Waiting
Login processing...

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

Environment

Flash infrarød annealing for Perovskite solar celle behandling

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

Vi beskriver en flash infrarød annealing metode som brukes til syntesen av perovskite og mesoscopic-TiO2 filmer. Glødeparametre er varierte og optimalisert for behandling på fluor-dopet tinnoksid (FTO) glass og indium tinnoksidbelagt polyetylen terephthalate (ITO PET), deretter gi enheter strøm konvertering effektivitet > 20%.

Abstract

Organiske-uorganiske perovskites har et imponerende potensial for utformingen av neste generasjons solceller og er for tiden vurdert for oppkalking og kommersialisering. Foreløpig perovskite solceller stole på spin-belegg som er verken praktisk for store områder eller miljøvennlig. Faktisk krever en av de konvensjonelle og mest effektive laboratorieskalametodene for å indusere perovskite krystallisering, antisolventmetoden, en mengde giftig løsningsmiddel som er vanskelig å bruke på større overflater. For å løse dette problemet kan en antisolventfri og rask termisk annealingsprosess kalt flash infrarød annealing (FIRA) brukes til å produsere svært krystallinske perovskite filmer. FIRA-ovnen består av en rekke nærinkrorøde halogenlamper med en belysningseffekt på 3000 kW/m2. En hul aluminiumskropp muliggjør et effektivt vannkjølingssystem. FIRA-metoden tillater syntese av perovskite filmer på mindre enn 2 s, og oppnår effektivitet > 20%. FIRA har et unikt potensial for bransjen fordi den kan tilpasses kontinuerlig behandling, er antisolvent-fri, og krever ikke lange, timelange glødetrinn.

Introduction

Siden starten i 2009 har solceller basert på blyhalogenperovskites vist enestående vekst, med effektkonverteringseffektivitet (PCE) som øker fra 3,8%1 til 25,2%2 i litt over et tiår med utvikling. Nylig har det også vært interesse for utviklingen av perovskite solceller (PSCer) på fleksible underlag som polyetylenterephthalate (PET) som de er lette, billige, gjelder for roll-to-roll produksjon og kan brukes til å drive fleksibel elektronikk3,4. I det siste tiåret har PCE av fleksible PSCer forbedret seg betydelig fra 2,62% til 19,1%5.

Flertallet av dagens behandlingsmetoder for PSCer innebærer deponering av perovskite forløperløsning, tillegg av en antisolvent (AS) som klorobenzen for å indusere kjerner og til slutt termisk annealing for å fordampe løsningsmidlet og fremme krystallisering av perovskitten i ønsket morfologi6,7,8,9. Denne metoden krever moderate mengder organisk løsemiddel (~ 100 μL per 2 x 2 cm substrat) som vanligvis ikke gjenvinnes, er vanskelig å søke på store underlag og er ikke alltid reproduserbar. I tillegg krever perovskitelaget glødende ved > 100 ° C i opptil 120 min, mens mesoporous-TiO2 elektrontransportlaget krever sintring ved 450 ° C i minst 30 min, som ikke bare fører til en stor elektronisk kostnad og en potensiell flaskehals i den endelige oppskaleringen av PSCer, men er også uforenlig med fleksible underlag som vanligvis ikke kan opprettholde oppvarming ved ≥250 ° C10,11,12. Alternative produksjonsmetoder må derfor bli funnet å kommersialisere denne teknologien3,13,14.

Flash infrarød annealing, først rapportert i 201511, er en rimelig, miljøvennlig og rask metode for syntesen av kompakt og defekt-tolerant perovskite og metalloksid tynne filmer som eliminerer behovet for en antisolvent og er kompatibel med fleksible substrater. I denne metoden er nyspinnbelagte perovskitefilmer utsatt for nesten IR-stråling (700–2500 nm, med en topp på 1073 nm). Både TiO2 og perovskite har lav absorbans i denne regionen, mens FTO er en sterk NIR absorber og raskt varmer opp, fordamper løsningsmidlet og indirekte annealing det aktive materialet11,15. En kort 2 s puls kan varme FTO-substratet til 480 ° C, mens perovskite forblir ved ~ 70 ° C, fremme vertikal fordampning av løsemiddel og lateral vekst av krystaller over underlaget. Varmes raskt gjennomkjøling fra det eksterne etuiet, og i løpet av sekunder nås romtemperaturen.

Kjernen og krystalliseringsprosessene, og dermed filmens endelige morfologi, kan varieres gjennom FIRA-parametere som pulslengde, frekvens og intensitet, noe som gir en mye mer reproduserbar og kontrollerbar krystallvekst16. Forutsatt tidsbegrenset kjerner, bestemmer pulslengden kjernetettheten, mens pulsintensiteten bestemmer energien som gis for krystallisering. Utilstrekkelig energi ville resultere i ufullstendig løsningsmiddel fordampning eller krystallisering, mens overflødig energi ville resultere i termisk nedbrytning av perovskite15. Optimalisering av disse faktorene er derfor viktig for dannelsen av en homogen perovskite film, noe som kan påvirke de optoelektroniske egenskapene til den endelige enheten.

Sammenlignet med AS-metoden har FIRA en langsommere kjerne og raskere krystallvekst, noe som fører til større krystallinske domener (~ 40 μm for FIRA vs ~ 200 nm for AS)16. Den lavere kjernehastigheten kan skyldes en lavere supermetning eller en begrenset kjernefase som kontrolleres av varigheten avpulsen 15. Forskjellen i kornstørrelse påvirker imidlertid ikke ladebærermobilitet og levetid (mobilitet ~ 15 cm2/ Vs for AS og ~ 19 cm2/ Vs for FIRA)17 og gir filmer med lignende strukturelle og optiske egenskaper, målt ved røntgendiffraksjon (XRD) og fotoluminescens (PL)12. Faktisk tyder rapporter på at større kornstørrelser er gunstige på grunn av undertrykt perovskite nedbrytning vedkorngrenser 4. Kompakte, defekttolerante og svært krystallinske perovskite filmer kan dannes med begge metodene, noe som gir enheter med > 20% PCE18.

I tillegg gjør elimineringen av antisolvent og reduksjonen i glødetiden fra timer til sekunder det mye mer kostnadseffektivt og miljøvennlig. Med denne metoden kan et krystallinsk mesoscopic-TiO2-lag også produseres, noe som reduserer det energiintensive sintringtrinnet (ved 450 °C i 30 min, 1–3 timer totalt) til bare 10 min16,18. TiO2 glødetider så korte som sekunder har også tidligere blitt rapportert ved hjelp av variasjoner av denne metoden19,20,21,22. Som et resultat kan en hel PSC fremstilles på mindre enn en time18. Denne metoden er også kompatibel med industriell oppkalking og kommersialisering, da den kan tilpasses avsetning og roll-to-roll-behandling for rask og synkronisert gjennomstrømmingsproduksjon15. Videre tillater vannkjølingssystemet rask varmespredning, noe som gjør det egnet for fabrikasjon av enheter på fleksible underlag som PET.

FIRA kan brukes til enhver våt, tynn film som kan deponeres via en enkel løsningsprosess og krystalliseres ved forskjellige temperaturer opp til 1000 °C. Parametrene kan optimaliseres slik at krystaller i ønsket morfologi dannes. For eksempel har det blitt brukt til syntese av ulike perovskite komposisjoner på glass og PET12,15,18, samt mesoscopic-TiO2 lag på glass, noe som gir enheter på > 20% PCE18. Det gjør det også mulig for studiet av faseutvikling mot temperatur, da ovnen og substratoverflaten temperaturer måles for å gi en temperaturprofil av krystalliseringsprosessen16,17.

Dette papiret diskuterer først protokollen som brukes for optimalisering av glødeparametere for å syntetisere en kompakt, defekttolerant og homogen perovskite (MAPbI3) film, som samtidig gir innsikt i perovskite morfologi evolusjon mot temperatur / pulstid. For det andre diskuteres en protokoll for behandling av perovskite solceller med FIRA-annealed mesoscopic-TiO2 og perovskite lag. For denne studien, en perovskite sammensetning basert på formamidinium (80%), caesium (15%), og guanidinium (5%) (heretter merket FCG), og en tetrabutyl ammoniumjodid (TBAI) etter behandling ble utført. Derfor tar dette papiret sikte på å demonstrere allsidigheten til FIRA-metoden, dens fordeler over den konvensjonelle antisolventmetoden, og dens potensial til å bli brukt i eventuell kommersialisering av perovskitesolceller 20,21,22.

Denne protokollen er delt inn i 4 seksjoner: 1) En generell beskrivelse av driften av FIRA ovn 2) Prosess for optimalisering og syntese av en MAPbI3 perovskite film på FTO glass 3) Behandling av FCG perovskite solceller og 4) Syntese av MAPbI3 filmer på ITO-PET.

Protocol

1. Drift av FIRA-ovnen

MERK: En skjematisk firaovn, utviklet internt, er vist i figur 1A. FIRA-ovnen består av en rekke seks nærinkrorøde halogenlamper (topputslipp ved bølgelengde på 1073 nm) med en belysningseffekt på 3000 kW/m2 og en total utgangseffekt på 9600 kW. En hul aluminiumskropp gir et effektivt vannkjølingssystem, og det tillater igjen rask termisk energispredning (i løpet av sekunder). Den oppbevares i en nitrogenhanskekasse, og N 2 strømmer kontinuerlig gjennomkammeret via et gassinntak for å holde det under en inert atmosfære, unntatt under gløde. O2 kan også innføres ved annealing av metalloksidfilmer for å fremme oksidasjon.

Figure 1
Figur 1: (A) Skjematisk som viser tverrsnitt av FIRA-ovnen. Ovnskammeret avkjøles kontinuerlig av vann som strømmer gjennom saken og holdes under en N2 atmosfære. (B) Bilde av FIRA ovnen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Grensesnitt for FIRA-programvaren. Panelet til venstre viser temperaturprofilen, som viser settpunktet (inngangsprogrammet), ovnstemperatur og pyrometertemperatur (substratoverflate). Ønsket glødeprogram er lagt inn på bordet til høyre. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Programmering av glødesykluser
    1. Koble FIRA-ovnen til en datamaskin, hvorfra den kan styres via et brukergrensesnitt for guide (figur 2) på en in-house programvare. Basert på eksperimentet velger du fulleffektsmodus eller PID-modus (proporsjonal integral-derivat). I full effektmodus er IR-lampene enten helt på eller av, mens ovnen holdes ved en bestemt temperatur i en viss tid ved intensitetsmodulasjon.
    2. Kontroller at tabell er valgt på tabell/manuell-/manuell-veksler og legger inn en tidsbase som er lengre enn den totale varigheten til gløde- og kjøleprosessene.
    3. Fulleffektsmodus: Skriv inn tidspunktene lampene skal være på eller av i bordet til høyre for grensesnittet. På denne måten kan enkeltpulser samt glødesykluser programmeres, slik at kontroll av pulslengden og frekvensen. Dette er egnet for filmer som raskt kan glødes, eller for substrater som ikke tåler vedvarende oppvarming (f.eks~ 1,5-2 s for perovskite filmer).
    4. PID-modus: Skriv inn tid og temperatur som ovnen skal bestråles i tabellen. I likhet med arbeidsprinsippet til en tradisjonell kokeplate, kan intensiteten av varmekilden moduleres. Dette er egnet for filmer som vanligvis krever lengre glødetider (f.eks. 15 min ved 100 °C for TBAI).
    5. Datainnsamling: Last ned temperaturprofilen som vises til venstre for grensesnittet som en .txt- eller regnearkfil ved å høyreklikke på profilen og deretter klikke på Eksporter fil.
      MERK: Programvaren brukes til både datainnsamling og systemkontroll, der de viktigste rådataene som er anskaffet, er temperaturprofilen. På temperaturprofilen (figur 2)representeres inndataprogrammet med "settpunktet". Ovnstemperaturen (målt ved en K-type termoelement) og substrattemperatur (estimert av et pyrometer) vises i sanntid, noe som gir innsikt i de tynne filmkrystalliseringsforholdene. Vær oppmerksom på at ovnstemperaturen ikke skaleres direkte med tradisjonelle kokeplatetemperaturer, da termoelementet også er direkte utsatt for IR-stråling. Snarere fungerer det som et referansepunkt for sammenligning mellom ulike FIRA annealing parametere.
  2. Generell annealingprosess
    1. Deponer forløperen via en passende løsningsprosess: spin-belegg26,dip-belegg27,eller lege-blading28.
    2. Overfør underlagene til FIRA-ovnskammeret og lukk ovnslokket. Sørg for at nitrogenstrømmen inn i kammeret slås av ved å lukke gassinntaksventilen.
    3. Start og stopp glødeingen ved å klikke på START-tabellen og STOP-tabellen på datamaskinen. Alternativt kan du koble FIRA-ovnen til en fotpedal, som også kan brukes til å starte og stoppe programmet. Som et resultat kan annealing utføres uten å fjerne hendene fra hanskerommet, noe som gir en mye jevnere og synkronisert prosess.
    4. Når ovnstemperaturen når romtemperatur, fjerner du substituttene fra ovnskammeret.

2. MAPbI3 Perovskite Film syntese og optimalisering på FTO Glass

  1. Perovskite løsning forberedelse
    1. Oppløs methylammoniumjodid i vannfri DMF:DMSO 2:1 v/v for å få en 1,9 M oppløsning.
    2. Tilsett en jevn mengde PbI 2 i løsningen ogfortynne med vannfri DMF: DMSO 2: 1 v / v for å gi en 1,4 M methylammonium bly iodide forløperløsning. Varm ved 80 °C til fullstendig oppløsning og avkjøl til romtemperatur.
      MERK: Oppløsningen fremstilles og oppbevares i en argonhanskekasse. Protokollen kan settes på pause her.
  2. Perovskite filmsyntese
    1. Bruk FTO-belagte glass underlag på 1,7 cm x 2,5 cm.
    2. Rengjør substrater via påfølgende sonikering i rengjøring såpe (2 vol % i deionized H2O), aceton og etanol i 15 min hver, deretter tørke dem med trykkluft.
    3. Behandle substrater under UV/ozon i en plasmarenser i 15 min.
    4. Skriv inn ønsket glødeprogram i henhold til pkt. 1.1.
    5. Blås underlagets overflate med en nitrogenpistol for å fjerne støv og andre urenheter.
    6. Spin-coat 50 μL av perovskite forløperen ved 4000 o/min for 10 s, med en akselerasjon på 2000 rpm·s-1.
    7. Umiddelbart etter deponering, overfør underlaget til FIRA-ovnen for å gløde på en rekke pulstider etter ønske (0-7 s brukt heri, optimalisert puls er 2 s). Start det inntastede glødeprogrammet ved å trykke på START på programvaren eller tråkke på fotpedalen. En fargeendring fra gul til svart bør observeres, noe som indikerer dannelsen av en 3D perovskite struktur.
    8. Fjern underlaget når ovnstemperaturen når 25 °C.
    9. Oppbevar de glødede filmene i en tørrluftsboks.
      MERK: FIRA-ovnen og spin-coateren er plassert i samme nitrogenhanskeboks slik at oppløsningsdeponering og glødende kan utføres jevnt og under en inert atmosfære.
  3. Materialkarakterisering
    1. Ta optiske bilder på et polariserende mikroskop utstyrt med en xenon lyskilde og uendelig korrigerte mål på 10x og 50x.
    2. Registrer absorpsjonsspektra samtidig med en optisk fiber integrert i mikroskopet og koblet til et spektrometer (spektralområde 300–1100 nm).
      MERK: Karakteriseringen ovenfor kan gjøres umiddelbart etter glødende, noe som gir rask screening av filmkvalitet. Målingene er tatt i omgivelsesluft og temperatur. Mer grundig karakterisering som skanning av elektronmikroskopi (SEM) og røntgendiffraksjon kan deretter utføres (se pkt. 3.7).

3. FCG perovskite solcelle behandling

  1. Forberedelse og rengjøring av substrat
    1. Etse den ene siden av FTO-glasssen med Zn-pulver og 4 M HCl.
    2. Rengjør substrater via påfølgende sonikering i rengjøringssåpe (2 vol % i deionisert H2O) i 30 min og isopropanol i 15 min, og tørk med trykkluft.
    3. Behandle under UV/ozon i en plasmarenser i 5 min.
  2. Kompakt TiO2-lag
    1. Varm FTO glass underlagt 450 °C på en sintring kokeplate og hold dem ved denne temperaturen i 15 min før oppløsning deponering.
    2. Fortynn 0,6 ml titandiisopropoksidbis (acetylacetonat) og 0,4 ml acetylaketon i 9 ml EtOH for å gi forløperløsningen.
    3. Deponer oppløsningen via spraypyrolyse med oksygen som bærergass (0,5 bar) ved 45° og en avstand på ~ 20 cm. La et intervall på 20 s mellom hver sprøytesyklus.
    4. La substrater ved 450 °C stå i 5 min mer, og avkjøl deretter til romtemperatur. Dette gir en kompakt TiO2 lag på ~ 30 nm.
      MERK: Protokollen kan settes på pause her. Hvis det neste trinnet ikke utføres umiddelbart, re-sinter substratet ved 450 ° C i 30 min før avsetning av mesoporous-TiO2 lag.
  3. Mesoporous-TiO2 lag
    1. Lag en forløperløsning ved å fortynne TiO2 pasta (partikkelstørrelse 30 nm) i EtOH med en konsentrasjon på 75 mg/ml. Rør løsningen med en magnetisk rørebar til fullstendig oppløsning.
    2. Spin-coat 50 μL av oppløsningen ved 4000 o/min for 10 s, med en rampe på 2000 rpm·s-1.
    3. Programmer en glødesyklus på 10 pulser, 15 s på og 45 s av i bordet på programvaren.
    4. Plasser underlagene i FIRA-ovnen, og gløde under full effektmodus med den ovennevnte glødesyklusen ved å trykke på Start Bord eller tråkke på fotpedalen. Dette gir et 150-200 nm lag.
    5. Fjern prøvene når ovnstemperaturen når 25 °C.
      MERK: Sørg for at ovnen har romtemperatur eller under før du starter med å gløde. Med syklusen ovenfor når ovnstemperaturen ~600 °C under gløde.
  4. Perovskite lag
    1. Lag en løsning av formamidiniumjodid (1,12 M), PbI2 (1,4 M), CsI (0,21 M) og GAI (0,07 M) i vannfri DMF:DMSO 2:1 v/v.
    2. Spin-coat 40 μL av oppløsningen ved 4000 o/min for 10 s.
    3. Programmer et glødetrinn på 1,6 s på full effektmodus på programvaren (dette når ~ 90 ° C).
    4. Overfør underlaget til FIRA-ovnen og begynn å gløde ved å trykke på Start-bordet eller tråkke på fotpedalen. Overflaten skal dreie seg fra gult til svart.
    5. La prøvene stå i ovnen i ytterligere 10 s for kjøling før fjerning.
  5. Tetrabutyl ammoniumjodid (TBAI) etter behandling (valgfritt)
    1. Oppløs 3 mg tetrabutyl ammoniumjodid i 1 ml isopropanol.
    2. Spin-coat oppløsningen ved 4000 omdr./min for 20 s.
    3. Programmer et glødetrinn ved 100 °C i 15 min med PID-modus.
    4. Overfør underlaget til FIRA-ovnen og gløde med ovennevnte program. Avkjøl til 25 °C før neste trinn.
  6. Hulltransportmateriale og toppelektrode
    1. Oppløs spiro-OMeTAD i klorobenzen (70 mM) og tilsett 4-tert-butylpyridin (TBP), Litiumbis (trifluorometylsulfphonyl) (Li-TFSI, 1,8 M i acetonitril) og Tris (2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridin)-kobolt(III) Tris(bis(trifluoromethylsulfonyl) imid) (FK209, 0,25 M i acetonitril) slik at molarforholdet mellom tilsetningsstoffene med hensyn til spiro-OMeTAD er 3,3, 0.5. og 0,03 for henholdsvis TBP, Li-TFSI og FK209.
    2. Sett 50 μL av oppløsningen ved 4000 o/min for 20 s under dynamisk spin-belegg, og tilsett oppløsningen 3 s etter starten av programmet.
    3. La det oksidere over natten i en tørr luftboks.
    4. Deponer 80 nm gull via termisk fordampning under vakuum. Bruk en skyggemaske til å mønstre elektrodene.
  7. Photovoltaic enhet testing og materialkarakterisering
    1. Ta fotovoltaiske målinger ved hjelp av en solsimulator utstyrt med en xenonbuelampe og en digital kildemåler. Angi det aktive området på enheten med en svart, ikke-reflekterende metallmaske (0,1024 cm2 som brukes her). Mål strømspenningskurvene under revers og fremover-bias med en skannehastighet på 10 mV/s under AM 1,5 G bestråling.
    2. Ta røntgendiffraksjonsmønstre med et diffraktometer i refleksjonsspinnmodus ved hjelp av Cu Kα-stråling og et Ni-β filter.
    3. Ta skanning av elektronmikroskopbilder med en akselerasjonsspenning på 3 kV.

4. MAPbI3 filmer på ITO-PET substrat

  1. Skjær ITO-PET og mikroskopglass glir i biter på 1,7 cm x 2,5 cm.
  2. Rengjør glassskliene og ITO-PET i henhold til trinn 2.2.2–2.2.3.
  3. Fest ITO-substrater på glassskliene med dobbeltsidig tape, slik at de er så flate som mulig.
  4. Klargjør MAPbI3-forløperen som beskrevet i pkt. 2.1. Blås underlagets overflate med en N2-pistol før du spinner løsningen og annealing filmen med FIRA, i henhold til trinn 2.2.5-2.2.8, med en pulstid på 1,7 s.
  5. Utfør materialkarakterisering som beskrevet i pkt. 2.3 og 3.7.

Representative Results

Optimalisering og syntese av MAPbI3-filmerpå FTO-glass
For å vurdere perovskite filmkvalitet ble mikroskopbilder, røntgendiffraksjon og absorbansspektra tatt. Den optimale pulstiden skal gi en kompakt, ensartet og pinhole-fri film med store krystallkorn. Figur 3 viser optiske bilder av MAPbI3-filmer til pulstider fra 0 s til 7 s, mens figur 4 viser XRD-spektra av filmer glødet ved selektive pulstider. Disse pulstidene representerer grensene for de fire forskjellige perovskite fasene som observeres basert på de ulike karakteriseringene som utføres. Faseutviklingen som en funksjon av pulstid og temperatur er vist i figur 5, og en sammenligning av de beste SEM-bildene av filmer dannet av både FIRA og antisolvent metoder finnes i supplerende informasjon S1. XRD-mønstre for alle pulser og tilsvarende absorbansspektra finnes i tilleggsinformasjon S2 og S3. Pulser fra 0 til 1,6 s ga nållignende krystaller eller små krystallinske domener atskilt av ikke-krystallinske faser, noe som fremgår av forløpertoppene på 2θ = 6,59, 7,22 og 9,22 °29. For 1,8 til 3,8 s pulser ble veldefinerte krystallkorn dannet, og XRD-mønstre viste dannelsen av MAPbI3 tetragonal I4/mcm-fasen. Dette bekreftes også av absorpsjonssettet på 780 nm. Imidlertid førte lengre pulstider til termisk nedbrytning av perovskite, med fullstendig nedbrytning for pulser > 5 s, som vist ved utviklingen av PbI2-toppen på 2θ = 12,7 °. Den optimaliserte pulsen var fastslått å være 2 s, noe som ga krystallkorn på ~ 30 μm. Derfor gir FIRA mulighet for en omfattende studie av kjerne- og krystalliseringsprosessene basert på temperatur, som kontrollert av pulstiden. Parametrene kan også varieres og optimaliseres for ulike tynne filmer, som viser allsidigheten til denne metoden.

Figure 3
Figur 3: Optiske bilder av MAPbI3 perovskite filmer på FTO glass, glødet med pulser fra 0 s til 7 s. Alle bildene ble tatt på 10x forstørrelse i overføringsmodus. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: XRD spektra av MAPbI3 filmer glødet ved selektive pulstider. Merkede fly er representative for den tetragonale I4/mcm-fasen. Stjernerte topper representerer diffraksjoner fra PbI2, mens det blå rektangelet representerer de fra forløperløsningen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Temperaturprofil som viser perovskite faseutvikling som en funksjon av pulslengde. Grensen for de ulike fasene er bestemt fra den tilsvarende XRD-analysen, vist i figur 4. Tilpasset fra15. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

FCG perovskite enheter
Figur 6A,B viser temperaturprofilen og XRD-mønsteret til mesoskopisk-TiO2-lag glødet med en FIRA-syklus på 10 pulser, 15 s på og 45 s av. Med FIRA kunne temperaturer på ~ 600 ° C nås og TiO2-laget kan syntetiseres på bare 10 min, mye kortere enn den konvensjonelle metoden som krever sintring i 1 t til 3 timer, og topper på 450 ° C. Den resulterende filmen viser ingen merkbar forskjell for det sintret på en kokeplate. Som et resultat kan hele perovskite solcelle behandles på mindre enn en time. Det tverrsnittsmessige SEM-bildet (figur 6C) viser at de påfølgende enhetene fabrikkert er svært lik de som er laget via tradisjonelle metoder, med lag med lignende tykkelse og morfologi. I tillegg viste FIRA-behandlede enheter utmerket ytelse (figur 7), med mesterenheten som viser PCE = 20,1%, FF = 75%, Voc = 1,1 V og Jsc = 24,4 mA / cm2, sammenlignbare med enheter fabrikkert med antisolventmetoden. En stor-område enhet med en 1,4 cm2 aktivt område ga også PCE på 17%, viser FIRA er en lovende alternativ behandlingsmetode for produksjon av PSCer.

Figure 6
Figur 6: (A) Temperaturprofil for mesoporous TiO2-glødende i FIRA, med en syklus på 10 pulser på 15 s på og 45 s off. (B) Røntgenmønstre for TiO2-filmer glødet med kokeplate og FIRA, og et tomt FTO-substrat som referanse. (C) Tverrsnitts SEM bilder av perovskite solcellearkitekturer, behandlet av FIRA og antisolvent. Gjengitt med tillatelse fra18. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Strømspenningskurve for champion FCG perovskite enheter. (A) FIRA-annealed mesoporous-TiO2 og perovskite lag. (B) Stort areal (1,4 cm2) enhet med FIRA-annealed mesoporous-TiO2 og perovskite lag. Gjengitt med tillatelse fra18. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

MAPbI3 filmer på ITO-PET

Figur 8 viser optiske bilder av MAPbI3-filmer glødet ved pulser fra 1 s til 2 s. Ved kortere pulstider er det ufullstendig krystallisering, mens ved pulstider > 1,7 s begynner PET-substratet å smelte (se Tilleggsfigur 4). Termisk nedbrytning av perovskite observeres også for 2-pulsen. Ved den optimaliserte pulstiden på 1,7 s ble tettpakkede krystalldomener på ~ 15 μm observert. Selv om det er små pinholes på 1-2 μm, er det klart at FIRA kan brukes til å danne kompakte og ensartede perovskite filmer på fleksible polymerer uten å smelte underlaget, på grunn av rask kjøling fra saken, noe som er en betydelig fordel sammenlignet med hotplate annealing.

Figure 8
Figur 8: Optiske bilder av MAPbI3-filmer glødet på ulike pulstider på ITO-PET. Alle bilder er tatt i overføringsmodus og 10x forstørrelse med mindre annet er spesifisert. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 1: Sem-sammenligning av FIRA- og kokeplate glødet perovskitefilmer. (A)Toppvisning av FIRA-glødet perovskite filmer i fire glødetider, skala bar: 25 μm. (B) Topvisning av en referansefilm laget av antisolvent metoden etterfulgt av glødende ved 100 °C for 1 time på en standard kokeplate, skala bar: 1 μm. Tilpassetfra 1. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggsfigur 2: XRD spektra av MAPbI3-filmer på FTO-glass, glødet med pulser på (A) 0–1,4 s (B) 1,6–3 s (C) 3,2–4,6 s (D) 4,8–7 s. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggsfigur 3: Absorbansspektra av MAPbI3-filmer på FTO-glass, glødet med pulser på (A) 0,2–1,8 s (B) 2–3,6 s (C) 3,8–7 s. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggsfigur 4: Fysisk utseende av MAPbI3-filmer glødet på PET ved ulike pulslengder. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggsfigur 5: Temperaturprofil og sem-bilder med toppvisning av det uberørte papirsubstratet, ITO-elektroden og mesoporous-TiO2-lag behandlet med FIRA. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggs figur 6: Tverrsnitts-SEM-bilde av perovskite deponert (via antisolventmetode) på en FIRA-glødet ITO/TiO2-stabel på et papirsubstrat. ITO np = ITO nanopartikler, pvk = perovskite. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Discussion

Figur 9 viser den generelle prosessen med perovskite film annealing med FIRA.

Figure 9
Figur 9: Skjematisk representasjon av perovskite filmbehandling med FIRA. Den våte filmen er deponert fra løsningen ved spin-belegg og deretter overført til FIRA ovnen for annealing i ~ 2 s, noe som gir den svarte perovskite stabil fase. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I størkningsprosessen av en tynn film fra løsningen, vil den ønskede endelige formen avhenge av søknaden: filmer i energienheter for fotokatalyse, batterielektroder og solceller kan ha forskjellige morfologier30,31,32,33. Derfor er det et kritisk skritt i protokollen som skal følges, å identifisere de optimale parametrene for hvert substrat og våtfilmgrensesnitt. Vanligvis, for PSCer forventer vi å ha skinnende og glatte filmer for å minimere feil og for å forbedre de fotofysiske egenskapene som ladetransport av bærere for å gi null ikke-radiativ rekombinasjon34,35,36. For tynnfilmbehandling er hovedparametrene pulstid, antall pulser og bestrålingstemperaturen, som er en balanse mellom å danne ønsket morfologi samtidig som den er så rask og energieffektiv som mulig. Utilstrekkelig energi ville føre til ufullstendig løsningsmiddelfordampning eller krystallisering, mens overflødig energi ville føre til nedbrytning av materialet. Derfor er det avgjørende å systematisk variere glødeparametrene og analysere den resulterende filmkvaliteten (som beskrevet i pkt. 2.2, 2.3 og 3.7) for å finne de optimale parametrene for hver tynnfilm/substratkombinasjon. Når dette er fullført, kan tynne filmer syntetiseres raskt og pålitelig. Metoden er avhengig av nøyaktigheten, for eksempel er minimum pulstid 20 ms, slik at man kan finkontrollere temperaturforholdet for krystallvekst. Dessuten kan man ha et bredt vindu for optimalisering, hjulpet av datainnsamling av bilder og absorpsjonsspektra for optisk og morfologisk screening.

FIRA-metoden er fortsatt under utvikling, og som navnet tilsier, er den for tiden basert på IR-bestråling. Den nyeste versjonen av FIRA inkluderer imidlertid UV-A-stråling generert fra en egen metallhalogenlampekilde. UV og IR kan brukes til kombinert bølgelengde fotonisk annealing og herding, noe som gir ekstra funksjonalitet. For eksempel er halvlederherding med FIRA en enkel måte å forbedre fuktbarheten av substrater på. I tillegg, for en flerlags tilnærming i krystallvekst, kan denne selektive bølgelengden glødes avhengig av materialet, og pulsen kan moduleres avhengig av ønsket form16,32,37. Aktuelle undersøkelser inkluderer annealing av en ITO-elektrode og et mesoskopisk-TiO2-lag på papir (sistnevnte ved hjelp av blandet IR/UV-annealing, se Supplerende figur 5 i tilleggsinformasjonen). Som vist i tilleggsfigur 6,kan en perovskite film bli deponert på FIRA-glødet ITO / TiO2-stakken. Dette kan brukes på et bredt spekter av substrater og tynne filmer i fremtiden.

Så langt er FIRA-metoden begrenset til annealing av våte filmer som kan deponeres via løsningsprosesser. Det avhenger av evnen til avsetningsmetoden, og dette styres av løsningsmiddelteknikk og flerlags vekst basert på løsninger med nærmer løsemiddelpolariteter. Optimalisering er også nødvendig for hver tynn film, da dette er en ny metode uten mange tidligere rapporterte protokoller i litteraturen, noe som kan være tidkrevende. I tillegg, selv om FIRA kan brukes til fleksible underlag som PET og papir, da det er rask kjøling fra etuiet, må en god kontakt mellom underlaget og ovnskammeret sikres for å unngå substratsmelting. Dette kan være vanskelig siden fleksible underlag lett bøyes under behandlingen, men dette kan forbedres ved å feste underlagene på et tynt glasssklie for å sikre at de er helt flate og for å tillate enkel manipulasjon. Det er imidlertid viktig å merke seg at absorpsjonen av filmen vil endres etter hvert som materialet går over fra ikke-absorberende (våt NIR-gjennomsiktig perovskite forløpermateriale) til tørk (NIR-absorberende svart perovskite) og denne ekstra absorpsjonen kan bidra til skade på substratet38.

Til tross for disse begrensningene presenterer FIRA fortsatt mange fordeler i forhold til antisolventmetoden. For det første kan tynne filmer syntetiseres mye raskere. For eksempel dannes perovskite i <2 s mens mesoporous-TiO2-laget dannes på bare 10 minutter, mye kortere enn timene som kreves i den konvensjonelle metoden. Eliminering av antisolvent og kortere annealing ganger betyr også at det er en mye lavere energisk og økonomisk kostnad. Livssyklusvurdering (figur 10) i perovskite synteseprosessen viser at FIRA bare utgjør 8% av miljøpåvirkningen og 2% av fabrikasjonskostnaden for antisolventmetoden. I tillegg er den kompatibel med fleksible og store underlag. Et samlet areal på 10 x 10 cm2 kan bestråles på en gang, og det har allerede blitt vist at enheter på 1,4 cm2 aktivt område samt filmer på 100 cm2 kan syntetiseres på denne måten. Til slutt er det svært reproduserbart, allsidig og tilpasningsdyktig til rask gjennomstrømning roll-to-roll produksjon, da avsetnings- og glødetrinnene utføres kontinuerlig på ett sted i en synkronisert og jevn prosess.

Figure 10
Figur 10: En sammenligning av den relative kostnads- og miljøpåvirkningen av FIRA og anti-løsemiddelmetoder fastsatt av livssyklusvurdering. GWP = Klimaendringer [kg CO2 eq], POP = Fotokjemisk oksidasjon [kg C2H4 eq], AP = Forsuring [kg SO2 eq], CED = Kumulativ energibehov [MJ], HTC = Human toksisitet, krefteffekter [CTUh], HTNC = Human toksisitet, ikke-krefteffekter [CTUh], ET = Ferskvanns ecotoxicity [CTUe]. Gjengitt med tillatelse fra12. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Aktuelle undersøkelser om FIRA er fokusert på optimalisering for tynnfilmsyntese på fleksible underlag som papir og PET, samt for syntese av andre viktige komponentlag av PSCer som SnO2 kompakt lag, eller karbon og ITO elektroder. Videre er neste trinn å fremstille enheter med høy ytelse på >5 cm2. Derfor kan det sies at FIRA representerer et skritt mot en miljøvennlig og kostnadseffektiv måte å produsere store, kommersielle PSCer.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Prosjektet (WASP) som fører til denne publikasjonen, har mottatt midler fra EUs Horizon 2020 Research and Innovation Program i henhold til tilskuddsavtale nr.

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

Miljøvitenskap Utgave 168 perovskite solcelle IR rask termisk annealing tynnfilm behandling krystallisering
Flash infrarød annealing for Perovskite solar celle behandling
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