Einwertiges Kation Dotierung von CH 3 NH 3 PbI 3 Für effiziente Perowskit-Solarzellen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die optoelektronischen Eigenschaften von Bleihalogenid-Perowskit durch monovalente Kationendotierung zu verbessern, um hocheffiziente Perowskit-Solarzellen zu geweben. Der Einbau von monovalenten Kationen in Bleihalogenid-Perowskit verbessert die Halbleiterqualität und das Photoeffektverhalten dieses Materials erheblich. Die Zugabe einer rationellen Menge kostengünstiger monovalenter Kationen-Dotierstoffe zu Perowskit-Materialien verbessert die Ladungsmobilität und reduziert die energetische Unordnung um eine Größenordnung.

Um mit dem Vergleich des Substrats zu beginnen, verwenden Sie halbtransparentes Acrylklebeband, um 2/3 der leitfähigen Seite eines FTO-beschichteten Glasobjektträgers abzudecken. Anschließend die unbedeckten Stellen mit Zinkpulver bestreichen. Gießen Sie eine Lösung aus 2 molaren Salzsäure in destilliertem Wasser über den Objektträger, um das Substrat zu ätzen.

Wische mit einem Wattestäbchen die Rückstände von den freiliegenden Abschnitten des Objektträgers ab. Spülen Sie das geätzte FTO-Substrat mit destilliertem Wasser ab und entfernen Sie dann das Klebeband. Die geätzte Oberfläche wird in einer 2 Vol.-% Lösung aus alkalischem Flüssigwaschmittelkonzentrat und Wasser gewaschen.

Beschallen Sie das FTO-Substrat jeweils 10 Minuten lang nacheinander in Aceton- und Isopropanolbädern. Behandeln Sie das FTO-Substrat 15 Minuten lang mit einem Sauerstoffplasmareiniger, um die Reinigung des geätzten Substrats abzuschließen. Um die gesamte blockierende kompakte Titanoxidschicht abzuscheiden, legen Sie zunächst das geätzte und gereinigte FTO-Substrat auf eine Heizplatte bei 450 Grad Celsius.

Decken Sie die Kontaktfläche sofort mit einem vorgestanzten Objektträger ab und lassen Sie das Substrat auf 450 Grad Celsius erhitzen. Mischen Sie 0,6 Milliliter TAA mit 7 Millilitern Isopropanol. Wenn das Substrat bei 450 Grad Celsius ist, tragen Sie die TAA-Lösung durch Sprühpyrolyse unter Verwendung von Luft als Trägergas auf das Substrat auf.

Lassen Sie die Probe 30 Minuten lang bei 450 Grad Celsius stehen. Lassen Sie die Probe dann auf Raumtemperatur abkühlen. Entfernen Sie die Glasabdeckung, sobald der Untergrund abgekühlt ist.

Um die Elektronentransportschicht abzuscheiden, verdünnen Sie zunächst 30 nanomolare Titanoxidpaste mit Ethanol auf ein Gewichtsverhältnis von 2:7. Beschallen Sie die Suspension 30 Minuten lang. Dann wird die Probe 30 Sekunden lang bei 5.000 U/min und einer Rampengeschwindigkeit von 2.000 U/min mit der Suspension geschleudert.

Vernichten Sie den Titanfilm 30 Minuten lang bei 500 Grad Celsius, um einen mesoporösen Titanoxidfilm zu erhalten. Tauchen Sie die Probe dann in eine 40 millimolare Lösung aus Titanchlorid und destilliertem Wasser. Behandeln Sie die Proben 20 Minuten lang bei 70 Grad Celsius.

Vernichten Sie die mit Titanchlorid behandelte Probe bei 450 Grad Celsius für weitere 30 Minuten. Übertragen Sie die Probe in eine mit Stickstoff gefüllte Handschuhbox mit einer Luftfeuchtigkeit von weniger als 1 %In einer inerten Atmosphäre mit niedrigem Wasser- und Sauerstoffgehalt fügen Sie 1 Milliliter DMF zu 553 Milligramm Bleijodid hinzu. Erhitzen Sie die Mischung unter ständigem Rühren auf 80 Grad Celsius, bis sich das Bleiiodid aufgelöst hat.

Bereiten Sie dann eine 0,02 molare Lösung des gewählten monovalenten Kationenhalogenids in der Bleiiodidlösung vor. 80 Mikroliter des einwertigen Kationenhalogenids in Bleiiodidlösung auf das Substrat auftragen. Schleudern Sie das Substrat 30 Sekunden lang bei 6.500 U/min mit einer Rampenrate von 4.000 U/min pro Sekunde.

Den entstandenen dünnen Film bei 80 Grad Celsius 30 Minuten backen. Als nächstes lösen Sie 40 Milligramm Methylammoniumiodid in 5 Millilitern Isopropanol. Legen Sie das mit Bleiiodid beschichtete Substrat in einen Schleudercoater und tragen Sie 120 Mikroliter der MAI-Lösung auf.

Lassen Sie die Lösung 45 Sekunden lang auf dem Substrat einwirken und beschichten Sie das Substrat dann 20 Sekunden lang mit MAI bei 4.000 U/min. Vernichten Sie den Perowskitfilm 45 Minuten lang bei 100 Grad Celsius. Um die gesamte Transportschicht abzuscheiden, fügen Sie zuerst 1 Milliliter Chlorbenzol zu 72,3 Milligramm Spiro-MethoxyTAD hinzu.

Schütteln Sie die Mischung, bis die Lösung transparent erscheint. Bereiten Sie eine Stammlösung von 520 Milligramm Lithium-TFSI in 1 Milliliter Acetonitril vor. Mischen Sie dann 17,5 Mikroliter der Lithium-TFSI-Lösung in 28,8 Mikrolitern 4-tert-Butylpyridin mit der Spiro-MethoxyTAD-Lösung.

Die Probe wird 30 Sekunden lang bei 4.000 U/min und einer Rampengeschwindigkeit von 2.000 U/min mit dieser Mischung geschleudert. Decken Sie die Probe mit einem Maskenmuster für die oberen Kontakte der Solarzelle ab. Scheiden Sie eine 80 Nanometer dicke Goldschicht mit einer Geschwindigkeit von 0,01 Nanometern pro Sekunde auf die Probe auf, um die Herstellung der Solarzelle abzuschließen.

Dünne Schichten aus reinen und additiven Perowskiten wurden mit den entsprechenden Bleiiodidfilmen verglichen. Bei der Verwendung von Natriumiodid als Additiv wurden große astförmige Kristalle aus Bleiiodid von FESEM zusammen mit großen, asymmetrischen Perowskitkristallen beobachtet. Bei der Verwendung von Kupferiodid und Silberiodid als Additive wurden gleichmäßige, lochfreie Perowskitschichten beobachtet.

Die Röntgenbeugung zeigte, dass die Kationendotierung keinen Einfluss auf die Perowskit-Kristallstruktur hatte. Es wurde kein Peak beobachtet, der einem nicht umgewandelten Bleiiodid entsprach, wenn Natriumiodid oder Kupferbromid als Zusatzstoff verwendet wurde. Die Kelvin-Sondenkraftmikroskopie zeigte, dass sich die dotierten Perowskit-Fermi-Spiegel in Richtung des Valenzbandes verschoben haben.

Die dotierten Proben zeigten eine erhöhte Leitfähigkeit in Elektronen- und Ganzkörpermobilitäten, insbesondere bei den Natriumiodid- und Kupferbromidproben. Auch beim Kurzschlussstrom im Füllfaktor wurde ein Anstieg beobachtet. Der stärkere Anstieg des Kurzschlussstroms in Kupferbromid- und Natriumiodid-basierten Zellen wurde auf die vollständige Umwandlung von Bleiiodid und eine verbesserte Ladungsmobilität zurückgeführt.

Verbesserungen der Leerlaufspannung wurden für Kupferiodid- und Silberiodid-basierte Solarzellen beobachtet, wahrscheinlich aufgrund ihrer gleichmäßigen lochfreien Oberflächen. Die Wirkungsgrade der Energieumwandlung von Solarzellen auf Natriumiodid-, Kupferbromid- und Kupferiodidbasis waren alle deutlich höher als die einer unberührten Perowskitzelle. Wir haben eine einfache Dotierungsmethode demonstriert, die mit der Lösungsverarbeitung von Methylammonium-Bleihalogenid-Perowskit als Absorberschicht in der mesoskopischen Perowskit-Solarzellenstruktur kompatibel ist.

Die optoelektronischen und strukturellen Eigenschaften von Bleihalogenid-Perowskit-Materialien können durch Kontrollmengen von monovalenten Kationendotierungen eingestellt werden, was zu einer überlegenen photovoltaischen Leistung führen kann. Unsere Methode ebnete Forschern auf dem Gebiet der Photovoltaik den Weg, diese Technik in anderen Konfigurationen von Perowskit-Solarzellen zu erforschen, um die elektronische Qualität von Perowskit-Dünnschichten weiter zu verbessern.