Einfluss von Hybrid Perowskit-Herstellungsverfahren auf Filmbildung, Elektronische Struktur und Leistung der Solarzelle

Das übergeordnete Ziel dieser umfassenden Studie ist es, zu zeigen, wie verschiedene Herstellungsmethoden für organische anorganische Perowskit-Dünnschichten Kristallstrukturen, Zustandsdichte, Energieniveaus und die Leistung von Solarzellen beeinflussen. Diese Studie kann dazu beitragen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der hybriden organischen anorganischen Perowskite zu beantworten, insbesondere wie Präparationsmethoden verschiedene Dünnschichteigenschaften beeinflussen könnten. Unser Ansatz besteht darin, unterschiedlich hergestellte Perowskit-Schichten mit Methoden wie Photoelektronenspektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie zu kategorisieren, um die Morphologie der Filmzusammensetzung und/oder die Zustandsdichte zu überwachen.

Eine visuelle Demonstration der Verarbeitungs- und Charakterisierungsschritte, die so kritisch sind wie geringfügige Abweichungen in der Folienherstellung, kann große Auswirkungen auf die Qualität der Dünnschicht haben. Das Verfahren wird von Ines Schmidt, Tobias Schnier und Jennifer Emara, einem Master- und zwei Doktoranden aus meiner Gruppe, vorgeführt. Ines und Tobias konzentrieren sich auf die Lösungsverarbeitung, während Jenny vakuumabgeschiedene Schichten untersucht.

Um das leitfähige Anodenmaterial vorzubereiten, das als Bodenkontakt verwendet werden soll, ätzen, reinigen und ozonisieren Sie zunächst 2,5 x 2,5 Quadratzentimeter große Stücke aus Indiumzinnoxid-beschichtetem Glas. Als nächstes ziehen Sie mindestens 150 Mikroliter 1,5 %PEDOT:PSS in Wasser in eine Spritze. Greifen Sie einen 0,45-Mikron-Filter auf die Spritzenspitze an.

Montieren Sie ein ITO-Glassubstrat auf einem Spin Coater in Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 bis 50 %Geben Sie 150 Mikroliter der gefilterten PEDOT:PSS-Suspension auf die Oberfläche des Substrats. Schleudern Sie das Substrat bei 2.500 U/min für 25 Sekunden und 4.000 U/min für fünf Sekunden mit einer Beschleunigung von 4.000 U/min pro Sekunde. Erhitzen Sie das schleuderbeschichtete Substrat 10 Minuten lang bei 150 Grad Celsius auf einer Heizplatte, um das restliche Wasser von der PEDOT:PSS-Folie zu entfernen.

Um das mit Perowskit beschichtete Substrat durch Aufdampfen vorzubereiten, legen Sie zuerst das PEDOT:PSS-beschichtete Substrat in die Vakuumkammer des Instruments und evakuieren Sie die Kammer. Sobald der Kammerdruck 10 bis minus sieben Millibar erreicht, bewegen Sie das Substrat in die Verdampfungskammer. Stellen Sie sicher, dass der Probenverschluss geschlossen ist, und bewegen Sie die Quarzkristall-Mikrowaage des Werkzeugs vor die Probenposition.

Erhitzen Sie die Bleiiodidquelle auf 320 Grad Celsius und die Methylammoniumiodid- oder MAI-Quelle auf 190 Grad Celsius. Überwachen Sie den durch MAI-Verdampfung verursachten Anstieg des Kammerdrucks. Scheiden Sie dann für jede Quelle einen Film auf das QCM in der Nähe der Probe auf und zeichnen Sie gleichzeitig die Dicken auf, die auf den QCMs der Quelle und der Probe angezeigt werden.

Berechnen Sie daraus die Werkzeugfaktoren für Blei, Jodid und MAI. Um eine Co-Verdampfung durchzuführen, stellen Sie die Quelltemperaturen so ein, dass das Verhältnis der Abscheidungsraten etwa ein bis zwei Bleiiodid zu MAI beträgt. Öffnen Sie dann den Probenverschluss und legen Sie den Perowskitfilm ab.

Alternativ können Sie für eine sequenzielle Verdampfung die Quellentemperaturen so anpassen, dass nur die Bleiiodidquelle erhitzt wird. Öffnen Sie den Probenverschluss, scheiden Sie eine 50-Nanometer-Schicht Bleiiodid auf das Substrat ab und schließen Sie den Probenverschluss. Reduzieren Sie nach der Abscheidung der Bleiiodidschicht die Temperatur der Bleiiodidquelle und bringen Sie die MAI-Quelle auf die Verdampfungstemperatur.

Eine 50 Nanometer dicke Schicht MAI auf das vorbeschichtete Substrat auftragen. Abwechselnde Abscheidung von Bleiiodid- und MAI-Schichten, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Sobald die Folie mit einer der beiden Methoden die gewünschte Dicke erreicht hat, schließen Sie den Verschluss und schalten Sie die Heizungsquellen aus.

Bringen Sie die Probe in eine Heizstufe in der Vakuumkammer und glühen Sie den Film eine Stunde lang bei 70 Grad Celsius, um flüchtige Bestandteile zu entfernen und die Perowskitbildung abzuschließen. Um den Perowskit durch sequentielle Abscheidung herzustellen, wird zunächst ein PEDOT:PSS-beschichtetes Substrat in einen Schleudercoater in eine mit Stickstoff gefüllte Handschuhbox gelegt. Geben Sie mit einer Pipette 150 Mikroliter einer Lösung von 400 Milligramm pro Milliliter aus Bleiiodid und DMF auf das Substrat.

Schleudern Sie das Substrat 30 Sekunden lang bei 3.000 U/min. Geben Sie dann entweder 150 Mikroliter einer Lösung von 10 Milligramm pro Milliliter MAI und Isopropanol auf die Oberfläche des Substrats und lassen Sie es 40 Sekunden lang einwirken, oder tauchen Sie das Substrat 40 Sekunden lang in die MAI-Lösung. Entfernen Sie überschüssige Lösung vom Substrat, indem Sie 30 Sekunden lang bei 3.000 U/min schleudern.

Glühen Sie das Substrat 15 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 100 Grad Celsius, um den sequenziellen Abscheidungsprozess abzuschließen. Um den Perowskitfilm mit der Co-Lösungsmethode in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox abzuscheiden, lösen Sie ausreichend Bleiiodid und MAI im gewünschten Verhältnis in DMF auf, um eine Vorläuferlösung von 250 Milligramm pro Milliliter zu erhalten. Wenn ein molekulares Additiv benötigt wird, fügen Sie ausreichend Ammoniumchlorid hinzu, um eine Konzentration von 18 bis 20 Milligramm pro Milliliter in der Vorläuferlösung zu erreichen.

Rühren Sie die Vorläuferlösung fünf Stunden lang bei 50 Grad Celsius um. Anschließend ein PEDOT:PSS-beschichtetes Substrat auf einer heißen Platte bei 50 Grad Celsius fünf Minuten lang vorheizen. Legen Sie das erwärmte Substrat in den Schleudercoater.

Geben Sie 200 Mikroliter Toluol in die Schleuder-Coater-Schüssel, um während des Schleuderauftrags eine Toluolatmosphäre zu erzeugen. Pipettieren Sie 150 Mikroliter Vorläuferlösung auf das Substrat und schleudern Sie die Beschichtung 30 Sekunden lang bei 3.000 U/min. Erhitzen Sie das mit Schleudern beschichtete Substrat 30 Sekunden lang auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius, um den Co-Lösungsprozess zu beenden.

Die Qualität des Perowskitfilms kann anhand des Glanzes der Oberfläche visuell beurteilt werden. Um mit der Herstellung von Solarzellen fortzufahren, bereiten Sie in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox eine Lösung von 20 Milligramm pro Milliliter von 60 PCBM in Chlorbenzol als Akzeptormaterial vor. Rühren Sie die Lösung mindestens 24 Stunden lang bei 50 Grad Celsius um.

Legen Sie dann ein frisch thermisch geglühtes Perowskit-beschichtetes Substrat für 30 Sekunden auf eine Metallplatte, um es auf Raumtemperatur abzukühlen. Montieren Sie das abgekühlte Substrat in einem Spin Coater. Geben Sie 150 Mikroliter 60 PCBM-Lösung auf das Substrat und schleudern Sie die Beschichtung 30 Sekunden lang bei 2.000 U/min, um die Akzeptorschicht zu bilden.

Legen Sie anschließend das Substrat in einen Probenhalter für die Gasphasenabscheidung und bedecken Sie das Substrat mit einer Schattenmaske. Kratzen Sie mit einem Skalpell auf eine der freigelegten Kontaktstellen, um die ITO-Schicht freizulegen. Legen Sie dann das maskierte Substrat in die Vakuumkammer und bereiten Sie die Aufdampfung von Aluminium vor.

10 Nanometer Aluminium werden mit einer Geschwindigkeit von maximal 0,5 Angström pro Sekunde bei einem maximalen Druck von dreimal 10 bis zu minus sechs Millibar abgeschieden. Erhöhen Sie dann die Rate auf 2,5 Ångström pro Sekunde und setzen Sie die Abscheidung fort, bis die Aluminiumschicht 100 Nanometer dick ist, um den oberen Kontakt der Aluminiumkathode zu bilden. Transportieren Sie die Zelle zu einem Sonnensimulator und kehren Sie in Schritten von 0,02 Volt von minus 0,5 auf plus 1,5 Volt durch.

Scannen Sie dann in umgekehrter Richtung, um auf Hysterese zu prüfen. Perowskit-Dünnschichten wurden mit jedem der beschriebenen Verfahren und mit unterschiedlichen Verhältnissen von Bleiiodid zu MAI hergestellt. Die Rasterelektronenmikroskopie der aufgedampften Schichten und der aus Co-Lösung mit einem Additiv hergestellten Schichten zeigte die gewünschte glatte, lochfreie Oberfläche.

Eine Variation in der Morphologie wurde mit Veränderungen des molaren Verhältnisses von Bleiiodid zu MAI beobachtet. Die Filme, die aus Co-Lösung ohne Additiv hergestellt wurden, und die Filme, die durch Tauch- und Tropfenbeschichtung hergestellt wurden, zeigten weniger wünschenswerte Hohlräume, Oberflächenrauheit und nadelartige Strukturen. Die Röntgenbeugung von sechs Co-Lösungsproben mit unterschiedlichen molaren Verhältnissen von Bleiiodid zu MAI zeigte die typische tetragonale Kristallstruktur.

Es wurden keine zusätzlichen Phasen von MAI oder Bleiiodid beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Röntgenbeugungsmethoden keine Informationen über die Zusammensetzung des Films liefern konnten. Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie wurden verwendet, um die Stöchiometrie bzw. Ionisationsenergien der dünnen Schichten zu beurteilen. Bei allen Verfahren wurde ein Trend zu steigender Ionisationsenergie mit steigendem Bleiiodidgehalt beobachtet, was darauf hindeutet, dass der Effekt unabhängig von der Zubereitungsmethode ist.

Die Solarzellenfähigkeiten von dünnen Schichten mit verschiedenen molaren Verhältnissen von Bleiiodid zu MAI wurden bewertet. Die höchste Effizienz wurde mit einem molaren Verhältnis von 1,02 beobachtet, das der stöchiometrischen Perowskitzusammensetzung am nächsten kommt. Im Allgemeinen werden Personen, die neu auf diesem Gebiet des Hybrid-Perowskits sind, Schwierigkeiten haben, da die Filmbildung sehr empfindlich auf die Präparationsmethode reagiert.

Die große Vielfalt an unterschiedlichen Wirkungsgraden, Morphologien und vor allem die Energieniveaus und die Literatur haben unsere Aufmerksamkeit erregt und diese Arbeit motiviert. Entscheidend ist es, ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Alle Verarbeitungsschritte und Charakterisierungsmethoden sollten unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um eine Abstufung des Perowskits durch Wassereinwirkung zu vermeiden.

Und Sie sollten nicht vergessen, dass die Arbeit mit Bleiiodid äußerst gefährlich sein kann, und daher sollten bei diesen Eingriffen immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wie z. B. die Arbeit in einem Handschuhfach. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, welche Einflüsse die verschiedenen Herstellungsmethoden für Perowskite auf die Kristallstrukturen, die Zustandsdichte, das Energieniveau und letztendlich die Leistung der Solarzelle haben. Mit unserem Ansatz wollen wir Einblicke in die Zusammenhänge zwischen der Folienvorbereitung einerseits und physikalischen Eigenschaften andererseits geben, um letztendlich die Leistung der Solarzelle zu beeinflussen.

Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, die Ionisationsenergie der Perowskit-Schichten durch gezielten Einbau von MAI oder Bleiiodid interstitialis einzustellen. Dies kann für die Schnittstellenoptimierung in neuartigen Bauelementarchitekturen genutzt werden. Zukünftige Techniken werden sich mit fortschrittlicheren Präparationstechniken befassen, die auf große Gerätebereiche abzielen, einschließlich Methoden wie Schlitzaugenbeschichtung, Sprühtechniken und großflächiger Druck.