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पेरोवस्काइट सोलर सेल प्रोसेसिंग के लिए फ्लैश इन्फ्रारेड एनीलिंग

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

हम पेरोवस्काइट और मेसोस्कोपिक-टीओ2 फिल्मों के संश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली फ्लैश इन्फ्रारेड एनीलिंग विधि का वर्णन करते हैं। फ्लोरीन-डॉप्ड टिन ऑक्साइड (एफटीओ) ग्लास और इंडियम टिन ऑक्साइड-कोटेड पॉलीथीन टेरेफ्थेलेट (आईटीओ पीईटी) पर प्रसंस्करण के लिए एनीलिंग पैरामीटर विविध और अनुकूलित होते हैं, बाद में उपकरणों को शक्ति रूपांतरण क्षमता और जीटी;20% देते हैं।

Abstract

ऑर्गेनिक-अकार्बनिक पेरोवस्काट्स में अगली पीढ़ी की सौर कोशिकाओं के डिजाइन के लिए एक प्रभावशाली क्षमता है और वर्तमान में अपस्केलिंग और व्यावसायीकरण के लिए माना जाता है। वर्तमान में, पेरोवस्काइट सौर कोशिकाएं स्पिन-कोटिंग पर भरोसा करती हैं जो न तो बड़े क्षेत्रों के लिए व्यावहारिक है और न ही पर्यावरण के अनुकूल है। दरअसल, पेरोवस्काइट क्रिस्टलीकरण को प्रेरित करने के लिए पारंपरिक और सबसे प्रभावी प्रयोगशाला-पैमाने के तरीकों में से एक, एंटीसॉल्वेंट विधि, विषाक्त विलायक की मात्रा की आवश्यकता होती है जिसे बड़ी सतहों पर लागू करना मुश्किल होता है। इस समस्या को हल करने के लिए, फ्लैश इन्फ्रारेड एनीलिंग (FIRए) नामक एक एंटीसॉल्वेंट-फ्री और रैपिड थर्मल एनीलिंग प्रक्रिया का उपयोग अत्यधिक क्रिस्टलीय पेरोवस्काइट फिल्मों का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। फिरा ओवन 3,000 किलोवाट/एम2की रोशनी शक्ति के साथ निकट अवरक्त हैलोजन लैंप की एक सरणी से बना है। एक खोखला एल्यूमीनियम शरीर एक प्रभावी पानी ठंडा प्रणाली सक्षम बनाता है। FIRा विधि 2 एस से कम समय में पेरोवस्काइट फिल्मों के संश्लेषण की अनुमति देती है, जो क्षमता और जीटी;20% को प्राप्त करती है। FIRA उद्योग के लिए एक अद्वितीय क्षमता है क्योंकि यह निरंतर प्रसंस्करण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, एंटीसॉल्वेंट मुक्त है, और लंबे, घंटे भर के एनीलिंग चरणों की आवश्यकता नहीं है ।

Introduction

2009 में अपनी स्थापना के बाद से, लीड हैलाइड पेरोवस्काट्स पर आधारित सौर कोशिकाओं ने अभूतपूर्व विकास का प्रदर्शन किया है, जिसमें बिजली रूपांतरण क्षमता (पीसीई) विकास के एक दशक में 3.8%1 से25.2% 2 तक बढ़ रही है। हाल ही में, पॉलीथीन टेरेफ्थेलेट (पीईटी) जैसे लचीले सब्सट्रेट्स पर पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं (पीएससी) के विकास में भी रुचि रही है क्योंकि वे हल्के, सस्ते हैं, रोल-टू-रोल विनिर्माण के लिए लागू होते हैं और इसका उपयोग लचीलेइलेक्ट्रॉनिक्स 3,4को बिजली देने के लिए किया जा सकता है। पिछले एक दशक में, लचीले पीएससी के पीसीई में 2.62% से 19.1%5तक काफी सुधार हुआ है।

पीएससी के लिए वर्तमान प्रसंस्करण विधियों में पेरोवस्काइट अग्रदूत समाधान का जमाव, न्यूक्लियाइजेशन को प्रेरित करने के लिए क्लोरोबेंजीन जैसे एंटीसोलेंस्ट (एएस) के अलावा और अंत में सॉल्वेंट को वाष्पित करने और वांछित आकृति विज्ञान6,7,8,9में पेरोवस्काइट के क्रिस्टलीकरण को बढ़ावा देने के लिए थर्मल एनीलिंग शामिल है। इस विधि को कार्बनिक सॉल्वेंट (~ 100 माइक्रोन प्रति 2 x 2 सेमी सब्सट्रेट) की मध्यम मात्रा की आवश्यकता होती है जिसे आमतौर पर पुनः दावा नहीं किया जाता है, बड़े क्षेत्र के सब्सट्रेट्स पर लागू करना मुश्किल होता है और हमेशा प्रजनन योग्य नहीं होता है। इसके अतिरिक्त, पेरोवस्काइट परत को 120 मिनट तक के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग की आवश्यकता होती है, जबकि मेसोपोरस-टीओ2 इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्टिंग लेयर को कम से कम 30 मिनट के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर सिंटरिंग की आवश्यकता होती है, जो न केवल एक बड़ी इलेक्ट्रॉनिक लागत और पीएससी के अंतिम अपस्केलिंग में एक संभावित अड़चन की ओर जाता है, बल्कि लचीले सब्सट्रेट्स के साथ भी असंगत है जो आमतौर पर ≥250 डिग्री सेल्सियस10, 11,12पर हीटिंग को बनाए नहीं रख सकता है। इसलिए, इस प्रौद्योगिकी के3, 13,14के व्यावसायीकरण के लिए वैकल्पिक विनिर्माण विधियों का पता लगाया जाना चाहिए ।

फ्लैश इन्फ्रारेड एनीलिंग, जो पहले 201511में रिपोर्ट किया गया था, कॉम्पैक्ट और दोष-सहिष्णु पेरोवस्काइट और धातु ऑक्साइड पतली फिल्मों के संश्लेषण के लिए एक कम लागत, पर्यावरण के अनुकूल और तेजी से विधि है जो एंटीसॉल्वेंट की आवश्यकता को समाप्त करती है और लचीले सबस्ट्रेट्स के साथ संगत है। इस विधि में, हौसले से स्पिन-लेपित पेरोवस्काइट फिल्में निकट-आईआर विकिरण (700-2,500 एनएम, 1,073 एनएम पर बढ़ता जा रहा है) के संपर्क में आती हैं। टीओ2 और पेरोवस्काइट दोनों में इस क्षेत्र में कम अवशोषण है, जबकि एफटीओ एक मजबूत एनआईआर अवशोषक है और तेजी से गर्म होता है, विलायक को वाष्पित करता है और परोक्ष रूप से सक्रिय सामग्री11,15को एनीलिंग करता है। एक छोटी 2 एस पल्स एफटीओ सब्सट्रेट को 480 डिग्री सेल्सियस तक गर्म कर सकती है, जबकि पेरोवस्काइट ~ 70 डिग्री सेल्सियस पर बनी हुई है, जो सब्सट्रेट में क्रिस्टल के सॉल्वेंट और पार्श्व विकास के ऊर्ध्वाधर वाष्पीकरण को बढ़ावा देती है। बाहरी मामले से ठंडा होने के माध्यम से गर्मी जल्दी से नष्ट हो जाती है, और सेकंड के भीतर, कमरे का तापमान पहुंच जाता है।

नाभिक और क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाएं, और इस प्रकार फिल्म की अंतिम आकृति विज्ञान, पल्स लंबाई, आवृत्ति और तीव्रता जैसे फिरा मापदंडों के माध्यम से भिन्न हो सकती है, जिससे अधिक प्रजनन योग्य और नियंत्रणीय क्रिस्टल विकास16हो सकता है। समय-सीमित नाभिक को मानते हुए, नाड़ी की लंबाई नाभिक घनत्व निर्धारित करती है जबकि नाड़ी की तीव्रता क्रिस्टलीकरण के लिए प्रदान की गई ऊर्जा को निर्धारित करती है। अपर्याप्त ऊर्जा के परिणामस्वरूप अपूर्ण सॉल्वेंट वाष्पीकरण या क्रिस्टलीकरण होगा, जबकि अतिरिक्त ऊर्जा के परिणामस्वरूप पेरोवस्काइट15का थर्मल क्षरण होगा। इसलिए, इन कारकों का अनुकूलन एक सजातीय पेरोवस्काइट फिल्म के गठन के लिए महत्वपूर्ण है, जो अंतिम डिवाइस के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रभावित कर सकता है।

एएस विधि की तुलना में, फिरा में धीमी नाभिक और तेज क्रिस्टल वृद्धि होती है, जिससे बड़े क्रिस्टलीय डोमेन (एएस के लिए ~ 200 एनएम)16के लिए बड़ा क्रिस्टलीय डोमेन (~ 40 माइक्रोन) होता है। निचले नाभिक की दरनाड़ी 15की अवधि के अनुसार कम अतिसतर्कता या सीमित नाभिक चरण के कारण हो सकती है . हालांकि, अनाज के आकार में अंतर चार्ज वाहक गतिशीलता और जीवनकाल (गतिशीलता ~ 15 सेमी2/एएसके लिए बनाम और ~ 19 सेमी2/एफआईएके लिए बनाम)17 को प्रभावित नहीं करता है और इसी तरह के संरचनात्मक और ऑप्टिकल गुणों के साथ फिल्मों को देता है, जैसा कि एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) और फोटोल्यूमिनेसेंस (पीएल)12द्वारा मापा जाता है । वास्तव में, रिपोर्टों से पता चलता है कि अनाज की सीमाओं पर दबा हुआ पेरोवस्काइट क्षरण के कारण अनाज का बड़ा आकार अनुकूल है4. कॉम्पैक्ट, दोष-सहिष्णु, और अत्यधिक क्रिस्टलीय पेरोवस्काइट फिल्मों का गठन दोनों तरीकों के साथ किया जा सकता है, जो डिवाइस को >20% पीसीई18के साथ दे रहा है।

इसके अतिरिक्त, एंटीसॉल्वेंट का उन्मूलन और घंटों से सेकंड तक एनीलिंग समय में कमी इसे अधिक लागत प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल बनाती है। इस विधि के साथ, एक क्रिस्टलीय मेसोस्कोपिक-टीओ2 परत भी निर्मित की जा सकती है, जिससे ऊर्जा-गहन सिंटरिंग चरण (30 मिनट के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर, कुल 1-3 घंटे) को कम करके सिर्फ 10 मिनट16,18तक कम किया जा सकता है। टीओ2 इस विधि की विविधताओं का उपयोग करके पहले भी सूचित किया गया है19,20 ,21,22. नतीजतन, एक घंटे से भी कम समय में एक पूरी पीएससी गढ़ी जा सकती है। यह विधि औद्योगिक अपस्केलिंग और व्यावसायीकरण के साथ भी संगत है क्योंकि इसे तेजी से और सिंक्रोनाइज्ड थ्रूपुट उत्पादन15के लिए बड़े क्षेत्र के जमाव और रोल-टू-रोल प्रसंस्करण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। इसके अलावा, पानी को ठंडा करने प्रणाली तेजी से गर्मी अपव्यय की अनुमति देता है, यह ऐसे पीईटी के रूप में लचीला सब्सट्रेट्स पर उपकरणों के निर्माण के लिए उपयुक्त बना रही है ।

FIRA का उपयोग किसी भी गीली, पतली फिल्म के लिए किया जा सकता है जिसे एक साधारण समाधान प्रक्रिया के माध्यम से जमा किया जा सकता है और 1,000 डिग्री सेल्सियस तक विभिन्न तापमानों पर सघन किया जा सकता है। मापदंडों को इस तरह अनुकूलित किया जा सकता है कि वांछित आकृति विज्ञान में क्रिस्टल बनते हैं। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग ग्लास और पीईटी12, 15, 18पर विभिन्न पेरोवस्काइटरचनाओंके संश्लेषण के साथ-साथ ग्लास पर मेसोस्कोपिक-टीओ2 लेयर के संश्लेषण के लिए किया गया है, जो 20% पीसीई18के उपकरण दे रहा है। यह तापमान के खिलाफ चरण विकास के अध्ययन के लिए भी अनुमति देता है, क्योंकि ओवन और सब्सट्रेट सतह के तापमान को क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया16, 17का तापमान प्रोफ़ाइल देने के लिए मापाजाताहै।

यह पेपर सबसे पहले एक कॉम्पैक्ट, दोष-सहिष्णु, और सजातीय पेरोवस्काइट (एमएपीबीआई3)फिल्म को संश्लेषित करने के लिए एनीलिंग मापदंडों के अनुकूलन के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रोटोकॉल पर चर्चा करता है, जो एक साथ तापमान/पल्स समय के खिलाफ पेरोवस्काइट आकृति विज्ञान विकास में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। दूसरे, एफआईआर-एनील्ड मेसोस्कोपिक-टीओ2 और पेरोवस्काइट परतों के साथ पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं के प्रसंस्करण के लिए एक प्रोटोकॉल पर चर्चा की गई है। इस अध्ययन के लिए, फॉर्मामिडिनियम (80%), सीज़ियम (15%), और ग्वानिडिनियम (5%) cations का उपयोग किया गया था (यहां चिह्नित एफसीजी), और एक टेट्राबुटिल अमोनियम आयोडाइड (TBAI) के बाद उपचार किया गया था। इसलिए, इस पत्र का उद्देश्य फिरा विधि की बहुमुखी प्रतिभा, पारंपरिक एंटीसॉल्वेंट विधि पर इसके फायदे और पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं20, 21, 22के अंतिम व्यावसायीकरण में लागू होने की क्षमता को प्रदर्शित करनाहै।

इस प्रोटोकॉल को 4 वर्गों में विभाजित किया गया है: 1) एफटीओ ग्लास 3 पर एमएपीबीआई3 पेरोवस्काइट फिल्म के अनुकूलन और संश्लेषण के लिए फिरा ओवन 2 के संचालन का सामान्य विवरण) एफसीजी पेरोवस्काइट सौर कोशिकाओं की प्रसंस्करण और 4) आईटीओ-पीईटी पर एमएपीबीआई3 फिल्मों का संश्लेषण।

Protocol

1. फिरा ओवन का संचालन

नोट: FIRA ओवन की एक योजनाबद्ध, घर में विकसित, चित्रा 1Aमें दिखाया गया है । फिरा ओवन छह के पास अवरक्त हैलोजन लैंप (१,०७३ एनएम की तरंग दैर्ध्य पर पीक उत्सर्जन) की एक सरणी से बना है ३,० किलोवाट/m2 की रोशनी शक्ति और ९,६०० किलोवाट की कुल उत्पादन शक्ति के साथ । एक खोखला एल्यूमीनियम शरीर एक प्रभावी पानी-शीतलन प्रणाली प्रदान करता है और यह बदले में तेजी से थर्मल ऊर्जा अपव्यय (सेकंड के भीतर) की अनुमति देता है। यह एक नाइट्रोजन दस्ताने में रखा जाता है, और एन2 लगातार एक गैस इनलेट के माध्यम से चैंबर के माध्यम से प्रवाहित करने के लिए यह एक निष्क्रिय वातावरण के तहत रखने के लिए, annealing के दौरान छोड़कर । ऑक्सीकरण को बढ़ावा देने के लिए मेटल ऑक्साइड फिल्मों को एनीलिंग करते समय ओ2 भी पेश किया जा सकता है ।

Figure 1
चित्रा 1: (A) योजनाबद्ध दिखा पार FIRA ओवन के अनुभाग । ओवन चैंबर लगातार मामले के माध्यम से बह पानी से ठंडा है और एक एन2 वातावरण के तहत रखा । (ख) फिरा ओवन की तस्वीर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: FIRA सॉफ्टवेयर का इंटरफेस। बाईं ओर पैनल तापमान प्रोफ़ाइल दिखाता है, जो सेट पॉइंट (इनपुट प्रोग्राम), ओवन तापमान और पायरोमीटर (सब्सट्रेट सतह) तापमान प्रदर्शित करता है। वांछित एनीलिंग कार्यक्रम दाईं ओर मेज पर इनपुट किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

  1. एनीलिंग चक्रों की प्रोग्रामिंग
    1. फिरा ओवन को कंप्यूटर से कनेक्ट करें, जिसमें से इसे इन-हाउस सॉफ्टवेयर पर गाइड यूजर इंटरफेस(चित्रा 2) केमाध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है। प्रयोग के आधार पर, पूर्ण शक्ति मोड या पीआईडी (आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न) मोड का चयन करें। पूर्ण शक्ति मोड में, आईआर लैंप या तो पूरी तरह से चालू या बंद हैं, जबकि पीआईडी मोड में, ओवन तीव्रता मॉड्यूलेशन द्वारा एक निश्चित समय के लिए एक विशिष्ट तापमान पर आयोजित किया जाता है।
    2. सुनिश्चित करें कि तालिका का चयन टेबल/मैनुअल टॉगल पर किया जाता है और एक टाइमबेस इनपुट किया जाता है जो एनीलिंग और कूलिंग प्रक्रियाओं की कुल अवधि से अधिक लंबा होता है।
    3. पूर्ण शक्ति मोड:इनपुट उस समय जिस पर लैंप इंटरफ़ेस के दाईं ओर टेबल में या बंद होना चाहिए। इस तरह, एकल दालों के साथ-साथ एनीलिंग चक्रों को प्रोग्राम किया जा सकता है, जिससे पल्स की लंबाई और आवृत्ति का नियंत्रण हो सकता है। यह उन फिल्मों के लिए उपयुक्त है जिन्हें तेजी से एनील्ड किया जा सकता है, या सब्सट्रेट्स के लिए जो निरंतर हीटिंग बर्दाश्त नहीं कर सकते हैं (उदाहरण के लिए, पेरोवस्काइट फिल्मों के लिए ~ 1.5-2 एस)।
    4. पीआईडी मोड:उस समय और तापमान को इनपुट करें जिस पर ओवन को तालिका में विकिरणित किया जाना चाहिए। पारंपरिक हॉटप्लेट के कार्य सिद्धांत के समान, हीटिंग स्रोत की तीव्रता को संग्राहक किया जा सकता है। यह उन फिल्मों के लिए उपयुक्त है जिन्हें आमतौर पर लंबे समय तक एनीलिंग समय की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, TBAI के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर 15 मिनट)।
    5. डेटा अधिग्रहण:प्रोफाइल पर राइट-क्लिक करके .txt या स्प्रेडशीट फ़ाइल के रूप में इंटरफ़ेस के बाईं ओर प्रदर्शित तापमान प्रोफ़ाइल डाउनलोड करें और फिर निर्यात फ़ाइलपर क्लिक करें।
      नोट: सॉफ्टवेयर का उपयोग डेटा अधिग्रहण और सिस्टम नियंत्रण दोनों के लिए किया जाता है, जहां प्राप्त मुख्य कच्चा डेटा तापमान प्रोफ़ाइल है। तापमान प्रोफ़ाइल(चित्रा 2)पर, इनपुट प्रोग्राम "सेट पॉइंट" द्वारा दर्शाया जाता है। ओवन तापमान (एक कश्मीर प्रकार थर्मोकपल द्वारा मापा) और सब्सट्रेट तापमान (एक पायरोमीटर द्वारा अनुमानित) वास्तविक समय में प्रदर्शित कर रहे हैं, पतली फिल्म क्रिस्टलीकरण की स्थिति में अंतर्दृष्टि दे रही है । कृपया ध्यान दें कि ओवन तापमान पारंपरिक गर्म प्लेट तापमान के साथ सीधे पैमाने पर नहीं है के रूप में थर्मोकपल भी सीधे आईआर विकिरण के संपर्क में है । बल्कि, यह विभिन्न FIRA एनीलिंग मापदंडों के बीच तुलना के लिए एक संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है।
  2. सामान्य एनीलिंग प्रक्रिया
    1. एक उपयुक्त समाधान प्रक्रिया के माध्यम से अग्रदूत जमा करें: स्पिन-कोटिंग26,डिप-कोटिंग27,या डॉक्टर-ब्लैडिंग28।
    2. सब्सट्रेट्स को फिरा ओवन चैंबर में ट्रांसफर करें और ओवन के ढक्कन को बंद करें। सुनिश्चित करें कि गैस इनलेट वाल्व को बंद करके कक्ष में नाइट्रोजन प्रवाह बंद कर दिया गया है।
    3. स्टार्ट टेबल और स्टॉप टेबल पर कंप्यूटर पर क्लिक करके एनीलिंग शुरू करें और बंद करें। वैकल्पिक रूप से, फिरा ओवन को एक फुट पेडल से कनेक्ट करें, जिसका उपयोग कार्यक्रम को शुरू करने और रोकने के लिए भी किया जा सकता है। नतीजतन, ग्लोवबॉक्स से किसी के हाथों को हटाए बिना एनीलिंग किया जा सकता है, जिससे बहुत चिकनी और सिंक्रोनाइज्ड प्रक्रिया की अनुमति होती है।
    4. जब ओवन का तापमान कमरे के तापमान तक पहुंचता है, तो ओवन कक्ष से सब्सट्रेट्स को हटा दें।

2. एमएपीबीआई3 पेरोवस्काइट फिल्म संश्लेषण और एफटीओ ग्लास पर अनुकूलन

  1. पेरोवस्काइट समाधान तैयारी
    1. निर्जल डीएमएफ में मेथलाम्मोनियम आयोडाइड को भंग करें: 1.9 एम समाधान प्राप्त करने के लिए डीएमएसओ 2:1 v/v।
    2. समाधान के लिए पीबीआई2 की एक सममोलतार राशि जोड़ें और निर्जल डीएमएफ के साथ पतला करें: DMSO 2:1 v/v 1.4 एम मेथिलममोनियम लीड आयोडाइड अग्रदूत समाधान देने के लिए। पूर्ण विघटन और कमरे के तापमान के लिए शांत होने तक 80 डिग्री सेल्सियस पर गर्मी।
      नोट: समाधान तैयार किया जाता है और एक आर्गन ग्लोवबॉक्स में संग्रहीत किया जाता है। यहां प्रोटोकॉल को रोका जा सकता है।
  2. पेरोवस्काइट फिल्म संश्लेषण
    1. 1.7 सेमी x 2.5 सेमी के एफटीओ कोटेड ग्लास सब्सट्रेट्स का उपयोग करें।
    2. साबुन की सफाई में लगातार सोनीफिकेशन के माध्यम से सब्सट्रेट्स को साफ करें (डिओनाइज्ड एच 2 ओ में2वोल%), एसीटोन और इथेनॉल 15 मिनट के लिए प्रत्येक, फिर उन्हें संकुचित हवा के साथ सुखाएं।
    3. 15 मिनट के लिए प्लाज्मा क्लीनर में यूवी/ओजोन के तहत सब्सट्रेट्स का इलाज करें ।
    4. धारा 1.1 के अनुसार वांछित एनीलिंग कार्यक्रम इनपुट करें।
    5. धूल और अन्य अशुद्धियों को दूर करने के लिए एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ सब्सट्रेट सतह को उड़ाएं।
    6. स्पिन-कोट 50 माइक्रोन पेरोवस्काइट अग्रदूत 10 एस के लिए 4,000 आरपीएम पर, 2000 आरपीएम-1के त्वरण के साथ।
    7. बयान के तुरंत बाद, सब्सट्रेट को वांछित के रूप में पल्स समय की एक श्रृंखला पर एनीलिंग के लिए फिरा ओवन में स्थानांतरित करें (0-7 एस यहां उपयोग किया जाता है, अनुकूलित पल्स 2 एस है)। सॉफ्टवेयर पर स्टार्ट दबाकर या पैर पेडल पर कदम रखकर इनपुट एनीलिंग प्रोग्राम शुरू करें। पीले से काले रंग में एक रंग परिवर्तन देखा जाना चाहिए, जो 3 डी पेरोवस्काइट संरचना के गठन का संकेत देता है।
    8. ओवन का तापमान 25 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने पर सब्सट्रेट निकालें।
    9. एनील्ड फिल्मों को ड्राई एयर बॉक्स में स्टोर करें।
      नोट: फिरा ओवन और स्पिन-कोटर को एक ही नाइट्रोजन ग्लोवबॉक्स में रखा जाता है ताकि समाधान जमाव और एनीलिंग को सुचारू रूप से और एक निष्क्रिय वातावरण के तहत किया जा सके।
  3. सामग्री चरित्र चित्रण
    1. एक क्सीनन प्रकाश स्रोत और 10x और 50x के असीम रूप से सही उद्देश्यों से लैस ध्रुवीकरण माइक्रोस्कोप पर ऑप्टिकल छवियों को कैप्चर करें।
    2. माइक्रोस्कोप सेट-अप में एकीकृत ऑप्टिकल फाइबर के साथ एक साथ अवशोषित स्पेक्ट्रा रिकॉर्ड करें और एक स्पेक्ट्रोमीटर (स्पेक्ट्रल रेंज 300-1,100 एनएम) से जुड़े हुए हैं।
      नोट: उपरोक्त लक्षण वर्णन एनीलिंग के तुरंत बाद किया जा सकता है, जिससे फिल्म की गुणवत्ता की तेजी से स्क्रीनिंग की अनुमति मिलती है। माप परिवेश हवा और तापमान में लिया जाता है। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और एक्स-रे विवर्तन को स्कैन करने जैसे अधिक गहराई से लक्षण वर्णन बाद में किया जा सकता है (धारा 3.7 देखें)।

3. एफसीजी पेरोवस्काइट सौर सेल प्रसंस्करण

  1. सब्सट्रेट तैयारी और सफाई
    1. एफटीओ ग्लास के एक तरफ जेडएन पाउडर और 4 एम एचसीएल के साथ सब्सट्रेट्स।
    2. 30 मिनट के लिए साबुन (डिओनाइज्ड एच 2 ओ में 2 वॉल्यूम%) और 15 मिनट के लिए आइसोप्रोपैनॉल और कंप्रेस्ड हवा के साथ सूखी सफाई साबुन (डिओनाइज्ड एच 2 ओ में2वॉल्यूम%) के माध्यम से साफ सब्सट्रेट्स।
    3. 5 मिनट के लिए प्लाज्मा क्लीनर में यूवी/ओजोन के तहत इलाज करें।
  2. कॉम्पैक्ट टीओ2 लेयर
    1. हीट एफटीओ ग्लास सिंटरिंग हॉट प्लेट पर 450 डिग्री सेल्सियस तक सब्सट्रेट्स और समाधान जमाव से पहले उन्हें 15 मिनट तक इस तापमान पर रखें।
    2. प्रीकर्कोर समाधान देने के लिए एटोह के 9 एमएल में टाइटेनियम डायसोपोऑक्साइड बीआईएस (एसिटिलासेटोनेट) का पतला 0.6 एमएल और एसिटिलासेटोन का 0.4 एमएल।
    3. 45 डिग्री पर वाहक गैस (0.5 बार) और ~ 20 सेमी की दूरी के रूप में ऑक्सीजन के साथ स्प्रे पायरोलिसिस के माध्यम से समाधान जमा करें। प्रत्येक छिड़काव चक्र के बीच 20 एस का अंतराल छोड़ दें।
    4. सब्सट्रेट्स को 5 मिनट अधिक के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर छोड़ दें, फिर कमरे के तापमान को ठंडा करें। यह~30 एनएम की कॉम्पैक्ट टीओ 2 लेयर देता है।
      नोट: प्रोटोकॉल यहां रोका जा सकता है । यदि अगला कदम तुरंत नहीं किया जाता है, तो मेसोपोरस-टीओ2 परत के जमाव से पहले 30 मिनट के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर सब्सट्रेट को फिर से सिंटर करें।
  3. मेसोपोरस-टीओ2 लेयर
    1. 75 मिलीग्राम/एमएल की एकाग्रता पर एटोह में टीओ2 पेस्ट (कण आकार 30 एनएम) को कमजोर करके एक अग्रदूत समाधान बनाएं। पूर्ण विघटन तक एक चुंबकीय उभारक बार के साथ समाधान हिलाओ।
    2. स्पिन-कोट 10 एस के लिए 4,000 आरपीएम पर समाधान का 50 माइक्रोन, 2,000 आरपीएम-1के रैंप के साथ।
    3. कार्यक्रम 10 दालों का एक एनीलिंग चक्र, 15 एस पर और ४५ सॉफ्टवेयर पर मेज में बंद एस ।
    4. सब्सट्रेट्स को फिरा ओवन में रखें, और स्टार्ट टेबल दबाकर या पैर पेडल पर कदम रखकर उपरोक्त एनीलिंग चक्र के साथ पूर्ण शक्ति मोड के तहत एनील रखें। इससे 150-200 एनएम की परत होती है।
    5. ओवन का तापमान 25 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने पर नमूनों को हटा दें।
      नोट: सुनिश्चित करें कि ओवन एनीलिंग शुरू करने से पहले कमरे के तापमान पर या नीचे है। उपरोक्त चक्र के साथ, ओवन का तापमान एनीलिंग के दौरान ~ 600 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है।
  4. पेरोवस्काइट परत
    1. निर्जल डीएमएफ में फॉर्मामिडिनियम आयोडाइड (1.12 एम), पीबीआई2 (1.4 एम), सीएसआई (0.21 एम) और गाई (0.07 एम) का समाधान करें: डीएमएसओ 2:1 वी/वी।
    2. स्पिन-कोट 10 एस के लिए 4,000 आरपीएम पर समाधान का 40 माइक्रोल।
    3. सॉफ्टवेयर पर पूर्ण शक्ति मोड पर 1.6 एस का एक एनीलिंग चरण प्रोग्राम करें (यह ~ 90 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचता है)।
    4. सब्सट्रेट को फिरा ओवन में स्थानांतरित करें और स्टार्ट टेबल दबाकर या पैर पेडल पर कदम रखकर एनीलिंग शुरू करें। सतह पीले से काले रंग में बदलनी चाहिए।
    5. हटाने से पहले ठंडा करने के लिए एक अतिरिक्त 10 एस के लिए ओवन में नमूनों को छोड़ दें ।
  5. टेट्राबुटिल अमोनियम आयोडाइड (TBAI) उपचार के बाद (वैकल्पिक)
    1. आइसोप्रोपैनॉल के 1 एमएल में 3 मिलीग्राम टेट्राब्यूटिल अमोनियम आयोडाइड घोलें।
    2. स्पिन-कोट 20 एस के लिए 4,000 आरपीएम पर समाधान।
    3. पीआईडी मोड का उपयोग करके 15 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एक एनीलिंग चरण प्रोग्राम करें।
    4. उपरोक्त कार्यक्रम के साथ सब्सट्रेट को फिरा ओवन और एनील में स्थानांतरित करें। अगले चरण से पहले 25 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करें।
  6. होल परिवहन सामग्री और शीर्ष इलेक्ट्रोड
    1. क्लोरोबेजेन (70 mM) में स्पाइरो-ओमेटाडी को भंग करें और 4-टर्ट-ब्यूटिलपिरिटीन (एचबीपी), लिथियम बीआईएस (ट्राइफ्लोरोमेथाइलसल्फोनिल) इमाइड) (ली-टीएफएसआई, जोड़ें एसीटोनीट्रील में 1.8 एम) और ट्रिस (2-(1H-pyrazol-1-yl) -4-tert-butylpyridine)-कोबाल्ट (III) Tris (बाइ (trifluoromethylsulfonyl) imide) (FK209, एसीटोनीट्रील में 0.25 एम) इस तरह कि स्पाइरो-ओमेटाडी के संबंध में एडिटिव्स का मोलर अनुपात 3.3 है, 0.5, और क्रमशः टीएमबीपी, ली-टीएफएसआई और एफके 209 के लिए 0.03।
    2. गतिशील स्पिन-कोटिंग के तहत 20 एस के लिए 4,000 आरपीएम पर समाधान के 50 माइक्रोन जमा करें, कार्यक्रम की शुरुआत के बाद समाधान 3 एस जोड़ते हैं।
    3. इसे एक सूखी हवा के बक्से में रात भर ऑक्सीकरण करने के लिए छोड़ दें।
    4. वैक्यूम के तहत थर्मल वाष्पीकरण के माध्यम से सोने की 80 एनएम जमा करें। इलेक्ट्रोड पैटर्न करने के लिए एक छाया मुखौटा का प्रयोग करें।
  7. फोटोवोल्टिक डिवाइस परीक्षण और सामग्री लक्षण वर्णन
    1. एक क्सीनन आर्क लैंप और एक डिजिटल स्रोत मीटर से लैस सौर सिम्युलेटर का उपयोग करके फोटोवोल्टिक माप लें। एक काले, गैर चिंतनशील धातु मुखौटा (0.1024 सेमी2 यहां इस्तेमाल के साथ डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र निर्दिष्ट) । एएम 1.5 जी विकिरण के तहत 10 एमवी/एस स्कैन दर पर रिवर्स और फॉरवर्ड पूर्वाग्रह के तहत वर्तमान वोल्टेज घटता को मापें।
    2. क्यू α विकिरण और एक नी β फिल्टर का उपयोग करके, प्रतिबिंब-स्पिन मोड में एक डिफ्रैक्टोमीटर के साथ एक्स-रे विवर्तन पैटर्न लें।
    3. 3 केवी के त्वरण वोल्टेज पर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवियां लें।

4. आईटीओ-पीईटी सब्सट्रेट पर एमएपीबीआई3 फिल्में

  1. 1.7 सेमी x 2.5 सेमी के टुकड़ों में आईटीओ-पीईटी और माइक्रोस्कोप ग्लास स्लाइड काटें।
  2. स्टेप्स 2.2.2-2.2.3 के अनुसार ग्लास स्लाइड और आईटीओ-पीईटी को साफ करें।
  3. आईटीओ को दो तरफा टेप के साथ ग्लास स्लाइड पर सब्सट्रेट्स अटैच करें, यह सुनिश्चित करते हुए कि वे जितना संभव हो उतना सपाट हैं।
  4. धारा2.1 में वर्णित एमएपीबीआई 3 अग्रदूत तैयार करें। स्पिन-कोटिंग से पहले एन2 बंदूक के साथ सब्सट्रेट सतह को उड़ाएं और फिल्म को फिरा के साथ एनलिंग करें, चरण 2.2.5-2.2.8 के अनुसार, 1.7 एस के पल्स समय के साथ।
  5. धारा 2.3 और 3.7 में वर्णित सामग्री लक्षण वर्णन करें।

Representative Results

एफटीओ ग्लास पर एमएपीबीआई3फिल्मों का अनुकूलन और संश्लेषण
पेरोवस्काइट फिल्म की गुणवत्ता का आकलन करने के लिए, माइक्रोस्कोप छवियां, एक्स-रे विवर्तन, और अवशोषण स्पेक्ट्रा लिया गया था। इष्टतम नाड़ी समय बड़े क्रिस्टल अनाज के साथ एक कॉम्पैक्ट, वर्दी, और पिनहोल मुक्त फिल्म उपज चाहिए । चित्रा 3 0 एस सेलेकर 7 एस तक पल्स समय पर एमएपीबीआई 3 फिल्मों की ऑप्टिकल छवियों को दिखाता है, जबकि चित्रा 4 चुनिंदा पल्स समय पर फिल्मों के एक्सआरडी स्पेक्ट्रा को दिखाता है । ये पल्स टाइम्स विभिन्न लक्षणों के आधार पर मनाए गए चार अलग-अलग पेरोवस्काइट चरणों की सीमाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं। पल्स समय और तापमान के एक समारोह के रूप में चरण विकास चित्रा 5में दिखाया गया है, और दोनों FIRA और एंटीसॉल्वेंट तरीकों द्वारा गठित फिल्मों के शीर्ष दृश्य SEM छवियों की तुलना पूरक जानकारी S1 में पाए जाते हैं । सभी दालों और इसी अवशोषण स्पेक्ट्रा के लिए XRD पैटर्न पूरक जानकारी S2 और S3 में पाए जाते हैं। 0 से 1.6 एस तक की दालों ने सुई जैसे क्रिस्टल या छोटे क्रिस्टलीय डोमेन को गैर-क्रिस्टलीय चरणों से अलग किया, जैसा कि 2θ = 6.59, 7.22 और 9.22 डिग्री29पर अग्रदूत चोटियों से सबूत है। 1.8 से 3.8 दालों के लिए, अच्छी तरह से परिभाषित क्रिस्टल अनाज का गठन किया गया था, और XRD पैटर्न MAPbI 3 टेट्रागोनल I4/mcm चरण केगठन से पता चला। यह भी 780 एनएम के अवशोषण शुरुआत से पुष्टि की है। हालांकि, लंबे समय तक पल्स के समय ने पेरोवस्काइट के थर्मल क्षरण का नेतृत्व किया, जिसमें दालों और जीटी;5 एस के लिए पूर्ण गिरावट आई, जैसा कि पीबीआई2 पीक के विकास द्वारा दिखाया गया 2θ है= 12.7 डिग्री । अनुकूलित नाड़ी 2 एस होने के लिए निर्धारित किया गया था, ~30 μm के क्रिस्टल अनाज दे रही है । इसलिए, FIRA तापमान के आधार पर नाभिक और क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाओं के व्यापक अध्ययन के लिए अनुमति देता है, जैसा कि नाड़ी समय द्वारा नियंत्रित किया जाता है। मापदंडों को विभिन्न पतली फिल्मों के लिए भी विविध और अनुकूलित किया जा सकता है, जो इस विधि की बहुमुखी प्रतिभा को दिखाता है।

Figure 3
चित्रा 3: एफटीओ ग्लास पर एमएपीबीआई3 पेरोवस्काइट फिल्मों की ऑप्टिकल छवियां, 0 एस से लेकर 7 एस तक दालों के साथ एनील्ड। सभी छवियों को ट्रांसमिशन मोड में 10x आवर्धन पर लिया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: MAPbI 3 फिल्मों के XRD स्पेक्ट्रा चयनात्मकपल्स समय पर annealed । लेबल किए गए विमान टेट्रागोनल आई4/एमसीएम चरण के प्रतिनिधि हैं। एस्टेरिस्केड चोटियां पीबीआई2से विवर्तन का प्रतिनिधित्व करती हैं, जबकि नीले आयत अग्रदूत समाधान से उन लोगों का प्रतिनिधित्व करती हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: नाड़ी लंबाई के एक समारोह के रूप में पेरोवस्काइट चरण विकास दिखा तापमान प्रोफ़ाइल। विभिन्न चरणों की सीमा संबंधित XRD विश्लेषण से निर्धारित की गई है, जो चित्र 4में दिखाया गया है। 15से अनुकूलित । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

एफसीजी पेरोवस्काइट डिवाइस
चित्रा 6ए, बी 10 दालों, 15 एस पर और 45 एस बंद के एक FIRA चक्र के साथ annealed मेसोस्कोपिक-TiO2 परत के तापमान प्रोफ़ाइल और XRD पैटर्न दिखाते हैं। FIRA के साथ, ~ 600 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंचा जा सकता है और टीओ2 परत को सिर्फ 10 मिनट में संश्लेषित किया जा सकता है, जो पारंपरिक विधि से बहुत कम है जिसके लिए 1 घंटे से 3 घंटे के लिए सिंटरिंग की आवश्यकता होती है, 450 डिग्री सेल्सियस पर बढ़ता जा रहा है। जिसके परिणामस्वरूप फिल्म एक गर्म थाली पर है कि sintered करने के लिए कोई प्रत्यक्ष अंतर से पता चलता है । नतीजतन, पूरे पेरोवस्काइट सौर सेल को एक घंटे से भी कम समय में संसाधित किया जा सकता है। क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवि(चित्रा 6 सी)से पता चलता है कि बाद में गढ़े गए उपकरण पारंपरिक तरीकों के माध्यम से बनाए गए लोगों के समान हैं, समान मोटाई और आकृति विज्ञान की परतों के साथ। इसके अतिरिक्त, FIRA-प्रसंस्कृत उपकरणों ने उत्कृष्ट प्रदर्शन(चित्रा 7) दिखाया,जिसमें चैंपियन डिवाइस पीसीई = 20.1%, एफएफ = 75%, वीओसी = 1.1 वी, और जेएससी = 24.4 एमए/सेमी2,एंटीसोलवेंट विधि के साथ निर्मित उपकरणों के बराबर दिखा। 1.4 सेमी2 सक्रिय क्षेत्र के साथ एक बड़े क्षेत्र डिवाइस ने पीसीई को 17% का भी दिया, जो दिखा रहा है कि FIRA पीएससी के निर्माण के लिए एक आशाजनक वैकल्पिक प्रसंस्करण विधि है।

Figure 6
चित्रा 6: (A)फिरा में मेसोपोरस टीओ2 एनीलिंग का तापमान प्रोफाइल, 15 एस ऑन और 45 एस ऑफ की 10 दालों का चक्र के साथ।(बी)टीओ2 फिल्मों के लिए एक्स-रे पैटर्न एक हॉटप्लेट और फिरा के साथ, और संदर्भ के रूप में एक खाली FTO सब्सट्रेट के साथ । (ग)पेरोवस्काइट सौर सेल आर्किटेक्चर की क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवियां, जो फिरा और एंटीसॉल्वेंट द्वारा संसाधित हैं। 18से अनुमति के साथ पुन: पेश किया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्रा 7: चैंपियन एफसीजी पेरोवस्काइट उपकरणों के लिए वर्तमान-वोल्टेज वक्र। (A)फिरा-एनील्ड मेसोपोरस-टीओ2 और पेरोवस्काइट लेयर्स । (ख)बड़े क्षेत्र (1.4 सेमी2)डिवाइस के साथ FIRA-annealed mesoporous-TiO2 और perovskite परतों । 18से अनुमति के साथ पुन: पेश किया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

आईटीओ-पीईटी पर एमएपीबीआई3 फिल्में

चित्रा 8 में एमएपीबीआई की ऑप्टिकल इमेज3 फिल्मों को 1 एस से लेकर 2 एस तक दालों पर दिखाया गया है । नाड़ी के छोटे समय में, अधूरा क्रिस्टलीकरण होता है, जबकि पल्स समय और 1.7 एस पर, पीईटी सब्सट्रेट पिघलना शुरू होता है (पूरक चित्रा 4देखें)। पेरोवस्काइट का थर्मल क्षरण 2 एस पल्स के लिए भी मनाया जाता है। 1.7 एस के अनुकूलित पल्स समय पर, ~ 15 माइक्रोन के घनी पैक क्रिस्टल डोमेन देखे गए। यद्यपि 1-2 माइक्रोन के छोटे पिनहोल हैं, यह स्पष्ट है कि फिरा का उपयोग इस मामले से तेजी से ठंडा होने के कारण सब्सट्रेट पिघलने के बिना लचीले पॉलिमर पर कॉम्पैक्ट और एक समान पेरोवस्काइट फिल्म बनाने के लिए किया जा सकता है, जो हॉटप्लेट एनीमलिंग की तुलना में एक महत्वपूर्ण लाभ है।

Figure 8
चित्रा 8: MAPbI 3 फिल्मों की ऑप्टिकल छवियों आईटीओ-पीईटी पर विभिन्नपल्स समय पर annealed । सभी छवियों को ट्रांसमिशन मोड और 10x आवर्धन में लिया जाता है जब तक कि अन्यथा निर्दिष्ट न हो। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 1: फिरा और हॉटप्लेट एनील्ड पेरोवस्काइट फिल्मों की टॉप-व्यू एसईएम तुलना। (A)चार एनीलिंग टाइम्स के लिए FIRA-annealed perovskite फिल्मों का शीर्ष दृश्य, स्केल बार: 25 माइक्रोन।(B)एंटीसॉल्वेंट विधि द्वारा बनाई गई एक संदर्भ फिल्म का शीर्ष दृश्य इसके बाद एक मानक हॉटप्लेट, स्केल बार पर 1 घंटे के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग द्वारा पीछा कियाजाताहै, स्केल बार: 1 माइक्रोन से अनुकूलित । इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 2: एफटीओ ग्लास पर एमएपीबीआई3 फिल्मों का एक्सआरडी स्पेक्ट्रा,0-1.4 एस(बी)1.6-3 एस(सी)3.2-4.6 एस(D)4.8-7 s. कृपया इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 3: एफटीओ ग्लास पर एमएपीबीआई3 फिल्मों का अवशोषण स्पेक्ट्रा,0.2-1.8 एस(बी)2-3.6 एस(सी)3.8-7 एस की दालों के साथ एनील्ड । कृपया इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 4: एमएपीबीआई3 फिल्मों की शारीरिक उपस्थिति पीईटी पर विभिन्न पल्स लंबाई में दिखाई गई। इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 5: तापमान प्रोफ़ाइल और प्राचीन पेपर सब्सट्रेट, आईटीओ इलेक्ट्रोड, और मेसोपोरस-टीओ2 परत की टॉप-व्यू एसईएम छवियां फिरा के साथ संसाधित होती हैं। इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

पूरक चित्रा 6: एक पेपर सब्सट्रेट पर एक FIRA-annealed आईटीओ/टीओ2 स्टैक पर पेरोवस्काइट जमा (एंटीसॉल्वेंट विधि के माध्यम से) की क्रॉस-सेक्शनल एसईएम छवि। आईटीओ एनपी = आईटीओ नैनोकणों, pvk = perovskite। इस आंकड़े को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

चित्रा 9 फिरा के साथ पेरोवस्काइट फिल्म एनीलिंग की सामान्य प्रक्रिया को दर्शाता है।

Figure 9
चित्रा 9: फिरा के साथ पेरोवस्काइट फिल्म प्रसंस्करण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। गीली फिल्म को स्पिन-कोटिंग द्वारा समाधान से जमा किया जाता है और बाद में ~ 2 एस में एनीलिंग के लिए फिरा ओवन में स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे ब्लैक पेरोवस्काइट स्थिर चरण होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

समाधान से एक पतली फिल्म की ठोस प्रक्रिया में, वांछित अंतिम आकार आवेदन पर निर्भर करेगा: फोटोकैटेलिसिस, बैटरी इलेक्ट्रोड के लिए ऊर्जा उपकरणों में फिल्में, और सौर कोशिकाओं में अलग-अलग मॉर्फोलोजी30,31,32,33हो सकते हैं। इसलिए, प्रत्येक सब्सट्रेट और गीले फिल्म इंटरफेस के लिए इष्टतम मापदंडों की पहचान करना प्रोटोकॉल का पालन करने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। आमतौर पर, पीएससी के लिए हम दोषों को कम करने और शून्य गैर-रेडिएटिव पुनर्संयोजन34, 35, 36देने के लिए वाहकों के चार्ज परिवहन जैसे फोटोफिजिकल गुणों को बढ़ाने के लिए चमकदार और चिकनी फिल्में करने की उम्मीद करते हैं। पतली फिल्म प्रसंस्करण के लिए, मुख्य पैरामीटर पल्स समय, दालों की संख्या, और विकिरण तापमान हैं, जो वांछित आकृति विज्ञान बनाने के बीच एक संतुलन हैं, जबकि जितना संभव हो उतना तेज और ऊर्जा कुशल है। अपर्याप्त ऊर्जा से अपूर्ण सॉल्वेंट वाष्पीकरण या क्रिस्टलीकरण होगा, जबकि अतिरिक्त ऊर्जा सामग्री के क्षरण का कारण बन जाएगी। इसलिए, प्रत्येक पतली फिल्म/सब्सट्रेट संयोजन के लिए इष्टतम मापदंडों को खोजने के लिए व्यवस्थित रूप से एनीलिंग मापदंडों को अलग करना और परिणामी फिल्म गुणवत्ता (जैसा कि वर्ग 2.2, 2.3 और 3.7 में विस्तृत) का विश्लेषण करना महत्वपूर्ण है। एक बार यह पूरा हो गया है, पतली फिल्मों तेजी से और मज़बूती से संश्लेषित किया जा सकता है । विधि इसकी सटीकता पर निर्भर करती है, उदाहरण के लिए, न्यूनतम पल्स समय 20 एमएस है, जिससे एक क्रिस्टल विकास के लिए तापमान अनुपात को बारीक नियंत्रित करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, ऑप्टिकल और रूपात्मक स्क्रीनिंग के लिए छवियों और अवशोषण स्पेक्ट्रा के डेटा संग्रह द्वारा सहायता प्राप्त अनुकूलन के लिए एक विस्तृत खिड़की हो सकती है।

FIRA विधि अभी भी विकास में है, और, जैसा कि इसके नाम का तात्पर्य है, यह वर्तमान में आईआर विकिरण पर आधारित है । हालांकि, FIRA के नवीनतम संस्करण में एक अलग धातु-हैलाइड लैंप स्रोत से उत्पन्न यूवी-ए विकिरण शामिल है। यूवी और आईआर का उपयोग संयुक्त तरंगदैर्ध्य फोटोनिक एनीलिंग और इलाज के लिए किया जा सकता है, जो अतिरिक्त कार्यक्षमता प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, एफआईआरए के साथ सेमीकंडक्टर इलाज सब्सट्रेट्स की गीलाता में सुधार करने का एक सीधा तरीका है। इसके अतिरिक्त, क्रिस्टल विकास में बहुस्तरीय दृष्टिकोण के लिए, इस चयनात्मक तरंगदैर्ध्य एनीलिंग को सामग्री के आधार पर अनुकूलित किया जा सकता है, और नाड़ी को वांछित आकार16,32,37के आधार पर संग्राहक किया जा सकता है। वर्तमान जांच में एक आईटीओ इलेक्ट्रोड की एनीलिंग और कागज पर एक मेसोस्कोपिक-टीओ2 परत (बाद में मिश्रित आईआर/यूवी एनीलिंग का उपयोग करना, पूरक जानकारी में पूरक चित्रा 5 देखें) शामिल हैं। जैसा कि पूरक चित्रा 6में दिखाया गया है, एक पेरोवस्काइट फिल्म को फिरा-एनील्ड आईटीओ/टीओ2 स्टैक पर सफलतापूर्वक जमा किया जा सकता है । इसे भविष्य में सब्सट्रेट्स और पतली फिल्मों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू किया जा सकता है।

अब तक, FIRA विधि गीली फिल्मों की एनीलिंग तक सीमित है जिसे समाधान प्रक्रियाओं के माध्यम से जमा किया जा सकता है। यह बयान विधि की क्षमता पर निर्भर करता है, और यह विलायक इंजीनियरिंग और बहुस्तरीय विकास द्वारा संचालित होता है जो सॉल्वेंट ध्रुवीकरण के साथ समाधानों के आधार पर होता है। प्रत्येक पतली फिल्म के लिए अनुकूलन की भी आवश्यकता होती है क्योंकि यह साहित्य में पहले से सूचित प्रोटोकॉल के बिना एक उपन्यास विधि है, जो समय लेने वाली हो सकती है। इसके अतिरिक्त, हालांकि FIRA ऐसे पीईटी और कागज के रूप में लचीला सब्सट्रेट्स के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है के रूप में वहां तेजी से इस मामले से ठंडा है, सब्सट्रेट और ओवन चैंबर के बीच एक अच्छा संपर्क सब्सट्रेट पिघलने से बचने के लिए सुनिश्चित किया जाना चाहिए । यह मुश्किल हो सकता है क्योंकि प्रसंस्करण के दौरान लचीले सब्सट्रेट्स आसानी से झुक जाते हैं, लेकिन यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे पूरी तरह से फ्लैट हैं और हेरफेर की आसानी की अनुमति देने के लिए एक पतली ग्लास स्लाइड पर सब्सट्रेट्स को संलग्न करके सुधारा जा सकता है। हालांकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि फिल्म का अवशोषण गैर-अवशोषित (गीले एनआईआर-पारदर्शी पेरोवस्कार प्रीकर्मिक सामग्री) से शुष्क (एनआईआर-अवशोषित ब्लैक पेरोवस्काइट) से सामग्री संक्रमण के रूप में बदल जाएगा और यह अतिरिक्त अवशोषण सब्सट्रेट38के नुकसान में योगदान दे सकता है।

इन सीमाओं के बावजूद, FIRA अभी भी एंटीसॉल्वेंट विधि की तुलना में कई फायदे प्रस्तुत करता है। सबसे पहले, पतली फिल्मों को बहुत जल्दी संश्लेषित किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, पेरोवस्काइट & लेफ्टिनेंट;2 एस में बनता है जबकि मेसोपोरस-टीओ2 लेयर केवल 10 मिनट में बनती है, जो पारंपरिक विधि में आवश्यक घंटों की तुलना में बहुत कम है । एंटीसॉल्वेंट के उन्मूलन और छोटे एनीलिंग समय का मतलब यह भी है कि बहुत कम ऊर्जावान और वित्तीय लागत है। पेरोवस्काइट संश्लेषण प्रक्रिया के जीवन चक्र मूल्यांकन(चित्रा 10)से पता चलता है कि FIRA पर्यावरणीय प्रभाव का केवल 8% और एंटीसॉल्वेंट विधि की निर्माण लागत का 2% प्रस्तुत करता है। इसके अतिरिक्त, यह लचीला और बड़े क्षेत्र सब्सट्रेट्स के साथ संगत है। 10 x 10 सेमी2 के कुल क्षेत्र को एक समय में विकिरणित किया जा सकता है, और यह पहले ही दिखाया जा चुका है कि 1.4 सेमी2 सक्रिय क्षेत्र के साथ-साथ 100 सेमी 2 की फिल्मों के उपकरणों को इसतरह से संश्लेषित किया जा सकता है। अंत में, यह अत्यधिक प्रजनन योग्य, बहुमुखी है, और तेजी से थ्रूपुट रोल-टू-रोल विनिर्माण के लिए अनुकूलनीय है, क्योंकि एक सिंक्रोनाइज्ड और चिकनी प्रक्रिया में एक ही स्थान पर बयान और एनीलिंग कदम लगातार किए जाते हैं।

Figure 10
चित्रा 10: सापेक्ष लागत और FIRA और विरोधी विलायक जीवन चक्र मूल्यांकन द्वारा निर्धारित तरीकों के पर्यावरणीय प्रभाव की तुलना । GWP = जलवायु परिवर्तन [केजी सीओ2 eq], POP = फोटोकेमिकल ऑक्सीकरण [केजी सी2एच4 eq], एपी = एसिडिफिकेशन [केजी एसओ2 eq], CED = संचयी ऊर्जा मांग [एमजे], HTC = मानव विषाक्तता, कैंसर प्रभाव [CTUh], NC HT = मानव विषाक्तता, गैर कैंसर प्रभाव [CTUh], ET = मीठे पानी ecotoxicity [CTUe]। 12से अनुमति के साथ पुन: पेश किया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

FIRA पर वर्तमान जांच इस तरह के कागज और पीईटी के रूप में लचीला सब्सट्रेट्स पर पतली फिल्म संश्लेषण के लिए अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, साथ ही साथ इस तरह के SnO2 कॉम्पैक्ट परत, या कार्बन और आईटीओ इलेक्ट्रोड के रूप में PSCs के अंय प्रमुख घटक परतों के संश्लेषण के लिए । इसके अलावा, अगला कदम 5 सेमी2के उच्च प्रदर्शन वाले उपकरणों को बनाना है। इसलिए, यह कहा जा सकता है कि FIRA बड़े क्षेत्र, वाणिज्यिक पीएससी के निर्माण के लिए पर्यावरण के अनुकूल और लागत कुशल तरीके की ओर एक कदम का प्रतिनिधित्व करता है ।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस प्रकाशन के लिए अग्रणी परियोजना (WASP) को अनुदान समझौते नंबर 825213 के तहत यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से धन प्राप्त हुआ है।

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

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References

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पर्यावरण विज्ञान अंक 168 पेरोवस्काइट सौर सेल आईआर रैपिड थर्मल एनीलिंग पतली फिल्म प्रसंस्करण क्रिस्टलीकरण
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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).

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