne veya geniş yüzey pürüzlülüğü gösterir ve bu nedenle cihaz uygulamaları için yararlı değildir.

Şekil 1
Şekil 1: Farklı işleme yöntemleri ile hazırlanan Perovskite filmlerin SEM görüntüleri. (A1 - A5) MAI (R) 40 s yükleme süresi ile, (B) damla kaplama, (c) PBI 2 farklı oranda katkı ve toluen atmosferi Co-çözeltisi damla kaplama 120 s yükleme süresi ( katkı olmadan d) daldırma kaplama (10 s yükleme süresi), (e) daldırma kaplama (3,600 s yükleme süresi), (f) co-buharlaşma, (g) sıralı buharlaşma, (h) eş-çözüm. Ölçek çubukları 1 um'lik bir uzunluk gösterir.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Son olarak, Şekil katkı ve toluen atmosferi ile birlikte çözüm hazırlık kullanarak 1.4 0.6 den MAI için PBI 2 oranı R karıştırma 1 a1-a5 gösterisi varyasyonları. Burada da farklı film morfolojileri görünür yüzey kapsama ve kristal boyutu gösterisinde varyasyonları.

SEM ince filmlerin morfolojisi ve kapsama görselleştirmek için ve film pürüzlülüğüne bir izlenim almak için iyi bir aracı olmasına rağmen, ancak hiçbir yapısal bilgiler verilmiştir.

Bu nedenle, daha perovskit filmler karakterize etmek amacıyla, X-ışını difraksiyonu (XRD) kullanılmıştır. Bir Cu Ka radyasyonu kullanan Bu teknik ile α anot (λ = 1.54056 A), 10 ila 2θ aralığında kristal fazlar 6; ve 40 ° (0.00836 ° adım boyutu) takip ve karakterize edilmiştir. Birçok yayında XRD Perovskite filmlerin kalitesini belirlemek için kullanılır.

Şekil 2, MAI PBI 2 altı farklı karıştırma oranlarına sahip örneklerin bir alt XRD ölçümleri gösterir, ve bu nedenle Şekil 1A1-A5 SEM görüntüleri karşılık gelir. Buna ek olarak, saf PBI 2 spektrum gösterilmiştir. Bu, bu tür PBI 2 ve MAI ek fazların dahil, yani farklı evrelerinde ortaya, gibi perovskit tabakaların kalitesine habercisi çözümün sitokiyometriye etkisi, incelenmiştir. spektrumları bir dörtgen kristal yapısını göstermektedir, ve yansımaları karşılık gelen kristal düzlemleri ile endekslidir. Şaşırtıcı bir şekilde, MAI ya PBI 2 ilave fazlar dışı stoikiometrik filmler gözlenmiştir.

nt "> şekil 2
Şekil 2: XRD Saf PBI 2 paterni gibi öncüleri (sağdaki sayılar tarafından verilen oranlar) çeşitli mol oranları kullanılarak (NH4CI ve tolüen atmosfer ile birlikte) çözeltisi bir yöntemle hazırlanabilir perovskit örnekleri. karşılaştırılabilirlik için, eğriler 14.11 ° zirve normalize ve dikey kaydırılır. Referans 16 izniyle. Telif hakkı 2015 Wiley-VCH. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

XRD filmin yapısına ilişkin bilgi vermedi gibi X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) doğrudan filmin stokiyometrisinden ölçebilir, hangi kullanılır. Bu ölçüm için bir Mg K α uyarım kaynağı (hv bağıntısı = 1252,6 eV) 10 eV (Enerji çözünürlük = 800 meV) bir geçiş enerjisi kullanılır. bağıl duyarlılık faktörleri (RSF) her biri tek tek ölçülmüş eleman için dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, şekilde ölçüm sisteminin RSFs (Mg K α kaynağı, X-ışını kaynağı ve analiz cihazı 50.0 ° arasındaki açı) kalibre etmek için önemlidir. Bu tris- (4-iodphenyl) -amin (Cı 18 saat 12 ± 3 N) iyot tepe kalibre küçük moleküllerden oluşan bir dizi kullanılabilir ve PBI 2 üzerinden Pb kalibre edilir. Karbon bir RSF (C1S) = 1 gibi bir referans olarak kullanılmıştır, bu nedenle, ayrı elemanlar için RSF faktörler; RSF (N1s) = 1.8, RSF (I3D 5/2) = 32.8 ve RSF (Pb4f 7/2) = 16.5.

Şekil 3 üst alt resimde gösterilen karakteristik çekirdek seviye zirveleri ile bir buhar tevdi filmin temsili bir XPS spektrumunu gösterir. Alt subfigures I3D 5/2 (619,6 eV), N1s (402.7 eV), C1S (286.6eV) ve Pb4f 7/2 (138.6 eV) zirveleri gösterilmiştir. Tüm sinyaller sadece ancak uyanma tepe ve bu nedenle gerçek bir ek bağlanma durumuna ilgili olmayan yüksek bağlanma enerjileri küçük bir özellik genellikle gözlenen iyot durumunda, tek bir karışık Gauss / Lorentz zirve ile takılabilir. Biz sinyal yoğunluğu üzerinde entegre ve kendi RSF 16 bunu normalize ederek tüm hazırlanan Perovskite katmanlarının göreceli filmi bileşimini elde edebiliyoruz. N: Pb: filmlerin bazılarında, büyük sapmalar ideal bir filmi stoikiometri C bulundu I 1: 1: 1: 3; Örneğin 0,4 bir d 1.5 arasında değişmektedir azot oranı kurşun. Bu ko-buharlaşma kontrol etmek ve çoğaltmak zor buhar yatırılan filmler, özellikle geçerliydi. belirlenen çözelti, işleme numuneler için, diğer taraftan, mevcut ve ön-karışım oranları son filmi bileşimi ile çok iyi kabul amaçlananXPS.

Şekil 3,
Şekil 3: Temsilci XPS spektrumları. Tam XPS tarama gösterilir yukarıda, yakın çekim altında entegre zirveleri ölçümleri gösterilmektedir XPS. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Film bileşiminde bu farklılıklar ülkelerin yoğunluğunu nasıl etkilediğini araştırmak için, biz UV fotoelektron spektroskopisi (UPS) döndü. Bir helyum deşarj lambası KGK ölçümlerini gerçekleştirmek için (21.22 eV O I, örnek önyargı -8 V) 2 eV geçiş enerjisi ile kullanılan ve (Fermi kenar genişliği belirlenir) 110 meV enerji çözünürlüğü. Edilir Tüm örnekler için, tam spektrum, ilk önce, sinyal gürültü oranını artırmak için daha yüksek analiz açıklık kullanılarak ölçülmüştür bir yüksek çözünürlüklü tarama ayrıntılı VB bölge gerçekleştirildi. UPS spektrumları, özellikle VB bölgesi taramada, polikromatik O radyasyondan elde uydu tepe noktaları veri analizi sırasında sayısal düzeltildi.

Şekil 4, hem eş-ve ardışık buharlaşma (açık kırmızı) yanı sıra farklı çözüm işleme (koyu kırmızı) yöntemlerini kapsayan, incelenen tüm örneklerin tam veri kümesi UPS eğrilerini göstermektedir. Biz sadece iyonizasyon enerjileri (IE) önemli değişimleri Şekil 4 sol arsa yüksek bağlanma enerjisi kesme pozisyonu değişimlerinden önemli gözlenir olduğunu vurgulamak istiyorum. Bu değişiklikler işleme ve film yapısındaki değişimlerden getirdiği ve 5.67 ile 6.4 eV arasında IE bir Ayarlanabilirliğin yol açar. Daha ayrıntılı bilgi için, 16 başvuru bakın.

jpg "/>
Şekil 4: incelenen numunelerin temsili alt kümesi UPS tarar. Sağ taraftaki buhar biriktirilmiş (hafif kırmızı çizgiler) VB başlangıç ​​kadar yakın yüksek çözünürlük gösterir ve süre sol paneller, yüksek bağlanma enerjisi sınır değeri (HBEC) ve değerlik bandı bölgesini gösterir çözüm işlenmiş (koyu kırmızı hat) perovskit filmler. Tüm eğriler için x -Axis boyunca kaydırılmış olan yaklaşık 3 eV özelliği uyumlu hale getirilmesi. Referans 16 izniyle. Telif hakkı 2015 Wiley-VCH. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Biz filmin kristal yapısını bozmadan elektronik yapısı değişimlerine yol farklı haberci karıştırma oranlarında hazırlanan filmler perovskit önceki deneylerden öğrendiğimiz gibi, biz istedikgüneş pili performansına habercisi oranının etkisini araştırmak. Bu nedenle, İTO / PEDOT: PSS / perovskit / PC 60 BM / AI güneş pilleri 1.2 0.7 MAI PBI 2 oranları kullanılarak (katkı maddesi ve tolüen atmosfer) ko-solüsyon, perovskit katmanları kullanılarak hazırlandı. Şekil 5 güneş pili özellikleri güç dönüşüm verimliliği filmi stokiyometri (amaçlanan oran R) etkisi (PCE), kısa devre akımı (J SC), açık devre gerilimi (V OC) ve dolgu faktörü (FF) gösterir. % 9.6, en yüksek verimi 1.02 bir amaçlanan molar oranı, yani ideal bir perovskit bileşimine yakın için bulunmuştur.

Şekil 5,
Şekil 5: PCE, J SC, V OC ve FF karakteristik değerleri. Bu değerler, solar hücre aygıtları indep ölçümlerinden çıkarıldıMAI için PBI 2 amaçlanan karışım oranı R int endent filmi hazırlanmasında kullanılan. Referans 16 izniyle. Telif hakkı 2015 Wiley-VCH. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

Biz işleme koşulları filmi morfolojisi ve film kapsama üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bu araştırma grupları bir sürü aynı Perovskite malzemeler için güneş pili performansı ve iyonizasyon potansiyeli ile ilgili farklı sonuçlar yayınlamak nedenidir.

Tüm işlem adımları ve karakterizasyon yöntemleri nem bozulmasını önlemek için, durağan bir atmosfer (ya da vakum) altında gerçekleştirilebilir için yeniden üretilebilirlik sağlamak için, bu önemlidir. Ayrıca kullanılan bileşiklere saflığı ve satıcı önemli bir rol (değil burada incelenmiştir) oynarlar. Vakum Perovskite katmanlar yüksek kristalin uzun metrajlı film yatırılan olduğu açıktır; Bununla birlikte, karşılaştırmalı olarak, çözelti, işleme filmler yüksek bir verimle imal edilebilir.

Habercisi çözeltisi içinde bir katkı ve spin kaplayıcı kapta toluen atmosferi olarak NH4CI kullanarak Çalışmamızda, en tekrarlanabilir ve pürüzsüz perovskit sağlanane filmler. Öte yandan, daldırma ve damla kaplama prosesleri oldukça sert yüzeyler yol ve daha fazla cihaz uygulaması için dikkate alınmamıştır. Son olarak, vakum işlenmiş tabakalar genel olarak daha küçük kristal boyutları (~ 100 nm) ama bütün film ve pürüzsüz yüzeyleri boyunca kapsama yüksek derecesi ile donatılmıştır. haberci oranı değişen örnek seriden, biz kompozisyon yanı sıra film oluşumu üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu öğrendim. (Şekil 2) XRD bu katmanlar araştırılırken Ancak, tüm film, kristallik derecesi yüksek ve (110) ve (220), uçak temsil 14.11 ° ve 28.14 ° 'de yansımalar ile gösterilen benzer bir dörtgen bir kristal yapısını göstermektedir bazı ise katmanlar zayıf (002) görünüm ve (004) yansımalar tarafından görülebilir ki, biraz daha düzensiz görünüyordu. Bununla birlikte, XRD difraksiyon anlamlı genişletilmesi görülmektedir. Şaşırtıcı, 12.63 ° PBI 2 ayrı aşamadan hiçbir iz vardır Hatta dahil PBI 2 büyük aşırı miktarlarda bulundu. Bu PBI 2 XRD ile saptanamayan kılan ayn bir faz ya nanokristal adalar ama seyreltik geçiş, AS dahil olduğunu gösterir. Bu nedenle, XRD kullanımı sınırlıdır.

Öte yandan, XPS PBI 2 ya da (fabrikasyon yöntemine bağlı olarak) MAI ek miktarlarda film azot oranına yol değişimlerinden belirgin olarak mevcut olduğunu teyit etmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi sırayla Bu geçiş filmin elektronik yapısı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Şimdi, UPS tarafından ortaya iyonizasyon enerjileri farklılıklar gözlenmesi ile XPS bulgularını birleştirerek, bu iki olguyu ilişkilendirmek için bize sağlar. Şekil 6, ölçülen IE değeri bu zarın bileşimi (azot oranına yol) 'in bir fonksiyonu olarak çizilir Birleştirilen grafiğini göstermektedir.

Şekil 6 "src =" / files / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
Şekil 6: 40 perovskit fi LMS seti tam veri Çıkarılan ölçüm noktaları. (XPS ile belirlendiği gibi), azot içeriğine kurşun element oranı R exp iyonizasyon enerjisi Bağımlılığı; Düz çizgi verilerine doğrusal fi t ve kesikli çizgiler ± 0.12 eV standart sapmasını işaretleyin. En altta, fi t artıkları gösterilmiştir. Referans 16 izniyle. Telif hakkı 2015 Wiley-VCH. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Biz bu iki değer arasında açık bir doğrusal ilişki bulmak. Bir PBI 2 zengin tabaka IE artarken bizim sonuçlarımız, bu nedenle, fazla MAI ile Perovskite filmi daha düşük IE sergilediğini göstermektedir. Biz 6.05 ± 0.10 eV bir IE bulmak5.4 eV genellikle geçme IE önemli ölçüde daha büyük bir R, Mdeney = 1, optimal mol oranı. biz farklı hazırlanmış Perovskite filmlerin çeşitli için bu değeri bulmak gibi bu tutarsızlık nedeniyle işlem koşulları olması muhtemel değildir. Nedeniyle burada kullanılan devletler eğimin doğrusal yoğunluğu yüksek okuma değerlerine neden verilerin değerlendirilmesi farklılıklardan ziyade. Bu konuda geniş bir tartışma referans 17 bulunabilir. Bunun değişen oranı ile EE bir kaydırma ama aktivasyon enerjisi sadece olduğu anlamına gelir, optik bu filmlerin bandaralıklı bir değişiklik (örneğin = 1.60 ± 0.02 eV, veriler gösterilmemiştir) bulmak dikkat etmek önemlidir (EA) aynı anda değiştirir.

Maksimum güneş pili verimi literatüründe 14 hafif bulguları teyit% 9.6 bir güç dönüşüm verimliliği ile 1,02 mol oranı R (MAI için PBI 2) için tespit edildiPBI 2 zengin filmler tane sınırlarında PBI 2 tarafından perovskit filmin pasivasyon tarafından geliştirilmiş bir taşıyıcı davranışı bulunmaktadır. Artan PBI 2 içeriği ile 200 MeV tarafından açık devre geriliminin bir azalma bulunabilir. Perovskite malzemenin bandaralıklı hiçbir değişiklik, V OC azalma perovskitin ve PCBM arayüzünde fotovoltaik boşluğu eşzamanlı azalma değil yetersiz delik engelleme ile izah edilemez oluşur beri (IE PCBM = 6.2 eV) nedeniyle Perovskite IE artış. Eş zamanlı 0.8 0.7 R> 1.05 düşüşler FF bu bulguları destekler mahiyettedir.

Sonuç olarak, hazırlık çeşitli yöntemler tarafından yapılan Perovskite filmlerin kapsamlı bir çalışma sundu ve güçlü varyasyonlar film oluşumu, elektronik yapısı ve cihaz performansında meydana geldiğini gördük. Özellikle ilgi çekici MAI o kasıtlı katılmasıyla perovskitin IE ayarlamak için olasılıkr PBI roman cihaz mimarilerinde arayüz optimizasyonu için kullanılan 2 geçiş reklamları. Gelecekteki çalışmalar büyük cihaz alanlara doğru hedefliyoruz daha gelişmiş hazırlama teknikleri bakacağız. Bunlar doktor bıçaklama, püskürtme teknikleri ve şu anda COPT.centre (organik üretim teknolojileri için COPT = center) bizim tesisimizde yüklü büyük ölçekli baskı gibi yöntemler içerir.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Yazarlar Proje PERO-BOOST (EFRE, proje kodu NW-1-1-040a) aracılığıyla Kuzey Ren-Vestfalya devlet tarafından mali destek kabul etmek istiyorum. Teşekkür 2 adımlı çözümün imalat ve karakterizasyonu ile yardım için Azar Jahanbakhsh ve Ines Schmidt (Köln ikisi Üniversitesi) gitmek işlenmiş Perovskite katmanları, Dr. Jürgen Schelter MAI malzeme sentezi için (Köln Üniversitesi) yanı sıra Prof . XRD ölçümleri için Dr. Riedl ve Neda Pourdavoud (Wuppertal hem Üniversitesi).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ITO Rose < 15 Ω/sq
PEDOT:PSS Heraeus Clevios P VP .Al  4083
MAI Synthesized as found in literature
PbI2 Alfa Aesar 44314 99.999% trace metals basis, -10 mesh beads
NH4Cl Suprapure 101143 99.995%
PCBM Nano C 99.9%
Chlorobenzene Sigma Aldrich 270644 Chromasolv for HPLC (99.9%)
N,N-Dimethylformamide Acros Chemicals  348430010 Extra dry, stored over molecular sieves (99.8%)
Toluene Sigma Aldrich 244511 anhydrous

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8, 506-514 (2014).
  2. Stoumpos, C. C., Malliakas, C. D., Kanatzidis, M. G. Semiconducting Tin and Lead Iodide Perovskites with Organic Cations: Phase Transitions, High Mobilities, and Near-Infrared Photoluminescent Properties. Inorg. Chem. 52, 9019-9038 (2013).
  3. Saba, M., et al. Correlated electron-hole plasma in organometal perovskites. Nat. commun. 5, 5049 (2014).
  4. Nie, W., et al. High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains. Science. 347, 522-525 (2015).
  5. Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 24, 151-157 (2014).
  6. Li, C., et al. Efficient lead acetate sourced planar heterojunction perovskite solar cells with enhanced substrate coverage via one-step spin-coating. Org. Electron. 33, 194-200 (2016).
  7. Zuo, C., Ding, L. An 80.11% FF record achieved for perovskite solar cells by using the NH4Cl additive. Nanoscale. 6, 9935-9938 (2014).
  8. EL-Henawey, M. I., Gebhardt, R., El-Tonsy, M. M., Chaudhary, S. Organic solvent vapor treatment of the lead iodide layer in the two-step sequential deposition of CH3NH3PbI3-based perovskite solar cells. J. Mater. Chem. A. , (2015).
  9. Yang, L., Barrows, A. T., Lidzey, D. G., Wang, T. Recent progress and challenges of organometal halide perovskite solar cells. Reports Prog. Phys. 79. 79, 026501 (2016).
  10. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. , (2015).
  11. Im, S. H., Heo, J. -H., Han, H. J., Kim, D., Ahn, T. 18.1 % hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2015).
  12. Kim, B. -S., Choi, M. -H., Choi, M. -S., Kim, J. -J. Composition-controlled organometal halide perovskite via CH 3 NH 3 I pressure in vacuum co-deposition process. J. Mater. Chem. A. 4, 5663-5668 (2016).
  13. Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
  14. Chen, Q., Zhou, H. P., et al. Controllable Self-Induced Passivation of Hybrid Lead Iodide Perovskites toward High Performance Solar Cells. Nano Lett. 14, 4158-4163 (2014).
  15. Yamamoto, K., et al. Degradation mechanism for planar heterojunction perovskite solar cells. Jpn. J. Appl. Phys. 07, (2016).
  16. Emara, J., et al. Impact of Film Stoichiometry on the Ionization Energy and Electronic Structure of CH3NH3PbI3 Perovskites. Adv. Mater. 28, 553-559 (2016).
  17. Olthof, S. The electronic structure of hybrid perovskite layers and their energetic alignment in devices. APL Mater. 4, 091502 (2016).

Tags

Kimya Sayı 120 perovskit imalat yöntemi fotoelektron spektroskopisi X-ışını kırınımı güneş pili
Film Oluşumunda Hybrid Perovskit Fabrikasyon Yöntemleri, Elektronik Yapısı ve Güneş Pili Performans Etkisi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schnier, T., Emara, J., Olthof, S.,… More

Schnier, T., Emara, J., Olthof, S., Meerholz, K. Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance. J. Vis. Exp. (120), e55084, doi:10.3791/55084 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter