Summary
Hier stellen wir ein Protokoll , um die Eigenschaften der Lösung prozessierte CH 3 NH 3 PbI 3 durch den Einbau von einwertigen Kations Zusatzstoffe einzustellen , um hocheffiziente Perowskit Solarzellen zu erzielen.
Abstract
Hier zeigen wir die Inkorporation von einwertigen Kations Additive in CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit, um die optische, excitonischen und elektrischen Eigenschaften einzustellen. Die Möglichkeit der Dotierung wurde durch Zugabe von einwertigen Kations Halogeniden mit ähnlichen Ionenradien zu Pb 2+, einschließlich Cu +, Na + und Ag + untersucht. Eine Verschiebung in der Fermi-Niveau und eine bemerkenswerte Abnahme der Unter Bandgap optischen Absorption, zusammen mit einer niedrigeren energetischen Störung in der Perowskit wurde erreicht. Ein Auftrag-of-Größenordnung Verbesserung in der Masse Lochmobilität und eine deutliche Reduzierung der Transportaktivierungsenergie innerhalb eines Zusatzstoffes-basierende Perowskit-Gerät wurde erreicht. Der Zusammenfluß der genannten verbesserten Eigenschaften in Gegenwart dieser Kationen führte zu einer Verbesserung in den photovoltaischen Parameter der Perowskit-Solarzelle. Eine Erhöhung von 70 mV in Leerlaufspannung für AgI und 2 mA / cm 2 improvement in Photo Dichte für NaI- und CuBr basierten Solarzellen wurden dem ursprünglichen Vorrichtung erreicht verglichen. Unsere Arbeit ebnet den Weg für weitere Verbesserungen in der optoelektronischen Qualität von CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit und nachfolgende Geräte. Sie weist auf einen neuen Weg für Untersuchungen über die Rolle der Dotierstoffstörstellen bei der Kristallisation und steuert die elektronischen Defektdichte in Perowskit-Strukturen.
Introduction
Derzeit ist die vorherrschende Teil des Energiebedarfs der Welt (dh 85%) durch die Verbrennung von Erdöl, Kohle und Erdgas wird, zugeführt , die die globale Erwärmung erleichtert und hat nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt 1. Daher ist die Entwicklung von CO 2 -neutrale Energiequellen von höchstem Interesse. Photovoltaik (PV) ist ein idealer Energieumwandlungsprozess, die diese Anforderung erfüllen können. Allerdings Kosten und Effizienz, als die wichtigsten Hindernisse für die umfassende Einführung von PV-Technologie, muss verbessert werden. Schwellen PV-Technologien auf der Basis neuer Materialien, wie Perowskit-Solarzellen (PSC), haben die Kombination von geringeren Kosten und mehr Effizienz. Dies wird durch die Verwendung von billigen Materialien erreicht , die leicht verfügbar sind, sowie durch die schnelle, einfache und energiearme Verarbeitungswege im Vergleich zu Silizium basierenden Pendants 2, 3,4. Eine deutliche Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz (PCE), von 3,8% auf mehr als 22% wurde für organisch-anorganischen Hybrid Bleihalogenide Perowskit seit seinem ersten Auftritt in der PV - Architektur 5, 6, 7, 8 berichtet. Eine solche hervorragende Leistung stammt aus dem starken Lichtabsorption mit einem extrem scharfen Bandkante, die sehr niedrige energetische Störung, die schwach gebundenen Exzitonen, die leicht mit großen Diffusionslängen in den freien Trägern distanzieren, und die Photonenrecyclingfähigkeit von organisch-anorganischen Hybrid Bleihalogenide Perowskit 9, 10, 11, 12. Diese Materialien werden in der Perowskit - Familie klassifiziert, die aus organischen Halogenid und Metallhalogenidsalzen kristallisiert sind zur Bildung von Kristallen in der ABX 3 13, 14. Darüber hinaus ist der Hauptkandidat für das zweiwertige Kation in der B-Stelle führen, die durch Zinn ersetzt werden kann; die Bandlücke kann Perovskit 15 gemischt in einer Blei-Zinn - bis über 1.000 nm erfolgreich rotverschoben ist. In ähnlicher Weise sind die X-Ort Insassen ausgiebig untersucht worden, wobei man eine Mischung von Iodid (I) und Bromid (Br) als die wichtigsten Kandidaten 16 eingeführt wurden, 17. Daher ist es sehr plausibel die strukturelle, morphologische und optoelektronischen Eigenschaften von Perowskiten zu manipulieren durch ihre chemische Zusammensetzung zu verändern.
Trotz der Tatsache, dass die verbesserte crystalline Qualität und die makroskopische Gleichmßigkeit des Perowskit - Films sind Schlüsselparameter effiziente Vorrichtungen 18 zu erreichen, die Auswirkungen der Grenzen zwischen den polykristallinen Domänen, den Ursprung und die Rolle der elektronischen Defekte in den Perowskit - Absorber und die Rolle der Ladungssammelschichten auf Verlustprozesse in den Perowskit-Solarzellen sind noch nicht gut verstanden. In Bezug auf die Art der elektronischen Defekte in der Perowskit-Struktur, hat es sich, dass viele der Mängel, wie ich oder Pb offene Stellen, führen in Staaten, die sehr nahe an oder in dem Kontinuum von Zuständen in den Leitungs- und Valenzband berichtet worden, die könnte eine negative elektronische Auswirkungen auf die Photovoltaik - Geräte 19. Darüber hinaus ist eine starke kovalente Bindung Wechselwirkung zwischen Bleikationen und Iodid - Anionen in der Perowskit - Ebene kann auf das Vorhandensein von Eigenfehlern führen (zB unter koordinierten Pb - Dimere und Trimere I), das könnte Create Stellen innerhalb der Bandkante , die 20 während des Betriebs der Vorrichtung als Ladungs Rekombinationszentren wirken.
Hier untersuchen wir die Auswirkungen des Dopings CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit mit einwertiges Kation Halogeniden, einschließlich Na +, Cu + und Ag +, niedrigere valenten Metallionen als Pb 2+. Wir übernehmen daher diese Kationen durch die Zugabe eines rationalen Höhe ihrer Halogenid-basierte Salze (beispielsweise NaI, CuBr, CuI und AgI) in die Perowskit - Vorläuferlösung. Diese Kationen haben Ionenradien ähnlich wie Pb 2+, so Substitutions - Dotierung im Kristall wahrscheinlich ist. Wir haben gezeigt, dass die Gegenwart dieser Kationen wirkt sich stark sowohl auf die Morphologie und die Bedeckung der Perovskit-Schicht. Darüber hinaus hat die Gegenwart dieser Kationen (zB Na + und Ag +) durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bestätigt worden ist , und ein significant Veränderung im Fermi-Niveau von Perowskit wurde von Kelvin-Sonde (KPFM) gemessen. Durch Einbettung dieser Kationen in sequentiell abgelagerten Perowskit Solarzellen erreichten wir eine Verbesserung der photovoltaischen Wirkungsgrad von PSC (15,6% bis 14% zu vergleichen). Daher ist es sehr wichtig , um die strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften der Absorberschicht (beispielsweise Perowskit) in Solarzellenarchitektur zu verbessern , die Ladungstransport zu maximieren und die Oberflächenfallen , um zu passivieren , die höchste PV Leistung zu erreichen.
Protocol
1. Synthese und Abscheidung von Pristine und Additivbasis CH 3 NH 3 PbI 3
HINWEIS: Alle Lösungen wurden in einer Argon - Glovebox vorbereitet unter Feuchtigkeits- und Sauerstoff kontrollierten Bedingungen (H 2 O - Ebene: <1 ppm und O 2 -Gehalt: <10 ppm).
- Man löst 553 mg (1,2 M) von PbI 2 in 1 ml N, N - Dimethylformamid (DMF) unter ständigem Rühren bei 80 ° C.
- 0.02 M des einwertigen Kations Halogeniden zur PbI 2 -Lösung.
- Spin-Beschichtung der resultierende gelbe transparente Lösung auf das Substrat (beispielsweise mesoporösen TiO 2) für 30 s bei 6.500 Upm mit einer Rampe von 4.000 Umdrehungen pro Minute.
- Backen Sie die Filme auf einer Heizplatte bei 80 ° C für 30 min.
- Man löst 40 mg des Methyl Iodid (MAI) in 5 ml Isopropanol.
- Spin-coat eine ausreichende Menge von MAI Lösung auf die resultierende Bleiiodid Filme unter Verwendung eines zweistufigen Protocol, die von 20 s des Spinnens gefolgt bei 4.000 min 45 s Ladezeit beinhaltet.
- Einbrennlackieren schleuderbeschichtet Perowskit Filme auf einer Heizplatte bei 100 ° C für 45 min.
2. Solarzellenfertigung
- Untergrundvorbereitung
- Muster mit Fluor dotiertem Zinnoxid (FTO) -beschichteten Glases.
- Decken Sie den aktiven Bereich des FTO-Glas mit halbtransparenten Klebeband.
- Gießen Sie das Zink (Zn) -Pulver auf den freiliegenden Flächen der FTO Substraten.
- Bereiten 2 M Salzsäure (HCl) in destilliertem Wasser.
- Gießen Sie die HCl-Lösung auf den Teil des FTO Glas, das mit Zn-Pulver bedeckt ist.
- Waschen Sie die FTO mit Wasser und entfernen Sie das Band.
- Reinigen der Substrate
- Waschen Sie die FTO Glas mit 2% (w / v) Waschmittel.
- Beschallen die geätzten FTO Substrate in Aceton und Isopropanol (IPA) für 10 min.
- Behandeln Sie die FTO Substrate mit einem ULTRAVIolet / O 3 Reiniger für 15 min.
- Muster mit Fluor dotiertem Zinnoxid (FTO) -beschichteten Glases.
- Die Abscheidung einer Lochsperrschicht
- Hinzufügen 0,6 ml Titandiisopropoxidbis (acetylacetonat) (TAA) in 7 ml IPA.
- Setzen Sie die gereinigten und gemusterten FTO Substrate auf einer Heizplatte bei 450 ° C und decken die Kontaktfläche vor dem Erhitzen.
- Sprühpyrolyse die TAA - Lösung auf dem nicht abgedeckten Bereich unter Verwendung von O 2 als Trägergas.
- Lassen Sie die Proben bei 450 ° C für 30 min.
- Abscheidung einer Elektronentransportschicht
- Verdünnen Sie die kommerziellen TiO 2 Paste (30-nm Partikelgröße) mit Ethanol (2: 7, Gewichtsverhältnis).
- Homogenisieren TiO 2 Verdünnung von 30 min Beschallen.
- Spin-Beschichtung der Titandioxid Verdünnung auf die vorbereiteten Proben mit kompaktem TiO 2 -Schichten für 30 s bei 5000 Upm mit einer Rampe von 2.000 Umdrehungen pro Minute.
- Tempern Titania Filme bei 500 ° C für 30Minute
- Behandeln der erhaltenen mesoporösen TiO 2 -Filme in einer 40 mM Lösung von TiCl 4 in destilliertem Wasser bei 70 ° C für 20 min.
- Einbrennlackieren TiCl 4 -behandelten Filme bei 450 ° C für 30 min.
- Abscheidung der Perowskitschicht
HINWEIS: Die FTO Substrate mit Titandioxidschichten wurden in einen trockenen Luftkasten mit einer Feuchtigkeit von für den Rest des Herstellungsprozesses <1% übertragen.- Spin-Beschichtung der vorbereiteten Bleiiodid Lösungen (mit und ohne Dotierstoffen) auf die mesoporösen TiO 2 für 30 s bei 6.500 Upm mit einer Rampe von 4.000 Umdrehungen pro Minute.
- Backen Sie die Filme auf einer Heizplatte bei 80 ° C für 30 min.
- Spin-coat eine ausreichende Menge von MAI Lösung in die resultierende Bleifolien Iodid ein zweistufiges Protokoll verwendet, das für 20 s durch Aufschleudern bei 4000 Upm mit einer Rampe von 2000 Upm, gefolgt von 45 s Ladezeit umfasst.
- Einbrennlackieren schleuderbeschichtet Perowskit Filme auf einem hotplate bei 100 ° C für 45 min.
- Die Abscheidung der Lochtransportschicht
- In 72,3 mg Spiro-OMeTAD bis 1 ml Chlorbenzol und schütteln, bis die Lösung transparent wird.
- Machen Sie eine Stammlösung von Bis (trifluormethylsulfonyl) imid (LiTFSI) durch Zusatz von 520 mg LiTFSI in Acetonitril.
- In 17,5 ul der LiTFSI Stammlösung und 28,8 & mgr; l 4 - tert - butylpyridin (TBP) an die Spiro-OMeTAD Lösung.
- Spin-Beschichtung der obigen Lösung 30 s bei 4000 rpm mit einer Rampe von 2.000 Umdrehungen pro Minute.
- Thermische Verdampfen des oberen Kontakt
- Maske, die Proben und steckte sie in die Vakuumkammer des Verdampfers.
- Dampfe 80 nm Gold mit einer Rate von 0,01 nm / s.
Representative Results
Feldemissions - Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) wurde verwendet , um beide Querschnittsbilder der hergestellten Solarzellen Perowskit aufzuzeichnen (Figur 1) und Draufsicht Bilder der abgeschiedenen PbI 2 und CH 3 NH 3 PbI 3 Filme (Abbildung 2). Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurden die strukturellen Eigenschaften der Perowskit - Filme zu charakterisieren eingesetzt (Figuren 3 und 4). Photothermische Strahlablenkungsspektroskopie (PDS) und Kelvin-Sonde (KPFM) wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften der Perowskit Filme Sonde verwendet, bzw. (5 und 6). Darüber hinaus temperaturabhängige Massentransportmessungen auf Basis von Raumladung begrenzt Strom (SCLC) wurde auf den Perowskit - Geräte (Abbildung 7) durchgeführt wird . Schließlich ist ein Standard photovoltaic Messung der hergestellten Vorrichtungen durchgeführt wurde (Abbildung 8 und Tabelle 1).
Basierend auf der Draufsicht SEM - Bilder der PbI 2 und CH 3 NH 3 PbI 3 abgeschieden auf der mesoporösen TiO 2 -Schicht (mp-TiO 2) in 2 gezeigt ist , wurde die Wirkung der Additive auf die Morphologie von Perowskit dargestellt , wobei großen Zweig förmige Kristalle aus PBI 2 wurden in der Nal-basierten Probe erreicht. Dies führte zur Bildung von größeren asymmetrische Kristalle von Perowskit. Darüber hinaus erhalten wir eine gleichmäßige und porenfreie Perowskit - Deckschicht für CuI und AgI-basierte Proben (Abbildung 2c und 2e). Um die Wirkung des einwertigen Kations Halogenid Additiven auf der Kristallstruktur von CH 3 NH 3 PbI 3 und auf die Umwandlung von PbI 2 in CH 3 NH 3 PbI untersuchen3, Röntgenbeugung wurde durchgeführt (Abbildung 3). Obwohl die Kristallstruktur des fertigen Perowskit die für alle Proben gleich blieb, ist es offensichtlich , daß die Beugungspeaks bei 2θ = 12,6, die 2 mit dem nicht umgesetzten PbI entspricht, wurde in Gegenwart von NaI und CuBr Additiven eliminiert. Um die Anwesenheit dieser einwertigen Kationen in der CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskit - Filme zu bestätigen, führten wir eine XPS - Analyse aus, wie in Abbildung 4 dargestellt. Auf der Basis der XPS-Daten haben wir gezeigt, das Vorhandensein von Na und Ag-Ionen in den Perowskit-Filme, während die Konzentration von Cu nicht geschätzt werden kann, wahrscheinlich aufgrund der Nähe von Iodid (I 3P1 / 2) und Kupfer (Cu 2p1 / 2) Gipfel.
Die Wirkung der einwertigen Kations Additive auf dem Absorptionsspektrum des Perowskit ist in 5a gezeigt, die durch PDS wurde gemessen.Es ist offensichtlich , dass der Zusatzstoff -basierte CH 3 NH 3 PbI 3 unteren Unter Bandgap Absorption hatte im Vergleich zu der ursprünglichen Probe. Weiterhin wurde ein Absorptions tail für Cu-basierte Proben beobachtet, die sich von der intrinsischen Absorption von Kupferhalogenid (5b) stammt. Obwohl die Absorptions tail das Vorhandensein von Cu - Kationen in den letzten Perowskit Filme bestätigt, ist es evident, basierend auf dem Vergleich zwischen den PDS von CuI-basierten PbI 2 und CH 3 NH 3 PbI 3, daß ihr Einbau nicht vollständig ist. Darüber hinaus wird die Urbach Energie (Eu), das ein Maß für den Grad der energetische Störung eines Materials ist, wurde geschätzt für unberührte, NaI-, CuBr-, CuI und AgI-basierten Perowskit, und die Werte sind 15,6, 11,8, 12,8, 13,5 und 15,2 meV, bzw. (Einschub in Abbildung 5a).
Um den Einfluss der oben genannten Additive auf der elektr erkundenonic Struktur CH 3 NH 3 PbI 3, führten wir KPFM, wo die Kontaktpotentialdifferenz (CPD) der Linienprofile gemessen. Dies entspricht der Oberflächenarbeitsfunktion (Φ) des Perowskit in 6 gezeigt. Eine deutliche Verschiebung in der CPD (dh 0,1 V) von Additivbasis Perowskit im Vergleich zu der ursprünglichen man zeigt , dass der Perowskit - Fermi - Niveau in Richtung Valenzband verschoben. Diese Änderung des Fermi - Niveaus von Perowskit kann entweder auf Substitutions - p-Dotierung (zB der Ersatz von Pb 2+ mit einwertigen Kationen X +) zugeschrieben werden oder Oberflächenpassivierung an den kristallinen Oberflächen von Perowskit.
Um den Effekt der Dotierung auf die Dichte der Ladungen und auf ihre Transporteigenschaften in CH 3 NH 3 PbI 3 untersuchen wir temperaturabhängigen Massentransportmessungen durchgeführt (Abbildung 7a SCL) auf der Grundlage der Raumladung begrenzt Strom (SCLC) des gesamten Elektron und Loch-nur unberührte und Additiv-basierende Perowskit - Geräte. Ein bemerkenswerter Anstieg in der Leitfähigkeit und in den beiden Elektronen- und Lochbeweglichkeiten wurden erreicht, insbesondere für die NaI und CuBr Proben im Vergleich zu ursprünglichen Perowskit (Tabelle 1). Es ist bemerkenswert , daß die Verbesserung der Ladungsträgerbeweglichkeit und der Leitfähigkeit mit der Verbesserung in der Kurzschlussstrom (J sc) konsistent sind und Faktor (FF) der hergestellten Solarzellen in 7b gezeigt , zu füllen. Außerdem schätzten wir die Aktivierungsenergie für den Ladungstransport (E A) sowohl für das Elektron und Loch temperaturabhängigen Massentransportmessungen mit, in denen eine klare Abnahme für Additivbasis Perowskit erzielt wurde. Diese Verbesserung ist auf die höhere Dichte der Ladungsträger zurückzuführen, weil der Dotierung und Füllen the Transportfallen, die in der Transportbarriere in einem deutlichen Rückgang resultiert.
Wir hergestellt Perowskit - Solarzellen auf der Basis der oben erwähnten einwertigen Kations Halogeniden, den korrespondierenden JV Kurven und den photovoltaischen Parameter , die 1 in 8a und Tabelle zusammengefasst. Eine signifikante Verbesserung der Leerlaufspannung wurde für beide CuI (0,99 V) und AgI- (1,02 V) Solarzellen aufgrund der idealen Oberflächenabdeckung (2c und 2e) erreicht. Weiterhin wurde ein bemerkenswerter Anstieg in der Kurzschlussstrom (≈2 mA cm -2) für CuBr- und NaI basierten Solarzellen erreicht, die zur vollständigen Umwandlung von PbI 2 in CH 3 NH 3 PbI 3 zugeschrieben werden kann. Diese Verbesserung wurde durch das einfallende Photon-zu-Strom - Umwandlungswirkungsgrad (IPCE) Spektren in Abbildung 8b bestätigt. Schließlich höhere Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) Niveaus von 15,2%, 15,6% und 15,3% wurden für NaI- erreicht, CuBr- und Cul-basierte Geräte, die jeweils zu vergleichen, um die 14,0% Wert für die unberührte Perowskit-Solarzelle.
Abbildung 1: mesoskopischen Perowskit Solarzellenarchitektur. REM - Querschnittsmikroskopische Aufnahme eines kompletten Gerätes mit der folgenden Struktur: FTO / compact-TiO 2 / mesoporösen TiO 2 / CH 3 NH 3 PbI 3 / Spiro-OMeTAD / Au.
Abbildung 2: Morphologische Analyse von Bleiiodid und Perovskit - Strukturen. Top-View - REM - Aufnahmen von PbI 2 (linke Seite) und CH 3 NH 3 PbI 3 (rechte Seite) Strukturen: (a) ursprünglich, (
Figur 3: Wirkung des einwertigen Kations Halogenidzusätzen auf Perowskit Kristallinität. Röntgenbeugungsspektren von unberührten und Additivbasis CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit daß gezüchtet auf mesoporösen TiO 2 -Films, der auf dem FTO-beschichtetes Glas aufgebracht wird. Diese Zahl wurde von Referenz 18 wiedergegeben.t = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Trace von einwertigen Kationen in der CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskitstruktur. XPS-Analyse von unberührten, CuBr-, CuI, NaI- und AgI-basierende Perowskit-Filme. Diese Zahl wurde von Referenz 18 wiedergegeben. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Optische Eigenschaften von Perowskit - Filme. (A) Die Absorptionsspektren von Perowskit - Filme , die von unberührten und Additivbasis Bleiquellen gemessen , um die PDS - Technik. DasEinschub zeigt die entsprechenden Urbach Energien für alle Proben. Die Fehlerbalken wird von der SD definiert die Urbach-Schwanzes in passen. (B) Vergleich der PDS - Absorptionsspektren von unberührten und CuBr-basierten Bleijodid und Perowskit - Filme sowie CuBr abgeschieden auf ms-TiO 2 und CuBr-only - Filme. Diese Zahl wurde von Referenz 18 wiedergegeben. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6: Wirkung des einwertigen Kations Additiven auf das Oberflächenpotential des Perowskit - Filme. CPD-Profile von unberührten und Additivbasis aufgezeichnet Perowskit-Filme mit KPFM. Die AFM-Topographiebild ist auf der Oberseite gezeigt. Diese Zahl wurde von Referenz reproduziert 18 . Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7: Ladungstransporteigenschaften von Perowskit - Filme. (A) JV Eigenschaften von Loch nur Geräte (ITO / PEDOT: PSS / Perowskit / Au), verwendet für das SCLC Lochmobilität zu schätzen. Man beachte, dass die Stromdichte (J) mit der Dicke der Perowskit-Schichten skaliert wird. (B) Die Trends in der J sc, & mgr; h und μ e für unberührte und Additiv-basierende Perowskit. Diese Zahl wurde von Referenz 18 wiedergegeben. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8: Photovoltaik - Leistungsmerkmale. (A) Strom-Spannungs - Eigenschaften von Vorrichtungen unter einer Beleuchtung von 100 mW / cm 2 erhalten , verschiedene Arten von einwertigen Kations Halogenide Verwendung zur Bleiquelle Lösung gegeben. (B) einfallende Photon-Strom - Effizienz (IPCE) Spektren in Abhängigkeit von der Wellenlänge des monochromatischen Licht für den unberührten, CuBr-, CuI, NaI- und AgI-basierende Perowskit - Solarzellen. Diese Zahl wurde von Referenz 18 wiedergegeben. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Art der Probe | J SC | V OC | FF | PCE | μ e | μ h | E A E | E A h |
| (mA cm -2) | (V) | (%) | (cm 2 / Vs) | (cm 2 / Vs) | (meV) | (meV) | ||
| ursprünglich | 21,03 | 0,95 | 0,70 | 14,01 | 0,02 | 0,008 | 135 | 198 |
| CuBr | 22.92 | 0,95 | 0,72 | 15.61 | 0,05 | 88 | 132 | |
| CuI | 21.81 | 0,99 | 0,71 | 15,25 | 0,02 | 0,036 | 94 | 157 |
| Nal | 22,97 | 0,9 | 0,73 | 15,14 | 0,04 | 0,07 | 77 | 137 |
| AgI | 19.24 | 1.02 | 0,72 | 14.18 | 0,005 | 0,006 | 105 | 177 |
Tabelle 1: Photovoltaik und Ladungstransportparameter von PSC. Zusammenfassung der Photovoltaik-Parameter abgeleitet von JV Messungen und Ladung Mobilitäten, zusammen mit der Aktivierungsenergie für den unberührten und Additiv-basierende Perowskit-Solarzellen, die die beste Leistung zeigen und wurden fabricated des zweistufigen Abscheidungsverfahren verwendet wird. Es ist bemerkenswert, dass die Statistiken der Photovoltaik-Parameter den gleichen Trend wie die leistungsstärksten Geräte folgen. Diese Tabelle wurde von Referenz 18 wiedergegeben.
Discussion
Eine typische Architektur von mesoskopischen Perowskit - Solarzellen wurde in dieser Arbeit, wo eine Reihe von Materialien wurden durch Schleuderbeschichtung zwischen einem leitfähigen Substrat und einer thermisch aufgedampften Metallkontakt (Figur 1) verwendet. Die mesoporösen TiO 2 -Schichten wurden mit TiCl 4 behandelt, von denen berichtet wird , um die Oberfläche zu passivieren und Traps an die Grenzfläche zwischen der Elektronentransportschicht und dem Absorbermaterial 21, 22 zu verbessern. Die Perowskit-Schicht wurde dann eine sequentielle zweistufigen Abscheidungstechnik abgeschieden werden. Die vollständige Umwandlung von Bleihalogenide in Perowskit im zweiten Schritt ist wichtig , die höchste Lichtabsorption 16, 17, zu erreichen , und wir haben gezeigt , dass die einwertigen Kation Halogenidzusätzen (zB NaI und CuBr) in einem vollständigen Umsatz führen. Weiterhin ist die vollständige Abdeckung des mesoporösen Titanoxidschicht with Perowskit Überschicht ist entscheidend Potential Rekombination zwischen der Lochtransportschicht (beispielsweise Spiro OMeTAD) und der Elektronentransportschicht (beispielsweise mesoporösen TiO 2) 23 zu eliminieren. Wir veranschaulicht , dass die einwertiges Kation Halogeniden Zugabe (zB CuI und AgI) kann die Oberflächenabdeckung der Perowskit - Deckschicht zu verbessern, die für das Gerät zu einer höheren Leerlaufspannung führt.
Der wesentliche Vorteil unseres Verfahrens ist der Dotierungsschritt, wo wir einwertigen Kationen in die CH 3 NH 3 PbI 3 - Struktur zu verbessern , die Ladungsdichte, die Ladungstransport und die Leitfähigkeit der Absorberschicht eingearbeitet. Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, verbessert die vorgenannten Dotierstoffe deutlich sowohl das Elektron und das Loch Mobilitäten. Zusätzlich ist eine bemerkenswerte Abnahme in der Ladungstransportaktivierungsenergie sowie in die energetische Störung der Perowskite Film wurde durch einwertige Kationendotierung erreicht.
In dieser Arbeit haben wir ein Verfahren zum Dotieren CH 3 NH 3 PbI 3 als Absorberschicht in der mesoskopischen Perowskit - Solarzellenstruktur gezeigt. Einwertiges Kation Halogenide wurden tune verwendet , um die morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskit - Film, um die photovoltaische Leistung zu verbessern. Daher eingebaut wir drei verschiedene einwertige Kationen (zB Na +, Cu + und Ag +), die Pb 2+ ähnliche Ionenradien haben, in der Hauptquelle in der sequentiellen zweistufigen Abscheidung von CH 3 NH 3 PbI 3 . Als Ergebnis trat eine bemerkenswerte Verbesserung in der strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften von CH 3 NH 3 PbI 3 in Gegenwart dieser Additive Für die hergestellten Solarzellen zu höheren PCEs führt. Deshalb ist unsere Arbeit halloghlights eine leichte Möglichkeit , die CH 3 NH 3 PbI 3 als Absorberschicht zum Dotieren, die in allen anderen Konfigurationen von Perowskit - Solarzellen (zB planar Architektur), um die elektronische Qualität der Perowskit - Dünnschichten verwendet werden können , weiter zu verbessern.
Die Daten dieses Papier zugrunde liegen, sind verfügbar unter: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
Acknowledgments
M. Abdi-Jalebi dank Nava Technology Limited für ein Promotionsstipendium. MI Dar und M.Grätzel danken dem King Abdulaziz Stadt für Wissenschaft und Technologie (KACST) und dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) für die finanzielle Unterstützung. Die Autoren danken Dr. Pierre Mettraux in der Molekular- und Hybrid Materialcharakterisierung Center, EPFL für die Durchführung der XPS-Messungen zu danken. A.Sadhanala dankt finanzielle Unterstützung aus dem Projekt Indo-UK APEX. SP Senanayak erkennt die Royal Society London für das Newton-Stipendium. RH Friend, M. Abdi-Jalebi und A. Sadhanala möchte die Unterstützung der EPSRC anzuerkennen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glass | Sigma-Aldrich | 735264-1EA | Resistivity≈13 Ω/sq |
| Zinc powder | Sigma-Aldrich | 96454 | Molecular Weight 65.39 |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84415 | ≥37 wt. % |
| Hellmanex detergent | Sigma-Aldrich | Z805939-1EA | pkg of 1 L |
| Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) | Sigma-Aldrich | 325252 | 75 wt. % in isopropanol |
| Titania Paste | DYESOL | MS002300 | 30 NR-D Transparent Titania Paste |
| Lead(II) iodide | Sigma-Aldrich | 211168 | 99 wt. % |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 437573 | ACS reagent, ≥99.8% |
| Methylammonium iodide | DYESOL | MS101000 | Powder |
| SpiroMeOTAD | Sigma-Aldrich | 792071 | 99% (HPLC) |
| Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma-Aldrich | 544094 | 99.95% trace metals basis |
| 4-tert-Butylpyridine | Sigma-Aldrich | 142379 | Purity: 96% |
| Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 284513 | anhydrous, 99.8% |
| 2-Propanol (IPA) | Sigma-Aldrich | 278475 | anhydrous, 99.5% |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | absolute alcohol, without additive, ≥99.8% |
References
- Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307 (2016).
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
- Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
- Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591 (2012).
- Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
- Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
- Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
- Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
- Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
- Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
- Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
- Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
- Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
- Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358 (2016).
- Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472 (2016).
- Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
- Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
- Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
- Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).
