Influencia de los híbridos Métodos de Fabricación perovskita en la formación de película, Estructura electrónica y el rendimiento de la célula solar

Presentamos un extenso estudio sobre los efectos de diferentes métodos de fabricación para las películas orgánico / inorgánico perovskita delgadas mediante la comparación de las estructuras cristalinas, la densidad de estados, niveles de energía, y en última instancia, el rendimiento de la célula solar.

El objetivo general de este estudio exhaustivo es presentar cómo los diferentes métodos de fabricación de películas delgadas de perovskita inorgánica orgánica influyen en las estructuras cristalinas, la densidad de estados, los niveles de energía y el rendimiento de las células solares. Este estudio puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de las perovskitas inorgánicas orgánicas híbridas, específicamente cómo los métodos de preparación podrían influir en varias propiedades de capa delgada. Nuestro enfoque consiste en categorizar las capas de perovskita fabricadas de forma diferente utilizando métodos como la espectroscopia de fotoelectrones, la microscopía electrónica de barrido con el fin de controlar la composición de la película, la morfología y/o la densidad de los estados.

Una demostración visual de los pasos de procesamiento y caracterización tan críticos como pequeñas variaciones en la fabricación de películas puede tener efectos importantes en la calidad de la película delgada. Los encargados de demostrar el procedimiento serán Ines Schmidt, Tobias Schnier y Jennifer Emara, un estudiante de maestría y dos de doctorado de mi grupo. Inés y Tobias se centran en el procesamiento de soluciones, mientras que Jenny estudia las capas depositadas al vacío.

Para preparar el material del ánodo conductor que se utilizará como contacto inferior, primero grabe, limpie y ozonice piezas de 2,5 por 2,5 centímetros cuadrados de vidrio recubierto de óxido de indio y estaño. A continuación, extraiga al menos 150 microlitros de 1,5%PEDOT:PSS en agua y colóquelos en una jeringa. Ataque un filtro de 0,45 micras a la punta de la jeringa.

Monte un sustrato de vidrio ITO en un recubridor giratorio en el aire con una humedad relativa del 30 al 50%Dispensar 150 microlitros de la suspensión filtrada PEDOT:PSS sobre la superficie del sustrato. Centrifugar el sustrato a 2.500 rpm durante 25 segundos y a 4.000 rpm durante cinco segundos, con una aceleración de 4.000 rpm por segundo. Caliente el sustrato recubierto de centrifugación a 150 grados centígrados en una placa calefactora durante 10 minutos para eliminar el agua residual de la película PEDOT:PSS.

Para preparar el sustrato recubierto de perovskita por deposición de vapor, primero coloque el sustrato recubierto de PEDOT:PSS en la cámara de vacío del instrumento y evacúe la cámara. Una vez que la presión de la cámara alcance 10 por menos siete milibares, mueva el sustrato a la cámara de evaporación. Asegúrese de que el obturador de la muestra esté cerrado y mueva la microbalanza de cristal de cuarzo de la herramienta frente a la posición de la muestra.

Caliente la fuente de yoduro de plomo a 320 grados Celsius y la fuente de yoduro de metilamonio o MAI a 190 grados Celsius. Controle el aumento de la presión de la cámara causado por la evaporación del MAI. Luego, para cada fuente, deposite una película en el QCM colocado cerca de la muestra y registre simultáneamente los espesores que se muestran en los QCM de la fuente y de la muestra.

A partir de esto, calcule los factores de herramientas para plomo, yoduro y MAI. Para realizar la coevaporación, ajuste las temperaturas de la fuente de modo que la relación entre las tasas de deposición sea de aproximadamente uno a dos yoduro de plomo a MAI. A continuación, abra el obturador de muestra y deposite la película de perovskita.

Alternativamente, para realizar la evaporación secuencial, ajuste las temperaturas de la fuente para calentar solo la fuente de yoduro de plomo. Abra el obturador de muestra, deposite una capa de 50 nanómetros de yoduro de plomo sobre el sustrato y cierre el obturador de muestra. Después de la deposición de la capa de yoduro de plomo, reduzca la temperatura de la fuente de yoduro de plomo y dirija la fuente MAI a la temperatura de evaporación.

Deposite una capa de 50 nanómetros de MAI sobre el sustrato precubierto. Deposición alterna de capas de yoduro de plomo y MAI hasta alcanzar el espesor previsto. Una vez que la película alcance el grosor deseado por cualquiera de los métodos, cierre el obturador y apague los calentadores de la fuente.

Mueva la muestra a una etapa de calentamiento en la cámara de vacío y recociendo la película a 70 grados centígrados durante una hora para eliminar los volátiles y completar la formación de perovskita. Para crear la perovskita por deposición secuencial, primero coloque un sustrato recubierto de PEDOT:PSS en un recubridor de centrifugación en una guantera llena de nitrógeno. Con una pipeta, deje caer 150 microlitros de una solución de 400 miligramos por mililitro de yoduro de plomo y DMF sobre el sustrato.

Aplicar una capa de centrifugado del sustrato a 3.000 rpm durante 30 segundos. Luego, deje caer 150 microlitros de una solución de 10 miligramos por mililitro de MAI e isopropanol sobre la superficie del sustrato y déjelo reposar durante 40 segundos, o sumerja el sustrato en la solución de MAI durante 40 segundos. Retire el exceso de solución del sustrato mediante un recubrimiento giratorio durante 30 segundos a 3.000 RPM.

Recocer el sustrato en una placa caliente a 100 grados centígrados durante 15 minutos para finalizar el proceso de deposición secuencial. Para depositar la película de perovskita con el método de cosolución, en una guantera llena de nitrógeno, disuelva suficiente yoduro de plomo y MAI en la proporción deseada en DMF para obtener una solución precursora de 250 miligramos por mililitro. Si se necesita un aditivo molecular, agregue suficiente cloruro de amonio para lograr una concentración de 18 a 20 miligramos por mililitro en la solución precursora.

Agite la solución precursora a 50 grados centígrados durante cinco horas. A continuación, precaliente un sustrato recubierto de PEDOT:PSS durante cinco minutos en una placa caliente a 50 grados centígrados. Coloque el sustrato calentado en el recubridor giratorio.

Agregue 200 microlitros de tolueno al recipiente del recubrimiento giratorio para crear una atmósfera de tolueno durante el recubrimiento giratorio. Pipetear 150 microlitros de solución precursora sobre el sustrato y centrifugar la capa a 3.000 rpm durante 30 segundos. Caliente el sustrato recubierto de centrifugación durante 30 segundos en una placa caliente a 110 grados centígrados para finalizar el proceso de cosolución.

La calidad de la película de perovskita se puede evaluar visualmente en función del brillo de la superficie. Para continuar con la fabricación de células solares, en una guantera llena de nitrógeno, prepare una solución de 20 miligramos por mililitro de 60 PCBM en clorobenceno como material aceptor. Revuelva la solución a 50 grados centígrados durante al menos 24 horas.

A continuación, coloque un sustrato recubierto de perovskita recién recocido térmicamente sobre una placa metálica durante 30 segundos para que se enfríe a temperatura ambiente. Monte el sustrato enfriado en un recubridor giratorio. Coloque 150 microlitros de solución de 60 PCBM sobre el sustrato y centrifuga la capa a 2.000 RPM durante 30 segundos para formar la capa aceptora.

A continuación, coloque el sustrato en un portamuestras de deposición de vapor y cubra el sustrato con una máscara de sombra. Rasque uno de los puntos de contacto descubiertos con un bisturí para exponer la capa ITO. A continuación, coloque el sustrato enmascarado en la cámara de vacío y prepárese para la deposición de vapor de aluminio.

Deposite 10 nanómetros de aluminio a una velocidad de 0,5 angstroms por segundo como máximo con una presión máxima de tres veces 10 por los seis milibares negativos. A continuación, aumente la velocidad a 2,5 angstroms por segundo y continúe la deposición hasta que la capa de aluminio tenga 100 nanómetros de grosor para formar el contacto superior del cátodo de aluminio. Transporte la célula a una configuración de simulador solar y barra de 0,5 voltios negativos a 1,5 voltios positivos en pasos de 0,02 voltios.

A continuación, escanee en la dirección inversa para comprobar si hay histéresis. Las películas delgadas de perovskita se prepararon con cada uno de los métodos descritos y con diferentes proporciones de yoduro de plomo a MAI. La microscopía electrónica de barrido de las películas depositadas en vapor y las películas preparadas a partir de la cosolución con un aditivo mostraron la superficie lisa y libre de agujeros deseada.

Se observó variación en la morfología con cambios en la relación molar de yoduro de plomo a MAI. Las películas preparadas a partir de la co-solución sin un aditivo, y las películas preparadas por recubrimiento por inmersión y gota mostraron vacíos menos deseables, rugosidad de la superficie y estructuras similares a agujas. La difracción de rayos X de seis muestras de co-solución con diferentes proporciones molares de yoduro de plomo a MAI mostró la estructura cristalina tetragonal típica.

No se observaron fases adicionales de MAI o yoduro de plomo, lo que indica que los métodos de difracción de rayos X no pudieron proporcionar información sobre la composición de la película. Se utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y UV para evaluar la estequiometría y las energías de ionización, respectivamente, de las películas delgadas. Se observó una tendencia al aumento de la energía de ionización con el aumento del contenido de yoduro de plomo en todos los métodos, lo que indica que el efecto es independiente del método de preparación.

Se evaluaron las capacidades de las células solares de películas delgadas con varias proporciones molares de yoduro de plomo a MAI. La mayor eficiencia se observó con una relación molar de 1,02, que es la más cercana a la composición estequiométrica de perovskita. Generalmente, las personas nuevas en este campo de la perovskita híbrida tendrán dificultades porque la formación de la película es muy sensible al método de preparación.

La gran variedad de eficiencias de dispositivos, morfologías y, especialmente, los valores del nivel de energía y la literatura es lo que llamó nuestra atención y motivó este trabajo. Es crucial garantizar un alto grado de reproducibilidad. Todos los pasos de procesamiento y los métodos de caracterización deben realizarse en una atmósfera inerte para evitar la gradación de la perovskita por la exposición al agua.

Y no debe olvidar que trabajar con yoduro de plomo puede ser extremadamente peligroso y, por lo tanto, siempre se deben tomar precauciones, como trabajar en una guantera, mientras se realizan estos procedimientos. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de las influencias que tienen los diferentes métodos de preparación para perovskitas en las estructuras cristalinas, la densidad de estados, los niveles de energía y, en última instancia, el rendimiento de la célula solar. Con nuestro enfoque, lo que queremos hacer es proporcionar información sobre las correlaciones entre la preparación de la película, por un lado, y las propiedades físicas, por el otro, para influir en última instancia en el rendimiento de las células solares.

De particular interés es la posibilidad de ajustar la energía de ionización de las películas de perovskita mediante la incorporación intencional de MAI o yoduro de plomo intersticialis. Esto se puede utilizar para la optimización de interfaces en arquitecturas de dispositivos novedosas. Las técnicas futuras se centrarán en técnicas de preparación más avanzadas que apunten a grandes áreas de dispositivos, incluidos métodos como el recubrimiento de ojos de ranura, técnicas de pulverización e impresión a gran escala.