Artículo de método

Dopaje de cationes monovalentes de CH

17.1K vistas

⸱

DOI:

10.3791/55307

⸱

19 de marzo de 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
1Cavendish Laboratory, University of Cambridge, 2Institute of Chemical Sciences and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne

En este artículo

Resumen

A continuación, se presenta un protocolo para ajustar las propiedades de CH 3 NH 3 3 PBI solución de procesado a través de la incorporación de aditivos de cationes monovalentes con el fin de alcanzar las células solares de alta eficiencia perovskita.

Resumen

Aquí, nos demuestran la incorporación de aditivos catión monovalente en CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita con el fin de ajustar la óptica, excitónica y propiedades eléctricas. La posibilidad de dopaje se investigó mediante la adición de haluros de catión monovalente con radios iónicos similares a Pb 2+, incluyendo Cu +, Na +, y Ag +. Un cambio en el nivel de Fermi y una notable disminución de la absorción óptica sub-banda prohibida, junto con un trastorno de menor energía en la perovskita, se logró. se alcanzó una mejora de un orden de magnitud en la movilidad agujero mayor y una reducción significativa de la energía de activación de transporte dentro de un dispositivo de perovskita a base de aditivo. La confluencia de las propiedades mejoradas anteriormente mencionadas en la presencia de estos cationes condujo a una mejora en los parámetros fotovoltaicas de la célula solar de perovskita. Un aumento de 70 mV en el voltaje de circuito abierto para AgI y 2 mA / cm2 improvement en la densidad de fotocorriente para las células solares basadas en CuBr NaI- y se lograron en comparación con el dispositivo prístina. Nuestro trabajo abre el camino para nuevas mejoras en la calidad optoelectrónico de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita y dispositivos posteriores. Se destaca una nueva vía para las investigaciones sobre el papel de impurezas dopantes en la cristalización y controla la densidad de defectos electrónica en estructuras de perovskita.

Introducción

En la actualidad, la parte dominante de la demanda de energía del mundo (es decir, el 85%) está siendo suministrado por la combustión de petróleo, carbón y gas natural, lo que facilita el calentamiento global y tiene efectos nocivos sobre el medio ambiente 1. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de CO 2 -Diseño Neutro de energía es de interés primordial. La energía fotovoltaica (PV) es un proceso de conversión de energía ideal que puede cumplir con este requisito. Sin embargo, el costo y la eficiencia, ya que los principales obstáculos para la amplia adopción de la tecnología fotovoltaica, se debe mejorar. Las tecnologías emergentes fotovoltaicos basados ​​en nuevos materiales, como las células solares perovskita (PSC), tiene la combinación de un menor coste y una mayor eficiencia. Esto se logra mediante la utilización de materiales baratos que están fácilmente disponibles, así como a través rápido, fácil, y rutas de procesamiento de baja energía en comparación con sus homólogos basados en silicio 2, 3,4. Una mejora notable en la eficiencia de conversión de potencia (PCE), de 3,8% a más del 22%, se ha informado de híbridos perovskita de haluro de plomo orgánicos-inorgánicos, desde su primera aparición en la arquitectura PV 5, 6, 7, 8. Tal excelente rendimiento origina a partir de la fuerte absorción de la luz con una banda de punta muy afilada, el trastorno de muy baja energía, los excitones ligados débilmente que se disocian fácilmente en portadores libres con grandes longitudes de difusión, y la capacidad de reciclaje de fotones de híbrido orgánico-inorgánico El haluro de plomo perovskita 9, 10, 11, 12. Estos materiales se clasifican en la familia de la perovskita, que se cristalizó a partir de sales de haluro y de halogenuros metálicos orgánicos para formar cristales en el ABX 3 Estructura, donde X es un anión y A y B son cationes de diferentes tamaños (A es mayor que B). cationes comunicadas para el sitio incluyen metilamonio (MA), formamidinium (FA), y el cesio (Cs); una combinación de estos cationes muestra el más alto 13 rendimiento, 14. Además, el candidato principal para el catión divalente en el sitio B es de plomo, que puede ser sustituido por el estaño; el intervalo de banda puede ser desplazada al rojo con éxito a más de 1.000 nm en un plomo-estaño mezclado perovskita 15. Del mismo modo, los ocupantes X-sitio se han estudiado extensamente, donde se introdujo una mezcla de yoduro de (I) y bromuro (Br) como los principales candidatos 16, 17. Por lo tanto, es muy plausible para manipular las propiedades estructurales, morfológicos, y optoelectrónicos de perovskitas mediante la alteración de su composición química.

A pesar de que la cris mejoradacalidad lline y la uniformidad macroscópica de la película perovskita son parámetros fundamentales para crear dispositivos eficientes 18, el impacto de los límites entre los dominios policristalinos, el origen y la función de los defectos electrónicos en los absorbedores de perovskita, y el papel de las capas de recogida de forma gratuita bajo procesos de pérdida de las células solares de perovskita todavía no están bien comprendidos. En cuanto a la naturaleza de los defectos electrónicos en la estructura perovskita, se ha informado de que muchos de los defectos, tales como I o Pb vacantes, dar lugar a estados que están muy cerca o dentro del continuo de estados en las bandas de conducción y de valencia, que podría tener un impacto negativo en la electrónica de los dispositivos fotovoltaicos 19. Además, una fuerte interacción de unión covalente entre cationes y aniones de yoduro de plomo en el plano perovskita puede dar lugar a la existencia de defectos intrínsecos (por ejemplo, bajo-Pb coordinado dímeros y trímeros I), lo que podría creatsitios e dentro de la banda de borde que actúan como centros de recombinación de carga durante el funcionamiento del dispositivo 20.

Aquí, investigamos el impacto de dopaje CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita con haluros de catión monovalente, incluyendo Na +, Cu + y Ag +, iones de metales de menor valencia que Pb 2+. Por lo tanto, incorporamos estos cationes a través de la adición de una cantidad racional de sus sales basadas en haluro (por ejemplo, NaI, CuBr, CuI, y AgI) en la solución de perovskita precursor. Estos cationes tienen radios iónicos similares a Pb 2+, por lo que el dopaje de sustitución dentro del cristal es probable. Hemos demostrado que la presencia de estos cationes afecta fuertemente tanto la morfología y la cobertura de la capa de perovskita. Además, la presencia de estos cationes (por ejemplo, Na + y Ag +) ha sido confirmada por espectroscopia de rayos X de fotoelectrones (XPS), y una significativos llevadost cambio en el nivel de Fermi de perovskita se mide por la fuerza microscopio de sonda Kelvin (KPFM). Mediante la incorporación de estos cationes en las células solares de perovskita depositadas secuencialmente, hemos logrado una mejora en la eficiencia fotovoltaica del PSC (15,6% en comparación con el 14%). Por lo tanto, es muy esencial para mejorar las propiedades estructurales y optoelectrónicos de la capa absorbente (por ejemplo, perovskita) en la arquitectura de célula solar para maximizar el transporte de carga y para pasivar las trampas de superficie con el fin de alcanzar el más alto rendimiento de PV.

Protocolo

1. Síntesis y deposición de CH prístina y basada en el Aditivo 3 NH3 PBI 3

NOTA: Todas las soluciones se prepararon en el interior de una caja de guantes de argón en condiciones de humedad ya controlado de oxígeno (H2O nivel: <1 ppm y O2 nivel: <10 ppm).

  1. Disolver 553 mg (1,2 M) de PBI 2 en 1 ml de N, N-dimetilformamida (DMF) bajo agitación constante a 80 ° C.
  2. Añadir 0,02 M de haluros de catión monovalente a la solución de PBI 2.
  3. Spin-capa de la solución transparente de color amarillo resultante sobre el sustrato (por ejemplo, mesoporosa-TiO2) durante 30 s a 6.500 rpm con una rampa de 4.000 rpm.
  4. Hornear las películas sobre una placa caliente a 80 ° C durante 30 minutos.
  5. Disolver 40 mg de yoduro de metilamonio (MAI) en 5 ml de isopropanol.
  6. Spin-capa una cantidad suficiente de solución de MAI en las películas de yoduro de plomo resultantes utilizando un protoc de dos pasosol que incluye 45 s de tiempo de carga seguido por 20 s de hacer girar a 4.000 rpm.
  7. Recocido de las películas de perovskita mediante revestimiento por centrifugación sobre una placa caliente a 100 ° C durante 45 min.

2. La fabricación de la célula solar

  1. preparación del sustrato
    1. Patrón de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) de vidrio recubierta.
      1. Cubrir el área activa del vidrio FTO con cinta adhesiva semitransparente.
      2. Verter el polvo de zinc (Zn) en las zonas no cubiertas de los sustratos FTO.
      3. Preparar 2 M de ácido clorhídrico (HCl) en agua destilada.
      4. Verter la solución de HCl en la parte del vidrio FTO que se cubre con polvo de Zn.
      5. Lavar el FTO con agua y retire la cinta.
    2. Limpieza de los sustratos
      1. Lavar el vidrio FTO usando 2% (w / v) de detergente.
      2. Sonicar los sustratos FTO grabadas en acetona e isopropanol (IPA) durante 10 minutos.
      3. El tratamiento de los sustratos con una FTO ULTRAViolet / O 3 limpiador para 15 min.
  2. La deposición de una capa de bloqueo de huecos
    1. Añadir 0,6 ml de bis diisopropóxido de titanio (acetilacetonato) (TAA) en 7 ml de IPA.
    2. Poner los sustratos FTO limpiados y estampadas en una placa caliente a 450 ° C y para abarcar el área de contacto antes del calentamiento.
    3. Pulverizar la solución de pirólisis TAA en el área descubierta usando O 2 como gas portador.
    4. Deja las muestras a 450 ° C durante 30 min.
  3. La deposición de una capa de transporte de electrones
    1. Diluir la pasta de TiO2 comercial (tamaño de partícula de 30 nm) con etanol (2: 7, relación de peso).
    2. Homogeneizar la dilución TiO 2 por sonicación durante 30 min.
    3. Spin-capa de óxido de titanio en la dilución de las muestras preparadas con el compactas capas de TiO2 durante 30 s a 5.000 rpm con una rampa de 2.000 rpm.
    4. Recocido de las películas de óxido de titanio a 500 ° C durante 30min.
    5. Tratar a los resultantes mesoporosos de TiO2 películas en una solución 40 mM de TiCl4 en agua destilada a 70 ° C durante 20 minutos.
    6. Recocer el TiCl 4 películas tratadas a 450 ° C durante 30 min.
  4. La deposición de la capa de perovskita
    NOTA: Los sustratos FTO con capas de óxido de titanio se transfirieron a una caja de aire seco con una humedad de <1% para el resto del proceso de fabricación.
    1. Spin-capa las soluciones preparadas yoduro de plomo (con y sin agentes de dopado) sobre el TiO mesoporoso 2 durante 30 s a 6500 rpm con una rampa de 4000 rpm.
    2. Hornear las películas sobre una placa caliente a 80 ° C durante 30 minutos.
    3. Spin-capa una cantidad suficiente de solución de MAI en las películas de yoduro de plomo resultantes utilizando un protocolo de dos pasos que incluye 45 s de tiempo de carga seguido de girar durante 20 s a 4000 rpm con una rampa de 2000 rpm.
    4. Recocido de las películas de perovskita mediante revestimiento por centrifugación sobre un hotplaTE a 100 ° C durante 45 min.
  5. La deposición de la capa de transporte de huecos
    1. Añadir 72,3 mg de espiro-OMeTAD a 1 ml de clorobenceno y agitar hasta que la solución se vuelve transparente.
    2. Hacer una solución madre de bis (trifluorometilsulfonil) imida (LiTFSI) mediante la adición de 520 mg de LiTFSI en acetonitrilo.
    3. Añadir 17,5 l de la solución madre de LiTFSI y 28,8 l de 4- terc -butylpyridine (TBP) a la solución de espiro-OMeTAD.
    4. Spin-capa de la solución anterior durante 30 s a 4.000 rpm con una rampa de 2.000 rpm.
  6. Evaporación térmica del contacto superior
    1. Enmascarar las muestras y ponerlas en la cámara de vacío del evaporador.
    2. Evaporar 80 nm de oro a una velocidad de 0,01 nm / s.

Resultados

Emisión de campo de microscopía electrónica de barrido (FESEM) se utilizó para grabar las dos imágenes de cortes transversales de las células solares fabricadas perovskita (Figura 1) y ver imágenes superiores de los PBI 2 y CH 3 NH 3 PBI 3 películas depositadas (Figura 2). Se emplearon de difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para caracterizar las propiedades estructurales de las películas de perovskita (Figuras 3 y 4). Espectroscopia fototérmica de desviación (PDS) y Kelvin microscopía de fuerza de la sonda (KPFM) fueron usados para investigar las propiedades ópticas y eléctricas de las películas de perovskita, respectivamente (Figuras 5 y 6). Además, las mediciones de transporte a granel dependientes de la temperatura sobre la base de corriente limitada carga espacial (SCLC) se realizó en los dispositivos de perovskita (Figura 7). Finalmente, un photovolta estándarmedición ic de los dispositivos fabricados se realizó (Figura 8 y en la Tabla 1).

Basado en la vista superior imágenes de SEM de la PBI 2 y CH 3 NH 3 PBI 3 depositado sobre la mesoporoso TiO 2 capa (mp-TiO 2) que se muestra en la Figura 2, se ilustra el efecto de los aditivos sobre la morfología de perovskita donde grandes cristales en forma de rama de PBI-2 se lograron en la muestra basada en NaI. Esto condujo a la formación de cristales asimétricos más grandes de perovskita. Por otra parte, se obtuvo una capa uniforme y libre de perovskita estenopeica-nivelación para las muestras basadas en AgI y CuI- (figura 2c y 2e). Para investigar el efecto de los aditivos de haluro de cationes monovalentes en la estructura cristalina de CH 3 NH 3 PBI 3 y en la conversión de PBI 2 en CH 3 NH 3 PBIDifracción 3, de rayos X se llevó a cabo (Figura 3). Aunque la estructura cristalina de la perovskita último sigue siendo el mismo para todas las muestras, es evidente que el pico de difracción a 2θ = 12,6, que corresponde a los no convertidos PBI 2, fue eliminado en la presencia de aditivos NaI y CuBr. Con el fin de confirmar la presencia de estos cationes monovalentes dentro de la CH 3 NH 3 PBI 3 películas de perovskita, que lleva a cabo un análisis XPS, como se muestra en la Figura 4. Sobre la base de los datos de XPS, hemos demostrado la presencia de iones de Na y de Ag dentro de las películas de perovskita, mientras que la concentración de Cu no puede ser estimado, probablemente debido a la cercanía de yoduro de (I 3P1 / 2) y cobre (Cu 2P1 / 2) picos.

El efecto de los aditivos cationes monovalentes en el espectro de absorción de la perovskita se muestra en la figura 5a, que se midió por PDS.Es evidente que el basado en aditivo CH 3 NH 3 PBI 3 tenía una menor absorción de sub-banda prohibida en comparación con la muestra prístina. Además, se observó una cola de absorción para las muestras a base de Cu, que se originó a partir de la absorción intrínseca de haluro de cobre (Figura 5b). Aunque la cola de absorción confirma la presencia de cationes de Cu en las películas finales de perovskita, es evidente, en base a la comparación entre los PDS de PBI 2 y CH 3 NH 3 PBI 3, que su incorporación no es completa basa-CuI. Además, la energía Urbach (UE), que es una medida del grado de trastorno energético de un material, se estimó para perovskita prístino, a base de AgI NaI-, CuBr-, CuI-, y, y los valores son 15,6, 11.8, 12.8, 13.5, y 15.2 meV, respectivamente (inserción de la figura 5a).

Para investigar la influencia de los aditivos mencionados en la electrONIC estructura de CH 3 NH 3 PBI 3, se realizó KPFM, donde se mide la diferencia de potencial de contacto (CPD) de los perfiles de línea. Esto corresponde a la función de trabajo de superficie (Φ) de la perovskita se muestra en la Figura 6. Un claro cambio en el CPD (es decir, 0,1 V) de aditivo a base de perovskita en comparación con el uno prístino muestra que el nivel de Fermi perovskita se desplaza hacia la banda de valencia. Este cambio en el nivel de Fermi de perovskita se puede atribuir a cualquiera de sustitución p-dopado (por ejemplo, la sustitución de Pb 2+ con cationes monovalentes X +) o pasivación de la superficie en las superficies cristalinas de perovskita.

Para investigar el efecto de dopaje de la densidad de los cargos y en sus propiedades de transporte en CH 3 NH 3 3 PBI, hemos realizado mediciones de transporte a granel dependientes de la temperatura (Figura 7a ). A continuación, calcula la movilidad de los graneleros (μ SCL) en base a la carga espacial corriente limitada (SCLC) del electrón completa y dispositivos basados en perovskita aditivo orificio de sólo prístino y. Se lograron un notable incremento en la conductividad y en ambos las movilidades de electrones y huecos, en particular para las muestras de NaI y CuBr en comparación con perovskita prístina (Tabla 1). Es notable que la mejora en la movilidad de carga y la conductividad son consistentes con la mejora en la corriente de cortocircuito (J sc) y factor de llenado (FF) de las células solares fabricadas se muestran en la Figura 7b. Por otra parte, se ha estimado la energía de activación para el transporte de carga (E A), tanto para el electrón y el agujero usando mediciones de transporte a granel dependientes de la temperatura, en donde se logró una clara disminución de la perovskita basados en aditivo. Esta mejora se atribuye a la mayor densidad de portadores a causa de dopaje y TH llenadotrampas de transporte de correo, lo que resulta en una disminución significativa de la barrera de transporte.

Se han fabricado células solares perovskita basado en los haluros antes mencionados cationes monovalentes, las correspondientes curvas de riesgo compartido, y los parámetros fotovoltaicos que se resumen en la Figura 8a y en la Tabla 1. Una mejora significativa en el voltaje de circuito abierto se logró tanto para CuI- (0,99 V) y AgI- (1,02 V) células solares debido a la cobertura de la superficie ideal basado (figura 2c y 2e). Por otra parte, un notable incremento en la corriente de cortocircuito (≈2 mA cm -2) para CuBr- y las células solares basadas en NaI se alcanzó, que puede ser atribuido a la conversión completa de PBI 2 en CH 3 NH 3 PBI 3. Esta mejora se confirmó por los espectros incidente eficiencia de conversión de fotón a corriente (IPCE) se muestra en la Figura 8b. Finalmente, hla eficiencia de conversión de energía igher (PCE) niveles de 15.2%, 15.6%, y 15.3% fueron alcanzados por NaI-, CuBr- y dispositivos basados ​​en Cui, respectivamente, en comparación con el valor de 14,0% para la célula solar perovskita prístina.

figure-results-1
Figura 1: perovskita Mesoscópica arquitectura de la célula solar. Micrografía SEM de la sección transversal de un dispositivo completo con la siguiente estructura: FTO / compact-TiO2 / mesoporosa-TiO2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au.

figure-results-2
Figura 2: Análisis morfológico de yoduro de plomo y estructuras de perovskita. Top-view imágenes SEM de PBI 2 (lado izquierdo) y CH 3 NH 3 PBI 3 (lado derecho) estructuras: (a) prístina, ( rong> b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI-, y (e) las muestras de perovskita basados en AgI depositados en una TiO 2 mesoporosa presenta el revestimiento FTO. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-3
Figura 3: Efecto de los aditivos de haluro de cationes monovalentes en la cristalinidad de perovskita. Los espectros de difracción de rayos X de CH prístina y basada en el aditivo 3 NH 3 PBI 3 perovskita que se cultiva en la película mesoporosa TiO 2, que se deposita sobre el vidrio recubierta con FTO. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18.t = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-4
Figura 4: Rastro de cationes monovalentes en el CH 3 NH 3 3 PBI estructura de perovskita. El análisis XPS de películas vírgenes, perovskita basados ​​en AgI CuBr-, CuI-, NaI-, y. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-5
Figura 5: Propiedades ópticas de películas de perovskita. (A) Los espectros de absorción de películas de perovskita derivados de fuentes de plomo vírgenes y basadas en aditivos midió usando la técnica de PDS. losrecuadro muestra las correspondientes energías Urbach para todas las muestras. La barra de error se define por la SD en la adaptación de la cola Urbach. (B) Comparación de los espectros de absorción de películas PDS vírgenes y yoduro de plomo a base de CuBr y perovskita, así como CuBr deposita sobre ms-TiO 2 y CuBr solo para películas. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-6
Figura 6: Efecto de los aditivos de cationes monovalentes en el potencial de la superficie de las películas de perovskita. perfiles de línea de CPD registrados a partir de películas de perovskita vírgenes y aditivos a base de KPFM utilizando. La imagen de la topografía AFM se muestra en la parte superior. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-7
Figura 7: características de transporte de carga de películas perovskita. (A) las características de riesgo compartido de dispositivos agujero de sólo (ITO / PEDOT: PSS / perovskita / Au), utilizados para la estimación de la movilidad de los huecos SCLC. Tenga en cuenta que la densidad de corriente (J) se escala con el espesor de las capas de perovskita. (B) Las tendencias en el sc J, mu h, y μ electrónico para perovskita prístina y basada en el aditivo. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-8
Figura 8: características de rendimiento fotovoltaico. (A) las características de corriente-voltaje de los dispositivos bajo una iluminación de 100 mW / cm 2, obtenidos usando diferentes tipos de haluros de catión monovalente añadido a la solución de fuente de plomo. (B) Incidente eficiencia fotón a corriente (IPCE) espectros como una función de la longitud de onda de luz monocromática para las células vírgenes, con sede en AgI CuBr-, CuI-, NaI-, y perovskita solares. Esta cifra se ha reproducido de la referencia 18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tipo de Muestra J SC V OC FF PCE μ correo μ h E A e E Una h
(mA cm -2) (V) (%) (cm 2 / Vs) (cm 2 / Vs) (MeV) (MeV)
Prístino 21.03 0.95 0.70 14.01 0.02 0,008 135 198
CuBr 22.92 0.95 0,72 15.61 0.05 0,04 88 132
CuI 21.81 0.99 0,71 15.25 0.02 0,036 94 157
NaI 22.97 0,9 0,73 15.14 0.04 0.07 77 137
AgI 19.24 1.02 0,72 14.18 0,005 0,006 105 177

Tabla 1: fotovoltaicos y de transporte de carga parámetros del PSC. Resumen de los parámetros fotovoltaicos derivadas de las mediciones de riesgo compartido y las movilidades de carga, junto con la energía de activación para las células solares cristalinas de perovskita y por motivos de aditivos que muestran el mejor rendimiento y se fabricated usando el método de deposición de dos pasos. Es de destacar que las estadísticas de los parámetros fotovoltaicos siguen la misma tendencia que los mejores dispositivos de rendimiento. Esta tabla se ha reproducido de la referencia 18.

Discusión

Una arquitectura típica de células solares de perovskita mesoscópicos se utilizó en este trabajo, donde una serie de materiales se recubrió por rotación entre un substrato conductor y un contacto de metal evaporado térmicamente (Figura 1). Los mesoporosos TiO 2 capas fueron tratados con TiCl 4, que se informó para pasivar las trampas de la superficie y para mejorar la interfaz entre la capa de transporte de electrones y el material absorbente 21, 22. Después, la capa de perovskita se depositó usando una técnica de deposición en dos etapas secuenciales. La conversión total de haluro de plomo en perovskita en el segundo paso es esencial para lograr el más alto de absorción de luz 16, 17, y nos mostró que los aditivos de haluro de cationes monovalentes (por ejemplo, NaI y CuBr) dan como resultado una conversión completa. Además, la cobertura completa de la capa de óxido de titanio mesoporoso won la perovskita sobre-capa es vital para eliminar el potencial de recombinación entre la capa de transporte de huecos (por ejemplo, Spiro OMETAD) y la capa de transporte de electrones (por ejemplo, mesoporoso TiO 2) 23. Nos ilustra que la adición de los haluros de cationes monovalentes (por ejemplo, CuI y AgI) puede mejorar la cobertura de la superficie de la capa de perovskita tapado, que conduce a una tensión de circuito abierto más alta para el dispositivo.

La principal ventaja de este método es el paso de dopaje, donde incorporamos cationes monovalentes en la estructura CH 3 NH 3 PBI 3 para mejorar la densidad de cargas, el transporte de carga, y la conductividad de la capa de absorbedor. Como se ha indicado en el apartado anterior, los dopantes antes mencionados mejora de forma significativa tanto el electrón y las movilidades de los orificios. Además, una notable disminución en la energía de activación de transporte de carga, así como en el trastorno energética de los perovskipelícula te, se logró mediante el dopaje catión monovalente.

En este trabajo, hemos demostrado un método para dopar CH 3 NH 3 3 PBI como una capa absorbente en el mesoscopic perovskita estructura de célula solar. Haluros de catión monovalente se utilizan para ajustar las propiedades morfológicas, ópticos, eléctricos y de CH 3 NH 3 PBI 3 película de perovskita con el fin de mejorar el rendimiento fotovoltaico. Por lo tanto, incorporamos tres cationes monovalentes diferentes (es decir, Na +, Cu +, y Ag +), que tienen radios iónicos similares a Pb 2+, en la fuente de plomo en el secuencial deposición en dos etapas de CH 3 NH 3 PBI 3 . Como resultado, una notable mejora en las propiedades estructurales y optoelectrónicos de CH 3 NH 3 PBI 3 se produjo en presencia de estos aditivos, que conduce a PCE más altos para las células solares fabricadas. Por lo tanto, nuestro trabajo highlights una manera fácil de dopaje el CH 3 NH 3 PBI 3 como una capa absorbente, que puede ser utilizado en todas las otras configuraciones de células solares de perovskita (por ejemplo, la arquitectura plana) con el fin de mejorar aún más la calidad electrónica de películas delgadas de perovskita.

Los datos subyacentes este documento están disponibles en: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

M. Abdi-Jalebi gracias Nava Technology Limited para una beca de doctorado. MI Dar y M.Grätzel agradecen al Rey Abdulaziz Ciudad de la Ciencia y la Tecnología (KACST) y la Fundación Nacional de Ciencia de Suiza (FNS) de apoyo financiero. Los autores desean agradecer al Dr. Pierre Mettraux en el híbrido molecular y caracterización de materiales Center, EPFL para llevar a cabo las mediciones XPS. A.Sadhanala agradece el apoyo financiero del proyecto indo-Reino Unido APEX. SP Senanayak reconoce la Real Sociedad de Londres para la beca de Newton. RH amigo, M. Abdi-Jalebi, y A. Sadhanala desean reconocer el apoyo de la EPSRC.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Vidrio recubierto de óxido de estaño (FTO) dopado con flúorSigma-Aldrich 735264-1EAResistividad&asíntono; 13 Ω/sq
Polvo de zincSigma-Aldrich 96454Peso molecular 65.39 
Ácido clorhídrico Sigma-Aldrich 84415≥ 37 wt. %
Detergente Hellmanex Sigma-Aldrich Z805939-1EApaquete de 1 L 
Diisopropóxido de titanio bis (acetilacetonato)  Sigma-Aldrich 32525275 % en isopropanol
Pasta de titaniaDYESOLMS00230030 NR-D Pasta de titania transparente
yoduro de plomo (II)Sigma-Aldrich21116899 %
N-Dimetilformamida Sigma-Aldrich 437573reactivo ACS, ≥ 99.8%
Yoduro de metilamonioDYESOLMS101000Polvo 
SpiroMeOTADSigma-Aldrich 79207199% (HPLC)
Bis(trifluorometano)sulfonimida sal de litioSigma-Aldrich 544094base de 99,95% de metales traza 
4-tert-ButilpiridinaSigma-Aldrich 142379Pureza: 96%
ClorobencenoSigma-Aldrich284513anhidro, 99.8%
2-Propanol (IPA)Sigma-Aldrich 278475anhidro, 99,5% 
EtanolSigma-Aldrich2860alcohol absoluto, sin aditivo, ≥ 99.8%
en peso

Referencias

  1. Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307(2016).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
  3. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
  4. Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
  5. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  6. Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591(2012).
  7. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
  8. Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
  9. Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
  10. Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
  11. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  12. Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
  13. Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
  14. Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
  15. Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
  16. Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358(2016).
  17. Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
  18. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472(2016).
  19. Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
  20. Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
  21. Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
  22. Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
  23. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).

Reimpresiones y permisos

Etiquetas

Perovskita de CH3NH3PbI3aditivos de haluro cati nicomovilidad de huecos en volumenreducci n del desorden energ ticomejora del voltaje de circuito abiertomejora de la densidad de fotocorrientem todo de procesamiento en soluci nestructura de celda solar mesosc pica
Dopaje de cationes monovalentes de CH
Contáctenos
Recomendar a la biblioteca

Privacidad

Condiciones de uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados.