Waiting
Login processing...

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

Environment

فلاش الأشعة تحت الحمراء الهايينغ لبيروفسكيت معالجة الخلايا الشمسية

Published: February 3, 2021 doi: 10.3791/61730
Automatic Translation
1,2, 2, 2
1Department of Chemistry, Molecular Sciences Research Hub, Imperial College London, 2Laboratory of Photomolecular Science (LSPM), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Summary

نحن وصف فلاش الأشعة تحت الحمراء طريقة الوتد المستخدمة لتوليف perovskite و mesoscopic-TiO2 الأفلام. المعلمات المهاد متنوعة ومحسنة للمعالجة على أكسيد القصدير الفلورية (FTO) الزجاج و تينيد البولي ايثيلين المغلفة أكسيد تيريفثالات (ITO PET)، وإعطاء الأجهزة في وقت لاحق كفاءة تحويل الطاقة > 20٪.

Abstract

تمتلك perovskites العضوية غير العضوية إمكانات مثيرة للإعجاب لتصميم الجيل التالي من الخلايا الشمسية وتعتبر حاليًا لـ Upscaling وتسويقها. حاليا، الخلايا الشمسية perovskite تعتمد على طلاء تدور التي ليست عملية لمناطق واسعة ولا صديقة للبيئة. في الواقع ، واحدة من الطرق التقليدية والأكثر فعالية على نطاق المختبر للحث على تبلور perovskite ، طريقة مكافحة المذيبات ، تتطلب كمية من المذيبات السامة التي يصعب تطبيقها على الأسطح الأكبر. لحل هذه المشكلة، يمكن استخدام عملية مضادة للمذيبات و الضم الحراري السريع تسمى فلاش تحت الحمراء (FIRA) لإنتاج أفلام بيروفسكيت عالية البلورية. يتكون فرن FIRA من مجموعة من مصابيح الهالوجين القريبة من الأشعة تحت الحمراء مع قوة إضاءة تبلغ 3000 كيلو واط /م2. جسم من الألومنيوم المجوفة يتيح نظام تبريد المياه الفعال. طريقة فيرا يسمح تركيب الأفلام perovskite في أقل من 2 s، وتحقيق الكفاءة > 20٪. FIRA لديه إمكانات فريدة من نوعها لهذه الصناعة لأنه يمكن تكييفها للمعالجة المستمرة ، هي خالية من المذيبات ، ولا تتطلب خطوات طويلة ، لمدة ساعة التلين.

Introduction

منذ إنشائها في عام 2009، أظهرت الخلايا الشمسية القائمة على الرصاص هاليد بيروفسكيتس نموا غير مسبوق، مع زيادة كفاءة تحويل الطاقة (PCE) من 3.8٪1 إلى 25.2٪2 في ما يزيد قليلا على عقد من التنمية. في الآونة الأخيرة، كان هناك أيضا اهتمام في تطوير الخلايا الشمسية perovskite (PSCs) على ركائز مرنة مثل البولي ايثيلين تيريفثالات (PET) كما هي خفيفة الوزن، ورخيصة، تنطبق على التصنيع لفة لفة ويمكن استخدامها لتشغيل الالكترونيات المرنة3،4. في العقد الماضي، تحسنت PCE من PSCs مرنة بشكل ملحوظ من 2.62٪ إلى 19.1٪5.

معظم طرق المعالجة الحالية لPSCs تنطوي على ترسب من حل السلائف perovskite، إضافة إلى المذيبات (AS) مثل chlorobenzene للحث على النوى وأخيرا الضم الحراري لتبخر المذيب وتعزيز تبلور perovskite في مورفولوجيا المطلوب6،7،8،9. هذه الطريقة تتطلب كميات معتدلة من المذيبات العضوية (~ 100 ميكرولتر لكل 2 × 2 سم الركيزة) التي عادة ما لا يتم استصلاحها ، يصعب تطبيقها على ركائز واسعة المساحة ولا يمكن استنساخها دائمًا. بالإضافة إلى ذلك، طبقة perovskite يتطلب التلوي في > 100 درجة مئوية لمدة تصل إلى 120 دقيقة في حين أن طبقة نقل الإلكترون mesoporous-TiO2 يتطلب التلبيد في 450 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة على الأقل، الذي لا يؤدي فقط إلى تكلفة إلكترونية كبيرة واختناق محتمل في رفع مستوى في نهاية المطاف من أجهزة الكمبيوتر العامة، ولكن أيضا لا يتوافق مع ركائز مرنة والتي عادة لا يمكن الحفاظ على التدفئة في ≥250 درجة مئوية10،11،12. ولذلك، يجب إيجاد طرق تصنيع بديلة لتسويق هذه التكنولوجيا3و13و14.

فلاش التلاسيد الأشعة تحت الحمراء، ذكرت لأول مرة في 201511، هو وسيلة منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة وسريعة لتوليف perovskite المدمجة والمتسامحة مع الخلل والأفلام الرقيقة أكسيد المعدن الذي يلغي الحاجة إلى مكافحة المذيبات ومتوافقة مع ركائز مرنة. في هذه الطريقة، تتعرض أفلام perovskite المغلفة حديثا تدور إلى إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (700-2500 نانومتر، وبلغت ذروتها في 1،073 نانومتر). كل من TiO2 و perovskite لديها امتصاص منخفض في هذه المنطقة، في حين أن FTO هو امتصاص NIR قوي ويسخن بسرعة، يتبخر المذيبات وينحني بشكل غير مباشر المواد النشطة11،15. يمكن لنبض 2 قصيرة تسخين الركيزة FTO إلى 480 درجة مئوية، في حين أن perovskite لا يزال في ~ 70 درجة مئوية، وتعزيز التبخر الرأسي للمذيبات والنمو الجانبي للبلورات عبر الركيزة. سرعان ما تتبدد الحرارة عن طريق التبريد من الحالة الخارجية ، وفي غضون ثوان ، يتم الوصول إلى درجة حرارة الغرفة.

يمكن أن تختلف عمليات النوى والتبلور ، وبالتالي المورفولوجيا النهائية للفيلم ، من خلال معلمات FIRA مثل طول النبض والتردد والكثافة ، مما يسمح بنمو بلوري أكثر قابلية للاستنساخ ويمكن التحكم فيها16. على افتراض أن النوى محدودة الوقت، وطول النبض يحدد كثافة النوى في حين أن كثافة النبض تحدد الطاقة المقدمة للتبلور. ومن شأن عدم كفاية الطاقة أن يؤدي إلى تبخر أو تبلور المذيبات غير مكتملة، في حين أن الطاقة الزائدة من شأنها أن تؤدي إلى التدهور الحراري للبيروفسكيت15. تحسين هذه العوامل، لذلك، مهم لتشكيل فيلم perovskite متجانسة، والتي يمكن أن تؤثر على خصائص optoelectronic من الجهاز النهائي.

بالمقارنة مع طريقة AS، FIRA لديه نواة أبطأ وأسرع نمو البلورات، مما يؤدي إلى أكبر المجالات البلوري (~ 40 ميكرومتر لفيرا مقابل ~ 200 نانومتر ل AS)16. ويمكن أن يكون انخفاض معدل النوى بسبب انخفاض التشبع الفائق أو مرحلة النوى المحدودة كما تسيطر عليها مدة النبض15. ومع ذلك، فإن الفرق في حجم الحبوب لا يؤثر على حركة الناقل تهمة والعمر (التنقل ~ 15 سم2/ مقابل ل AS و ~ 19 سم2/ مقابل لفيرا)17 ويعطي الأفلام ذات الخصائص الهيكلية والبصرية مماثلة، كما يقاس من قبل حيود الأشعة السينية (XRD) وphotoluminescence (PL)12. في الواقع، تشير التقارير إلى أن أحجام الحبوب الكبيرة مواتية بسبب تحلل perovskite المثبطة عند حدود الحبوب4. يمكن تشكيل المدمجة، و تسامح مع عيوب، والأفلام perovskite البلورية للغاية مع كلا الأسلوبين، وإعطاء الأجهزة مع > 20٪ PCE18.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن القضاء على مضادات المذيبات والحد من وقت القلي من ساعات إلى ثانية يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. مع هذه الطريقة، يمكن أيضا أن يتم تصنيعطبقة بلورية 2 منظار تيو، والحد من كثافة الطاقة في خطوة التلبيد (في 450 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، 1-3 ح في المجموع) إلى 10 دقيقة فقط16،18. TiO2 مرات التلوي قصيرة كما ثانية كما تم الإبلاغ عنها سابقا باستخدام الاختلافات من هذه الطريقة19،20،21،22. ونتيجة لذلك، يمكن أن تكون ملفقة PSC كله في أقل من ساعة18. هذه الطريقة متوافقة أيضا مع رفع الصناعية وتسويقها كما يمكن تكييفها مع ترسب منطقة كبيرة و roll-to-roll التجهيز لإنتاج الإنتاجية السريعة والمتزامنة15. وعلاوة على ذلك، فإن نظام تبريد المياه يسمح بتبدد الحرارة السريع، مما يجعله مناسباً لتصنيع الأجهزة على ركائز مرنة مثل PET.

يمكن استخدام FIRA لأي فيلم رطب ورقيق يمكن إيداعه عبر عملية حل بسيطة وتبلور في درجات حرارة مختلفة تصل إلى 1000 درجة مئوية. يمكن تحسين المعلمات بحيث يتم تشكيل البلورات في مورفولوجيا المطلوب. على سبيل المثال، وقد تم استخدامه لتركيب مختلف التراكيب perovskite على الزجاج وPET12،15،18،وكذلك طبقة mesoscopic-TiO2 على الزجاج، وإعطاء الأجهزة من > 20٪ PCE18. كما يسمح لدراسة تطور المرحلة ضد درجة الحرارة، كما يتم قياس درجات حرارة سطح الفرن والركيزة لإعطاء لمحة درجة الحرارة لعملية التبلور16،17.

تناقش هذه الورقة أولاً البروتوكول المستخدم لتحسين معلمات التلاهم لتجميع فيلم مدمج ، متسامح مع العيوب ، ومتجانس (MAPBI3)، والذي يقدم في نفس الوقت نظرة ثاقبة تطور مورفولوجيا perovskite ضد درجة الحرارة / نبض الوقت. ثانيا، يتم مناقشة بروتوكول لمعالجة الخلايا الشمسية perovskite مع FIRA-مَنَس-ميو 2 وطبقات perovskite. بالنسبة لهذه الدراسة، تكوين بيروفسكيت على أساس formamidinium (80٪)، السيزيوم (15٪)، وguanidinium (5٪) وقد استخدمت الاتونات (المشار إليها هنا FCG)، وأجريت مادة اليود ثلاثية البوتيل الأمونيوم (TBAI) بعد العلاج. ولذلك، تهدف هذه الورقة إلى إظهار براعة طريقة FIRA، مزاياها على الطريقة التقليدية لمكافحة المذيبات، وإمكانية تطبيقها في نهاية المطاف تسويق الخلايا الشمسية perovskite20،21،22.

وينقسم هذا البروتوكول إلى 4 أقسام: 1) وصف عام لتشغيل فرن FIRA 2) عملية لتحسين وتوليف فيلم MAPBI3 perovskite على الزجاج FTO 3) معالجة الخلايا الشمسية FCG perovskite و 4) توليف من MAPBI3 أفلام على ITO-PET.

Protocol

1. تشغيل فرن FIRA

ملاحظة: يظهر مخطط للفرن FIRA ، تم تطويره في المنزل ، في الشكل 1A. يتكون فرن FIRA من مجموعة من ستة مصابيح الهالوجين القريبة من الأشعة تحت الحمراء (ذروة الانبعاثات عند الطول الموجي 1073 نانومتر) مع قوة إضاءة تبلغ 3000 كيلووات/م2 وقوة إنتاج إجمالية تبلغ 9600 كيلووات. هيئة الألومنيوم جوفاء يوفر نظام تبريد المياه فعالة، وأنه بدوره يسمح تبدد الطاقة الحرارية السريعة (في غضون ثوان). يتم الاحتفاظ بها في صندوق قفازات النيتروجين ، ويتم تدفق N2 باستمرار عبر الغرفة عبر مدخل الغاز لإبقائه تحت جو خامل ، باستثناء أثناء الحنع. O2 يمكن أيضا أن يكون عرض عندما الصلب المعادن أكسيد الأفلام لتعزيز الأكسدة.

Figure 1
الشكل 1: (A) التخطيطي يظهر المقطع العرضي للفرن FIRA. يتم تبريد غرفة الفرن باستمرار عن طريق المياه المتدفقة من خلال القضية وتبقى تحت جو N2. (ب) صورة فرن فيرا. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: واجهة برنامج FIRA. لوحة على اليسار يظهر ملف درجة الحرارة، والذي يعرض نقطة مجموعة (برنامج الإدخال)، ودرجة حرارة الفرن، و pyrometer (سطح الركيزة) درجة الحرارة. يتم إدخال برنامج الحنيد المطلوب على الطاولة على اليمين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. برمجة دورات الوَرَد
    1. قم بتوصيل فرن FIRA بجهاز كمبيوتر ، يمكن التحكم فيه عبر واجهة مستخدم دليل (الشكل 2) على برنامج داخلي. استنادًا إلى التجربة، حدد وضع الطاقة الكاملة أو وضع PID (المشتقة التناسبية المتكاملة). في وضع الطاقة الكاملة ، تكون مصابيح الأشعة تحت الحمراء إما تشغيلًا أو إيقافًا تمامًا ، في حين أنه في وضع PID ، يتم عقد الفرن عند درجة حرارة محددة لفترة معينة من الوقت عن طريق التعديل الشدة.
    2. تأكد من تحديد الجدول على تبديل الجدول/يدوي وإدخال قاعدة زمنية أطول من المدة الإجمالية لعمليات التلبيس والتبريد.
    3. وضع الطاقة الكاملة:أدخل الأوقات التي يجب أن تكون فيها المصابيح قيد التشغيل أو إيقاف التشغيل في الجدول على يمين الواجهة. وبهذه الطريقة، يمكن برمجة نبضات واحدة وكذلك دورات الوَرَد، مما يسمح بالسيطرة على طول النبضة والتردد. هذا هو مناسبة للأفلام التي يمكن أن تكون محنة بسرعة، أو لركائز التي لا يمكن أن تتسامح مع التدفئة المستمرة (على سبيل المثال، ~ 1.5-2 s للأفلام بيروفسكيت).
    4. PID الوضع: إدخال الوقت ودرجة الحرارة التي يجب أن يتم إشعاع الفرن في الجدول. على غرار مبدأ العمل من هوتبلاين التقليدية، يمكن تعديل كثافة مصدر التدفئة. هذا مناسب للأفلام التي تتطلب عادة أوقات أطول من الوَرَد (على سبيل المثال، 15 دقيقة عند 100 درجة مئوية لـ TBAI).
    5. الحصولعلى البيانات : تحميل ملف درجة الحرارة المعروضة على يسار الواجهة كملف .txt أو جدول البيانات عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على الملف الشخصي ثم انقر على ملف التصدير.
      ملاحظة: يتم استخدام البرنامج للحصول على كل من البيانات والتحكم في النظام، حيث البيانات الخام الرئيسية المكتسبة هو ملف تعريف درجة الحرارة. على ملف تعريف درجة الحرارة (الشكل 2) ، يتم تمثيل برنامج الإدخال من خلال "نقطة المحددة". يتم عرض درجة حرارة الفرن (تقاس بواسطة الحرارية من نوع K) ودرجة حرارة الركيزة (المقدرة بواسطة البيروتر) في الوقت الحقيقي ، مما يعطي نظرة ثاقبة على ظروف تبلور الأغشية الرقيقة. يرجى ملاحظة أن درجة حرارة الفرن لا تتدرج مباشرة مع درجات حرارة الألواح الساخنة التقليدية حيث أن الثيرموكوبل يتعرض أيضًا مباشرة لإشعاع الأشعة تحت الحمراء. بل إنه بمثابة نقطة مرجعية للمقارنة بين مختلف بارامترات الوَرَد.
  2. عملية التلاهم العامة
    1. إيداع السلائف عن طريق عملية حل مناسبة: تدور طلاء26،تراجع طلاء27،أو الطبيب-blading28.
    2. نقل ركائز في غرفة فرن FIRA وإغلاق غطاء الفرن. تأكد من أن تدفق النيتروجين إلى الغرفة إيقاف عن طريق إغلاق صمام مدخل الغاز.
    3. بدء وإيقاف الـ الـقطّع بالنقر فوق جدول START وجدول STOP على الكمبيوتر. بدلا من ذلك، ربط فرن FIRA إلى دواسة القدم، والتي يمكن استخدامها أيضا لبدء ووقف البرنامج. ونتيجة لذلك، يمكن تنفيذ الحنع دون إزالة يد واحدة من صندوق القفازات، مما يسمح لعملية أكثر سلاسة وتزامن.
    4. عندما تصل درجة حرارة الفرن إلى درجة حرارة الغرفة، قم بإزالة الركائز من غرفة الفرن.

2. MAPBI3 Perovskite فيلم التوليف والتحسين على الزجاج FTO

  1. بيروفسكيت الحل إعداد
    1. حل يوديد الميثيلامونيوم في DMF لامائية: DMSO 2:1 v/v للحصول على حل 1.9 M.
    2. إضافة كمية متساوية من PbI2 إلى الحل وتمييع مع DMF اللامائية: DMSO 2:1 v/v لإعطاء 1.4 M ميثيلامونيوم الرصاص يوديد حل. سخني على درجة حرارة 80 درجة مئوية حتى ينحل بالكامل ويبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
      ملاحظة: يتم تحضير الحل وتخزينه في صندوق القفازات الأرغوني. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا.
  2. بيروفسكيت فيلم توليف
    1. استخدم ركائز زجاجية مغلفة FTO 1.7 سم × 2.5 سم.
    2. تنظيف ركائز عن طريق سونيكيشن المتعاقبة في تنظيف الصابون (2 فول ٪ في deionized H2O)، الأسيتون والإيثانول لمدة 15 دقيقة لكل منهما، ثم جفف لهم مع الهواء المضغوط.
    3. علاج ركائز تحت الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون في نظافة البلازما لمدة 15 دقيقة.
    4. إدخال برنامج الشد المطلوب حسب القسم 1.1.
    5. ضربة سطح الركيزة مع بندقية النيتروجين لإزالة الغبار والشوائب الأخرى.
    6. Spin-coat 50 ميكرولتر من السلائف بيروفسكيت عند 4,000 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثانية، مع تسارع 2000 دورة في الدقيقة ·s-1.
    7. بعد الترسيب مباشرة، قم بنقل الركيزة إلى فرن FIRA للحن في مجموعة من أوقات النبض حسب الرغبة (0-7 s المستخدمة هنا، والنبض الأمثل هو 2 s). بدء برنامج الوحن المدخلات عن طريق الضغط على ستارت على البرنامج أو داس على دواسة القدم. يجب ملاحظة تغيير اللون من الأصفر إلى الأسود ، مما يشير إلى تشكيل بنية بيروفسكيت ثلاثية الأبعاد.
    8. إزالة الركيزة عندما تصل درجة حرارة الفرن إلى 25 درجة مئوية.
    9. تخزين الأفلام المُلَدَّد في صندوق هواء جاف.
      ملاحظة: يتم وضع فرن FIRA والمغلف في نفس صندوق قفازات النيتروجين بحيث يمكن إجراء ترسب الحل والحنع بسلاسة وتحت أجواء خاملة.
  3. توصيف المواد
    1. التقط صورًا بصرية على مجهر مستقطب مزود بمصدر ضوء زينون وأهداف مصححة بلا حدود من 10x و50x.
    2. سجل أطياف الامتصاص في وقت واحد مع الألياف البصرية المدمجة في المجهر انشاء وتوصيلها إلى مطياف (نطاق الطيفي 300-1100 نانومتر).
      ملاحظة: يمكن القيام بالتوصيف أعلاه مباشرة بعد الحن، مما يسمح بالفحص السريع لجودة الفيلم. وتؤخذ القياسات في الهواء المحيط ودرجة الحرارة. ويمكن فيما بعد إجراء توصيف أكثر تعمقاً مثل المجهر المجهري للمسح الإلكتروني (SEM) و حيود الأشعة السينية (انظر القسم 3-7).

3. FCG perovskite معالجة الخلايا الشمسية

  1. إعداد الركازة والتنظيف
    1. حفر جانب واحد من ركائز الزجاج FTO مع مسحوق ZN و 4 M HCl.
    2. ركائز نظيفة عن طريق سونيكيشن المتعاقبة في تنظيف الصابون (2 فول ٪ في deionized H2O) لمدة 30 دقيقة وisopropanol لمدة 15 دقيقة، وجافة مع الهواء المضغوط.
    3. علاج تحت الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون في منظف البلازما لمدة 5 دقائق.
  2. طبقة تيو2 مدمجة
    1. سخني ألواح الزجاج FTO إلى 450 درجة مئوية على صفيحة ساخنة مُلَلِسة والاحتفاظ بها عند درجة الحرارة هذه لمدة 15 دقيقة قبل ترسب الحل.
    2. تمييع 0.6 مل من التيتانيوم ثنائي الويسوبروروبيك مكرر (acetylacetonate) و 0.4 مل من الأسيتيlacetone في 9 مل من EtOH لإعطاء حل السلائف.
    3. قم بإيداع المحلل عن طريق الرش الانحلال الحراري مع الأكسجين كغاز الناقل (0.5 بار) عند 45 درجة ومسافة 20 سم. اترك فاصلاً فاصلاً من 20 s بين كل دورة رش.
    4. اترك الركائز عند 450 درجة مئوية لمدة 5 دقائق أكثر، ثم تبرد لدرجة حرارة الغرفة. وهذا يعطي طبقة TiO2 مدمجة من 30 نانومتر.
      ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا. إذا لم يتم تنفيذ الخطوة التالية على الفور، إعادة الركازة في 450 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة قبل ترسب طبقة mesoporous-TiO2.
  3. طبقة ميزوبروروس-تيو2
    1. جعل حل السلائف عن طريق تخفيف تيو2 معجون (حجم الجسيمات 30 نانومتر) في EtOH بتركيز 75 ملغ / مل. يحرك الحل مع شريط مُحرك مغناطيسي حتى ينحل بالكامل.
    2. تدور معطف 50 μL من الحل في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 10 ق، مع منحدر من 2000 دورة في الدقيقة · ق-1.
    3. برنامج دورة التلين من 10 نبضات ، 15 ق على و 45 ق قبالة في الجدول على البرنامج.
    4. ضع الركائز في فرن FIRA ، وحال الطنين تحت وضع الطاقة الكاملة مع دورة الطنين أعلاه عن طريق الضغط على جدول البداية أو الدوس على دواسة القدم. وهذا يعطي طبقة 150-200 نانومتر.
    5. إزالة العينات عندما تصل درجة حرارة الفرن إلى 25 درجة مئوية.
      ملاحظة: تأكد من أن الفرن في درجة حرارة الغرفة أو أقل قبل البدء في التلاهم. مع الدورة المذكورة أعلاه، تصل درجة حرارة الفرن إلى 600 درجة مئوية تقريبًا أثناء الحنّ.
  4. طبقة بيروفسكيت
    1. جعل حل من يوديد formamidinium (1.12 M)، PbI2 (1.4 M)، CSI (0.21 M) و GAI (0.07 M) في DMF غير مائية: DMSO 2:1 v/v.
    2. تدور معطف 40 ميكرولتر من الحل في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 10 ق.
    3. برنامج خطوة من 1.6 s على وضع الطاقة الكاملة على البرنامج (هذا يصل إلى 90 درجة مئوية).
    4. نقل الركيزة إلى فرن FIRA والبدء في التليد عن طريق الضغط على جدول البداية أو داس على دواسة القدم. يجب أن يتحول السطح من الأصفر إلى الأسود.
    5. اترك العينات في الفرن لمدة 10 ق إضافية للتبريد قبل إزالتها.
  5. رباعي ثنائي بوتيل يوديد (TBAI) بعد العلاج (اختياري)
    1. تذوب 3 ملغ من رباعي بوتيل الأمونيوم يوديد في 1 مل من الايزوبروبانول.
    2. تدور معطف الحل في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 20 ثانية.
    3. برنامج خطوة في 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة باستخدام PID الوضع.
    4. نقل الركيزة إلى فرن FIRA والحنيد مع البرنامج أعلاه. يبرد إلى 25 درجة مئوية قبل الخطوة التالية.
  6. حفرة نقل المواد والكترود العلوي
    1. حل سبيرو-OMeTAD في كلوروبينزين (70 mM) وإضافة 4-tert-butylpyridine (TBP)، ليثيوم bis (ثلاثي فلوريوميثيثيل الفونوفونيل)imide) (Li-TFSI، 1.8 م في الأسيتونيتريل) وTris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)-cobalt(III) تريس (bis(trifluoromethylsulfonyl) imide (FK209، 0.25 M في الأسيتونيتريل) بحيث تكون نسبة الولي من المواد المضافة فيما يتعلق spiro-OMeTAD هي 3.3، 0.5، و0.03 لـ TBP، لي-TFSI، و FK209 على التوالي.
    2. قم بإيداع 50 ميكرولتر من الحل عند 4000 دورة في الدقيقة لمدة 20 s تحت طلاء الدوران الديناميكي ، مما يضيف الحل 3 s بعد بدء البرنامج.
    3. اتركه ليتأكسد بين عشية وضحاها في صندوق الهواء الجاف.
    4. إيداع 80 نانومتر من الذهب عن طريق التبخر الحراري تحت فراغ. استخدم قناع الظل لنمط الأقطاب الكهربائية.
  7. اختبار الجهاز الفلطئي وتوصيف المواد
    1. اتخاذ القياسات الضوئية باستخدام جهاز محاكاة الشمسية مجهزة مصباح قوس زينون ومقياس مصدر رقمي. حدد المنطقة النشطة للجهاز باستخدام قناع معدني أسود غير عاكس (0.1024 سم2 مستخدم هنا). قياس منحنيات التيار الجهد تحت الاتجاه العكسي والى الامام في معدل مسح 10 mV / s تحت AM 1.5 G تشعيع.
    2. اتخاذ أنماط الانعراج بالأشعة السينية مع مقياس انعراج في وضع انعكاس دوران، وذلك باستخدام الإشعاع Cu Kα وتصفية ني β.
    3. اتخاذ مسح الصور المجهر الإلكتروني في الجهد تسارع 3 كيلو فولت.

4. MAPBI3 أفلام على الركازة ITO-PET

  1. قطع شرائح ITO-PET والزجاج المجهر إلى قطع من 1.7 سم × 2.5 سم.
  2. تنظيف الشرائح الزجاجية و ITO-PET حسب الخطوات 2.2.2-2.2.3.
  3. إرفاق ركائز ITO على الشرائح الزجاجية مع الشريط على الوجهين، وضمان أنها مسطحة قدر الإمكان.
  4. إعداد السلائف MAPBI3 كما هو موضح في القسم 2-1. ضربة سطح الركيزة مع بندقية N2 قبل تدور طلاء الحل وحن الفيلم مع فيرا، وفقا للخطوات 2.2.5-2.2.8، مع وقت نبض من 1.7 s.
  5. القيام بالتوصيف المادي كما هو موضح في القسمين 2-3 و3-7.

Representative Results

التحسين والتوليف من MAPBI3أفلام على الزجاج FTO
لتقييم جودة الفيلم perovskite، تم أخذ صور المجهر، حيود الأشعة السينية، وأطياف الامتصاص. وينبغي أن الوقت الأمثل نبض تسفر عن المدمجة، موحدة، وثقب خالية من الفيلم مع الحبوب الكريستال كبيرة. ويبين الشكل 3 الصور البصرية لأفلام MAPBI3 في أوقات النبض تتراوح من 0 إلى 7 s، في حين أن الشكل 4 يظهر أطياف XRD للأفلام المُتَنَدَّدة في أوقات النبض الانتقائية. تمثل أوقات النبض هذه حدود مراحل perovskite الأربعة المتميزة التي تمت مراقبتها استنادًا إلى مختلف الأوصاف التي تم تنفيذها. تطور المرحلة كدالة من نبض الوقت ودرجة الحرارة وترد في الشكل 5، ومقارنة الصور SEM عرض أعلى من الأفلام التي شكلتها كل من فيرا وأساليب مكافحة المذيبات وجدت في المعلومات التكميلية S1. توجد أنماط XRD لجميع البقول وأطياف الامتصاص المقابلة في المعلومات التكميلية S2 و S3. البقول من 0 إلى 1.6 s أعطت بلورات تشبه الإبر أو مجالات بلورية صغيرة مفصولة بمراحل غير بلورية، كما يتضح من القمم السليفة في 2θ = 6.59، 7.22، و 9.22°29. وبالنسبة للنبضات من 1.8 إلى 3.8 s، تم تشكيل الحبوب الكريستالية المحددة جيدا، وأظهرت أنماط XRD تشكيل المرحلة3 رباعية الصوديوم I4/mcm. وهذا ما يؤكده أيضاً ظهور 780 نانومتر. ومع ذلك، أدت أوقات النبض الأطول إلى التحلل الحراري للبيروفسكيت، مع التحلل الكامل للبقول >5 s، كما يتضح من تطور ذروة PbI2 عند 2 اكمال = 12.7 درجة. تم تحديد النبض الأمثل ليكون 2 s، وإعطاء الحبوب الكريستال من ~ 30 ميكرومتر. لذلك، يسمح فيرا لدراسة شاملة لعمليات النوي والتبلور على أساس درجة الحرارة، كما يتحكم في ذلك الوقت النبض. يمكن أيضا أن تكون المعلمات متنوعة والأمثل للأفلام رقيقة مختلفة، والتي تبين براعة من هذه الطريقة.

Figure 3
الشكل 3: الصور البصرية لأفلام MAPbI3 perovskite على زجاج FTO ، مُلَكَّلة بنبضات تتراوح من 0 إلى 7 ق. تم التقاط جميع الصور في 10x التكبير في وضع الإرسال. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: أطياف XRD من أفلام MAPBI3 مُتَنَدَّدة في أوقات نبض انتقائية. الطائرات المسماة هي ممثلة للمرحلة رباعية I4/mcm. تمثل القمم النجمية حيود من PbI2، بينما يمثل المستطيل الأزرق تلك من حل السلائف. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: صورة درجة الحرارة التي تبين تطور مرحلة perovskite كدالة طول النبض. تم تحديد حدود المراحل المختلفة من التحليل المقابل XRD، الموضح في الشكل 4. مقتبسة من15. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

أجهزة FCG perovskite
الشكل 6A، B إظهار صورة درجة الحرارة ونمط XRD من طبقة mesoscopic-TiO2 محن مع دورة فيرا من 10 نبضات، 15 s على و 45 ق قبالة. مع فيرا، يمكن الوصول إلى درجات حرارة ~ 600 درجة مئوية ويمكن توليف طبقة تيو2 في 10 دقيقة فقط، أقصر بكثير من الطريقة التقليدية التي تتطلب تلبد لمدة 1 ساعة إلى 3 ح، وبلغت ذروتها في 450 درجة مئوية. الفيلم الناتج لا يظهر أي فرق ملحوظ إلى أن مُتَلَدَّد على لوحة ساخنة. ونتيجة لذلك، يمكن معالجة الخلية الشمسية perovskite كله في أقل من ساعة. تظهر صورة SEM المقطعية(الشكل 6C)أن الأجهزة اللاحقة التي يتم تصنيعها تشبه إلى حد كبير تلك التي تم تصنيعها عبر الطرق التقليدية ، مع طبقات من سمك مماثل ومورفولوجيا. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأجهزة المعالجة من قبل FIRA أداءً ممتازًا (الشكل 7) ، مع جهاز البطل الذي يظهر PCE = 20.1 ٪ ، FF = 75 ٪ ، VOC = 1.1 V ، وJSC = 24.4 mA /cm2، مقارنة بالأجهزة المصنعة بطريقة مكافحة المذيبات. كما أعطى جهاز كبير المساحة مع منطقة نشطة1.4 سم 2 PCE من 17٪، مما يدل على FIRA هو طريقة تجهيز بديلة واعدة لتصنيع أجهزة الكمبيوتر.

Figure 6
الشكل 6: (A)صورة درجة الحرارة من mesoporous TiO2 الصلب في فيرا، مع دورة من 10 نبضات من 15 ق على و 45 قبالة. (ب) أنماط الأشعة السينية ل TiO2 أفلام مائل مع الساخنة و فيرا، وركيزة FTO فارغة كمرجع. (C) صور SEM مقطعية من هندسة الخلايا الشمسية perovskite ، التي يتم معالجتها من قبل FIRA والمذيبات. مستنسخة بإذن من18. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: منحنى الجهد الحالي لأجهزة FCG perovskite بطل. (أ)FIRA-مَنَدِي mesoporous-TiO2 و perovskite طبقات. (ب) مساحة كبيرة (1.4 سم2) جهاز مع طبقات mesoporous-TiO2 و perovskite فيرا- مَلَدَل. مستنسخة بإذن من18. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

MAPBI3 أفلام على ITO-PET

ويبين الشكل 8 الصور البصرية لأفلام MAPBI3 المُتَنَدَّة في البقول التي تتراوح من 1 إلى 2 ق. في أوقات النبض أقصر، هناك تبلور غير مكتمل، بينما في أوقات النبض > 1.7 s، يبدأ الركيزة PET في الذوبان (انظر الشكل التكميلي 4). كما لوحظ التحلل الحراري للبيروفسكيت للنبض 2 s. في الوقت نبض الأمثل من 1.7 s، لوحظت مجالات الكريستال معبأة بكثافة من ~ 15 ميكرومتر. على الرغم من وجود ثقوب صغيرة من 1-2 ميكرومتر، فمن الواضح أن يمكن استخدام فيرا لتشكيل الأفلام بيروفسكيت المدمجة وموحدة على البوليمرات المرنة دون ذوبان الركيزة، وذلك بسبب التبريد السريع من هذه الحالة، وهو ميزة كبيرة بالمقارنة مع الصلب الساخن.

Figure 8
الشكل 8: الصور البصريةلأفلام MAPbI 3 المداعبة في أوقات نبض مختلفة على ITO-PET. يتم التقاط جميع الصور في وضع الإرسال والتكبير 10x ما لم يتم تحديد خلاف ذلك. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: مقارنة SEM العلوية من FIRA وأفلام perovskite ذات اللوح الساخن. (A) عرض علوي لأفلام perovskite FIRA-هاد لأربعة مرات، شريط مقياس: 25 ميكرومتر. (ب)عرض علوي لفيلم مرجعي من قبل طريقة مكافحة المذيبات متبوعاً بالحن على 100 درجة مئوية مقابل 1 ساعة على لوح ساخن قياسي، شريط مقياس: 1 ميكرومتر. مقتبس من1. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل التكميلي 2: أطياف XRD من أفلام MAPBI3 على زجاج FTO، مُتَلَّد بنبضات (A)0-1.4 s (B)1.6-3 s (C)3.2-4.6 s (D)4.8-7 s. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الرقم.

الشكل التكميلي 3: أطياف الامتصاص من MAPBI3 أفلام على الزجاج FTO، مع ذبذبات من (أ) 0.2-1.8 ق (ب) 2-3.6 s (C)3.8-7 s. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل التكميلي 4: المظهر المادي لـ MAPBI3 أفلام محنك على PET على أطوال نبض مختلفة. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل التكميلي 5: صورة درجة الحرارة وصور SEM العلوية من الركيزة الورقية البكر، والإلكترود ITO، وطبقة mesoporous-TiO2 المعالجة مع FIRA. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل التكميلي 6: صورة SEM المقطعية من perovskite المودعة (عن طريق طريقة مكافحة المذيبات) على كومة ITO/TiO 2 في FIRA-annealed ITO/TiO2 على دعامة الورق. ITO np = جسيمات نانوية ITO، pvk = perovskite. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الرقم.

Discussion

ويبين الشكل 9 العملية العامة للفيلم perovskite التلاهم مع FIRA.

Figure 9
الشكل 9: تمثيل تخطيطي لمعالجة الأفلام بيروفسكيت مع FIRA. يتم إيداع الفيلم الرطب من المحلولاة عن طريق طلاء الدوران ونقلها في وقت لاحق إلى فرن FIRA للحن في ~ 2 s، وإعطاء مرحلة مستقرة perovskite الأسود. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في عملية التصلب من طبقة رقيقة من الحل، والشكل النهائي المطلوب يعتمد على التطبيق: الأفلام في أجهزة الطاقة لالكلايات الضوئية، أقطاب البطارية، والخلايا الشمسية يمكن أن يكون morphologies مختلفة30،31،32،33. ولذلك ، وتحديد المعلمات المثلى لكل ركيزة وواجهة الفيلم الرطب هو خطوة حاسمة في البروتوكول لمتابعة. عادة، لأجهزة الكمبيوتر PSCs نتوقع أن يكون الأفلام لامعة وسلسة من أجل تقليل العيوب وتعزيز خصائص photophysical مثل نقل تهمة من الناقلين لإعطاء فارغة غير مشع إعادة الاعتيص34،35،36. لمعالجة رقيقة فيلم، والمعلمات الرئيسية هي نبض الوقت، وعدد من البقول، ودرجة حرارة الإشعاع، والتي هي التوازن بين تشكيل مورفولوجيا المطلوب في حين يجري السريع والطاقة كفاءة قدر الإمكان. ومن شأن عدم كفاية الطاقة أن يؤدي إلى تبخر أو تبلور غير كامل للمذيبات، في حين أن الطاقة الزائدة ستؤدي إلى تحلل المادة. ولذلك، فمن الأهمية بمكان أن تختلف بشكل منهجي المعلمات التلاهم وتحليل جودة الفيلم الناتجة (كما هو مفصل في الأقسام 2.2 و 2.3 و 3.7) للعثور على المعلمات المثلى لكل رقيقة فيلم / مجموعة الركيزة. بمجرد الانتهاء من ذلك، يمكن توليفها من الأفلام رقيقة بسرعة وموثوق بها. تعتمد الطريقة على دقتها ، على سبيل المثال ، الحد الأدنى لوقت النبض هو 20 مللي ثانية ، مما يسمح للمرء بالتحكم بدقة في نسبة درجة الحرارة لنمو البلورات. الى جانب ذلك ، يمكن للمرء أن يكون نافذة واسعة للتحسين ، بمساعدة جمع البيانات من الصور وأطياف الامتصاص للفحص البصري والمورفولوجي.

ولا تزال طريقة FIRA قيد التطوير، وكما يوحي اسمها، فإنها تقوم حالياً على التشعيع بالأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، فإن أحدث نسخة من FIRA يتضمن الأشعة فوق البنفسجية-A الإشعاع المتولدة من مصدر مصباح المعادن الهاليد منفصلة. ويمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية وأشعة تحت الحمراء لشد الضوئيك المُجمعة الطول الموجي وعلاجه، مما يوفر وظائف إضافية. على سبيل المثال، علاج أشباه الموصلات مع فيرا هو وسيلة مباشرة لتحسين قابلية الركائز. بالإضافة إلى ذلك ، لنهج متعدد الطبقات في النمو الكريستالي ، يمكن تكييف هذا التلعثم الانتقائي اعتمادا على المواد ، ويمكن تعديل النبض اعتمادا على الشكل المطلوب16،32،37. وتشمل التحقيقات الحالية التلوي من القطب آيتو وطبقة mesoscopic-TiO2 على الورق (وهذا الأخير باستخدام الضم الاشعة الحمراء/الأشعة فوق البنفسجية المختلطة، انظر الشكل التكميلي 5 في المعلومات التكميلية). كما هو مبين في الشكل التكميلي 6، يمكن أن يكون فيلم perovskite تودع بنجاح على FIRA - محن ITO / TiO2 المكدس. ويمكن تطبيق هذا على مجموعة واسعة من ركائز والأفلام رقيقة في المستقبل.

حتى الآن، يقتصر أسلوب FIRA على اغراء الأفلام الرطبة التي يمكن إيداعها عن طريق عمليات الحل. ذلك يعتمد على قدرة طريقة الترسيب، وهذا يحكمها هندسة المذيبات والنمو متعدد الطبقات على أساس حلول مع الأقطاب المذيبة تقترب. التحسين مطلوب أيضا لكل فيلم رقيقة لأن هذا هو أسلوب رواية دون الكثير من البروتوكولات التي تم الإبلاغ عنها سابقا في الأدب ، والتي قد تستغرق وقتا طويلا. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أنه يمكن استخدام FIRA لركائز مرنة مثل PET والورق كما أن هناك تبريد سريع من الحالة، يجب ضمان اتصال جيد بين الركيزة وغرفة الفرن لتجنب ذوبان الركيزة. قد يكون هذا صعباً لأن الركائز المرنة عازمة بسهولة أثناء المعالجة، ولكن هذا قد يتم تحسينه عن طريق إرفاق الركائز على شريحة زجاجية رقيقة للتأكد من أنها مسطحة بالكامل والسماح بسهولة التلاعب. ومع ذلك ، من المهم أن نلاحظ أن امتصاص الفيلم سيتغير مع انتقالات المواد من غير امتصاص (المواد السلائف PERovskite NIR شفافة الرطب) إلى الجاف (PEROVSKITE الأسود امتصاص NIR) وهذا امتصاص إضافي يمكن أن تسهم في الأضرار الركيزة38.

على الرغم من هذه القيود، FIRA لا يزال يقدم العديد من المزايا بالمقارنة مع طريقة مكافحة المذيبات. أولا، يمكن توليفها من الأفلام رقيقة أسرع بكثير. على سبيل المثال، يتم تشكيل perovskite في < 2 s بينما يتم تشكيل طبقة mesoporous-TiO2 في 10 دقيقة فقط، أقصر بكثير من الساعات المطلوبة في الطريقة التقليدية. القضاء على المذيبات وأوقات التلاؤم أقصر يعني أيضا أن هناك تكلفة أقل بكثير حيوية ومالية. تقييم دورة الحياة (الشكل 10) من عملية تخليق perovskite يبين أن FIRA يعرض فقط 8 ٪ من الأثر البيئي و 2 ٪ من تكلفة تصنيع طريقة مكافحة المذيبات. بالإضافة إلى ذلك، وهو متوافق مع ركائز مرنة وكبيرة المساحة. ويمكن إشعاع مساحة إجمالية قدرها 10 × 10 سم2 في وقت واحد، وقد ثبت بالفعل أن الأجهزة من 1.4 سم2 منطقة نشطة وكذلك أفلام 100 سم2 يمكن توليفها بهذه الطريقة. وأخيراً، فإنه قابل للاستنساخ للغاية، وتنوعاً، وقابلاً للتكيف مع سرعة الإنتاجية في التصنيع من لفة إلى لفة، حيث يتم تنفيذ خطوات الترسيب والضم بشكل مستمر في مكان واحد في عملية متزامنة وسلسة.

Figure 10
الشكل 10: مقارنة بين التكلفة النسبية والأثر البيئي لـ FIRA وأساليب مكافحة المذيبات التي يحددها تقييم دورة الحياة. GWP = تغير المناخ [كغ CO2 مكافئ] ، POP = الأكسدة الكيميائية الضوئية [kgC 2H4 مكافئ] ، AP = التحمض [كجم SO2 مكافئ] ، CED = الطلب التراكمي على الطاقة [MJ] ، HTC = السمية البشرية ، آثار السرطان [CTUH] ، HTNC = السمية البشرية ، والآثار غير السرطانية [CTUH] ، ET = السمية البيئية للمياه العذبة [CTUe]. مستنسخة بإذن من12. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وتركز التحقيقات الحالية على فيرا على التحسين لتركيب رقيقة للفيلم على ركائز مرنة مثل الورق وPET، وكذلك لتركيب الطبقات المكونة الرئيسية الأخرى من PSCs مثل طبقة SnO2 المدمجة، أو الكربون وأقطاب ITO. وعلاوة على ذلك، فإن الخطوة التالية هي تصنيع أجهزة عالية الأداء من > 5 سم2. ولذلك، يمكن القول إن فيرا يمثل خطوة نحو طريقة صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة لتصنيع الشركات ذات المساحة الكبيرة والتجارية.

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

وقد تلقى المشروع (WASP) الذي يؤدي إلى هذا المنشور، التمويل من برنامج الاتحاد الأوروبي للبحوث والابتكار في أفق 2020 بموجب اتفاقية منحة رقم 825213.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
4-tert-butylpyridine Sigma Aldrich 142379
Acetonitrile, anhydrous ACROS Organics AC610220010
Acetylacetone Sigma Aldrich P7754
Caesium iodide Sigma Aldrich 203033
Chlorobenzene, anhydrous ACROS Organics AC396971000
Digital source meter Metrohm PGSTAT302N Autolab
DMF, anhydrous ACROS Organics AC326871000
DMSO, anhydrous ACROS Organics AC326881000
Ethanol Sigma Aldrich 459844
FIRA Software Labview Developed in-house
FK209 Dyenamo DN-P04
Formamidinium iodide GreatCell Solar SKU MS150000
FTO glass Nippon Sheet Glass NSG 10 Sheet resistance = 11-13 ohms/sq
Guanidinium iodide Sigma Aldrich 806056
Cleaning Soap Hellmanex III -
Hydrochloric acid Sigma Aldrich 320331
Isopropanol Sigma Aldrich 190764
ITO PET Sigma Aldrich 639303 Sheet resistance = 60 ohms/sq
Lead iodide TCI L0279
Li-TFSI Sigma Aldrich 544094
Mesoporous TiO2 paste, 3 nrd GreatCell Solar SKU MS002300
Methylammonium iodide GreatCell Solar SKU MS1010000
Microscope Zeiss Axio-Scope A1 Polarizing Microscope
Microscope lens Zeiss EC Epiplan-Apochromat
Microscope xenon light source Ocean Optics HPX-2000
Optical fibre Ocean Optics QP230-2-XSR 230 μm core
Plasma cleaner Jetlight Company Inc. UVO-Cleaner Model no. 256-220
Polymer-planarised paper Arjowiggins Powercoat HD
Scanning electron microscope Zeiss Merlin Microscope
Sintering hot plate Harry Gestigkeit GMBH -
Solar simulator ABET Technologies Model 11016 Sun 2000
Spectrometer Ocean Optics Maya2000 Pro Spectral range: 300-1100 nm
Spiro-OMeTAD Sigma Aldrich 792071
Tetrabutyl ammonium iodide GreatCell Solar SKU MS106000
Thermal evaporator Kurt J. Lesker -
titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) Sigma Aldrich 325252
X-ray diffractometer PANanalytical Empyrean diffractometer (theta-theta, 240 mm) equipped with a PIXcel-1D detector, Bragg-Brentano beam optics and parallel beam optics
Zinc powder Sigma Aldrich 324930

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  2. National Renewable Energy Laboratory. Best Research-Cell Efficiency Chart. National Renewable Energy Laboratory. , Available from: https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200406.pdf (2020).
  3. Mujahid, M., Chen, C., Hu, W., Wang, Z. K., Duan, Y. Progress of high-throughput and low-cost flexible perovskite solar cells. Solar RRL. 4, 1900556 (2020).
  4. Feng, J., et al. Record efficiency stable flexible perovskite solar cell using effective additive assistant strategy. Advanced Materials. 30 (35), 1-9 (2018).
  5. Cao, B., et al. Flexible quintuple cation perovskite solar cells with high efficiency. Journal of Materials Chemistry A. 7 (9), 4960-4970 (2019).
  6. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
  7. Park, N. G. Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology. Materials Today. 18 (2), 65-72 (2015).
  8. Zhou, H., et al. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells. Science. 345 (6196), 542-546 (2014).
  9. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2015).
  10. Troughton, J., et al. Photonic flash-annealing of lead halide perovskite solar cells in 1 Ms. Journal of Materials Chemistry A. 4 (9), 3471-3476 (2016).
  11. Troughton, J., et al. Rapid processing of perovskite solar cells in under 2.5 seconds. Journal of Materials Chemistry A. 3 (17), 9123-9127 (2015).
  12. Sánchez, S., et al. Flash infrared annealing as a cost-effective and low environmental impact processing method for planar perovskite solar cells. Materials Today. 31, 39-46 (2019).
  13. Park, N. G., Grätzel, M., Miyasaka, T., Zhu, K., Emery, K. Towards stable and commercially available perovskite solar cells. Nature Energy. 1 (11), 16152 (2016).
  14. Song, Z., et al. A technoeconomic analysis of perovskite solar module manufacturing with low-cost materials and techniques. Energy & Environmental Science. 10 (6), 1297-1305 (2017).
  15. Sanchez, S., Hua, X., Phung, N., Steiner, U., Abate, A. Flash infrared annealing for antisolvent-free highly efficient perovskite solar cells. Advanced Energy Materials. 8, 1702915 (2018).
  16. Sánchez, S., et al. Flash infrared pulse time control of perovskite crystal nucleation and growth from solution. Crystal Growth & Design. 20 (2), 670-679 (2020).
  17. Muscarella, L. A., et al. Crystal orientation and grain size: do they determine optoelectronic properties of MAPbI3 perovskite. The Journal of Physical Chemistry Letters. 10 (20), 6010-6018 (2019).
  18. Sánchez, S., Jerónimo-Rendon, J., Saliba, M., Hagfeldt, A. Highly efficient and rapid manufactured perovskite solar cells via flash infraRed annealing. Materials Today. , (2020).
  19. Watson, T., Mabbett, I., Wang, H., Peter, L., Worsley, D. Ultrafast near infrared sintering of TiO2 layers on metal substrates for dye-sensitized solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 19 (4), 482-486 (2011).
  20. Hooper, K., Carnie, M. J., Charbonneau, C., Watson, T. Near infrared radiation as a rapid heating technique for TiO2 films on glass mounted dye-sensitized solar cells. International Journal of Photoenergy. , 953623 (2014).
  21. Carnie, M. J., et al. Ultra-fast sintered TiO2 films in dye-sensitized solar cells: phase variation, electron transport and recombination. Journal of Materials Chemistry A. 1 (6), 2225-2230 (2013).
  22. Baker, J., et al. High throughput fabrication of mesoporous carbon perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A. 5 (35), 18643-18650 (2017).
  23. Berhe, T. A., et al. Organometal halide perovskite solar cells: degradation and stability. Energy & Environmental Sciences. 9 (2), 323-356 (2016).
  24. Jung, H. S., Park, N. G. Perovskite solar cells: from materials to devices. Small. 11 (1), 10-25 (2015).
  25. Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
  26. Xiao, M., et al. A fast deposition-crystallization procedure for highly efficient lead Iodide perovskite thin-film solar cells. Angewandte Chemie International Edition. 53 (37), 9898-9903 (2014).
  27. Adnan, M., Lee, J. K. All sequential dip-coating processed perovskite layers from an aqueous lead precursor for high efficiency perovskite solar cells. Scientific Reports. 8 (1), 2168 (2018).
  28. Santa-Nokki, H., Kallioinen, J., Kololuoma, T., Tuboltsev, V., Korppi-Tommola, J. Dynamic preparation of TiO2 films for fabrication of dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 182 (2), 187-191 (2006).
  29. Sanchez, S., Steiner, U., Hua, X. Phase evolution during perovskite formation-insight from pair distribution function analysis. Chemistry of Materials. 31 (9), 3498-3506 (2019).
  30. Virkar, A. A., Mannsfeld, S., Bao, Z., Stingelin, N. Organic semiconductor growth and morphology considerations for organic thin-film transistors. Advanced Materials. 22 (34), 3857-3875 (2010).
  31. Hoppe, H., Sariciftci, N. S. Morphology of polymer/fullerene bulk heterojunction solar cells. Journal of Materials Chemistry. 16 (1), 45-61 (2006).
  32. Paquin, F., Rivnay, J., Salleo, A., Stingelin, N., Silva, C. Multi-phase semicrystalline microstructures drive exciton dissociation in neat plastic semiconductors. Journal of Materials Chemistry C. 3 (41), 10715-10722 (2015).
  33. Diao, Y., Shaw, L., Bao, Z., Mannsfeld, S. C. B. Morphology control strategies for solution-processed organic semiconductor thin films. Energy & Environmental Sciences. 7 (7), 2145-2159 (2014).
  34. Slotcavage, D. J., Karunadasa, H. I., McGehee, M. D. Light-induced phase segregation in halide-perovskite absorbers. ACS Energy Letters. 1 (6), 1199-1205 (2016).
  35. Jiang, Q., et al. Surface passivation of perovskite film for efficient solar cells. Nature Photonics. 13 (7), 460-466 (2019).
  36. Yang, W. S., et al. Iodide Management in formamidinium-lead-halide-based perovskite layers for efficient solar cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  37. Almadhoun, M. N., Khan, M. A., Rajab, K., Park, J. H., Buriak, J. M., Alshareef, H. N. UV-Induced ferroelectric phase transformation in PVDF thin films. Advanced Electronic Materials. 5 (1), 1800363 (2019).
  38. Hooper, K., Smith, B., Baker, J., Greenwood, P., Watson, T. Spray PEDOT:PSS coated perovskite with a transparent conducting electrode for low cost scalable photovoltaic devices. Materials Research Innovations. 19 (7), 482-487 (2015).

Tags

العلوم البيئية، العدد 168، perovskite، الخلايا الشمسية، IR، التليد الحراري السريع، رقيقة، معالجة، تبلور
فلاش الأشعة تحت الحمراء الهايينغ لبيروفسكيت معالجة الخلايا الشمسية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ling, P. S. V., Hagfeldt, A.,… More

Ling, P. S. V., Hagfeldt, A., Sanchez, S. Flash Infrared Annealing for Perovskite Solar Cell Processing. J. Vis. Exp. (168), e61730, doi:10.3791/61730 (2021).

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