Dopaje de cationes monovalentes de CH

El objetivo general de este procedimiento es mejorar las propiedades optoelectrónicas de la perovskita de haluro de plomo mediante la dopaje con cationes monovalentes para fabricar celdas solares de perovskita altamente eficientes. La incorporación de cationes monovalentes en la perovskita de haluro de plomo mejora significativamente la calidad del semiconductor y el comportamiento del efecto fotoeléctrico de este material. La adición de una cantidad racional de dopantes catiónicos monovalentes de bajo costo a los materiales de perovskita mejora la movilidad de carga y reduce el desorden energético en un orden de magnitud.

Para comenzar a comparar el sustrato, utilice cinta adhesiva acrílica semitransparente para cubrir 2/3 del lado conductor de un portaobjetos de vidrio recubierto con FTO. Luego, recubra las áreas descubiertas con polvo de zinc. Vierta una solución de ácido clorhídrico 2 M en agua destilada sobre el portaobjetos para grabar el sustrato.

Utilice un hisopo de algodón para limpiar el residuo de las secciones expuestas del portaobjetos. Enjuague el sustrato FTO grabado con agua destilada y luego retire la cinta. Lave la superficie grabada en una solución al 2% en peso por volumen de detergente líquido alcalino concentrado y agua.

Sonicar el sustrato de FTO durante 10 minutos en baños de acetona e isopropanol, respectivamente. Tratar el sustrato de FTO en un limpiador de plasma de oxígeno durante 15 minutos para finalizar la limpieza del sustrato grabado. Para depositar toda la capa compacta de óxido de titanio bloqueante, primero coloque el sustrato de FTO grabado y limpio sobre una placa calefactora a 450 grados Celsius.

Cubra inmediatamente el área de contacto con una lámina de vidrio precortada y permita que el sustrato se caliente a 450 grados Celsius. Mezcle 0,6 mililitros de TAA con 7 mililitros de isopropanol. Cuando el sustrato alcance 450 grados Celsius, aplique la solución de TAA al sustrato mediante pirólisis por pulverización utilizando aire como gas portador.

Deje la muestra a 450 grados Celsius durante 30 minutos. Luego, permita que la muestra se enfríe a temperatura ambiente. Retire la cubierta de vidrio una vez que el sustrato se haya enfriado.

Para depositar la capa de transporte de electrones, primero diluya la pasta de óxido de titanio de 30 nanomolar con etanol hasta una proporción de 2:7 en peso. Somete la suspensión a sonicación durante 30 minutos. Luego, aplique la suspensión sobre la muestra mediante centrifugación a 5.000 RPM durante 30 segundos, con una tasa de aceleración de 2.000 RPM por segundo.

Calcine la película de titanio a 500 grados Celsius durante 30 minutos para obtener una película de óxido de titanio mesoporosa. Luego sumerja la muestra en una solución de 40 milimolares de cloruro de titanio y agua destilada. Trate las muestras a 70 grados Celsius durante 20 minutos.

Aniquile la muestra tratada con cloruro de titanio a 450 grados Celsius durante otros 30 minutos. Transfiera la muestra a una caja de guantes llenada con nitrógeno y con una humedad inferior al 1 %. En una atmósfera inerte con bajo contenido de agua y oxígeno, agregue 1 mililitro de DMF a 553 miligramos de yoduro de plomo. Caliente la mezcla a 80 grados Celsius mientras agita continuamente hasta que el yoduro de plomo se haya disuelto.

Luego, prepare una solución 0,02 molar del haluro de catión monovalente elegido en la solución de yoduro de plomo. Aplique 80 microlitros del haluro de catión monovalente en la solución de yoduro de plomo sobre el sustrato. Realice el recubrimiento por centrifugado del sustrato durante 30 segundos a 6 500 RPM con una velocidad de rampa de 4 000 RPM por segundo.

Coloque la película delgada resultante en el horno a 80 grados Celsius durante 30 minutos. A continuación, disuelva 40 miligramos de yoduro de metilamonio en 5 mililitros de isopropanol. Coloque el sustrato recubierto con yoduro de plomo en un espinador y aplique 120 microlitros de la solución de MAI.

Deje la solución sobre el sustrato durante 45 segundos y luego aplique el sustrato con MAI mediante centrifugación durante 20 segundos a 4.000 RPM. Aniquile la película de perovskita a 100 grados Celsius durante 45 minutos. Para depositar la capa de transporte completo, primero agregue 1 mililitro de clorobenceno a 72,3 miligramos de spiro-metoxiTAD.

Agite la mezcla hasta que la solución parezca transparente. Prepare una solución stock de 520 miligramos de TFSI de litio en 1 mililitro de acetonitrilo. Luego, mezcle 17.5 microlitros de la solución de TFSI de litio en 28.8 microlitros de 4-tert-butilpiridina con la solución de spiro-metoxiTAD.

Aplicar recubrimiento por centrifugado de la muestra con esta mezcla durante 30 segundos a 4.000 RPM con una velocidad de rampa de 2.000 RPM por segundo. Cubrir la muestra con una máscara patrón para los contactos superiores de la celda solar. Depositar una capa de 80 nanómetros de oro sobre la muestra a una velocidad de 0,01 nanómetros por segundo para finalizar la fabricación de la celda solar.

Se compararon películas delgadas de perovskitas puras y con aditivos con las correspondientes películas de yoduro de plomo. Cuando se utilizó yoduro de sodio como aditivo, se observaron mediante FESEM grandes cristales de yoduro de plomo con forma de ramas junto con cristales de perovskita grandes y asimétricos. Cuando se usaron yoduro de cobre y yoduro de plata como aditivos, se observaron capas de perovskita uniformes y libres de poros.

La difracción de rayos X mostró que el dopaje con cationes no tuvo ningún efecto sobre la estructura cristalina de la perovskita. No se observó ningún pico correspondiente a yoduro de plomo no convertido cuando se usó yoduro de sodio o bromuro de cobre como aditivo. La microscopía de fuerza con sonda Kelvin mostró que los niveles de Fermi de la perovskita dopada se desplazaron hacia la banda de valencia.

Las muestras dopadas mostraron una conductividad aumentada en las movilidades de electrones y de huecos, particularmente en las muestras de yoduro de sodio y bromuro de cobre. También se observaron aumentos en la corriente de cortocircuito y en el factor de relleno. El mayor aumento en la corriente de cortocircuito en las celdas basadas en bromuro de cobre y yoduro de sodio se atribuyó a la conversión completa del yoduro de plomo y a una mejor movilidad de carga.

Se observaron mejoras en el voltaje de circuito abierto para celdas solares basadas en yoduro de cobre y yoduro de plata, probablemente debido a sus superficies uniformes y libres de poros. Las eficiencias de conversión de potencia de las celdas solares basadas en yoduro de sodio, bromuro de cobre y yoduro de cobre fueron todas notablemente más altas que la de una celda perovskita prístina. Hemos demostrado un método de dopado sencillo que es compatible con el procesamiento en solución del perovskita de haluro de metilamonio y plomo como capa absorbente en la estructura de celda solar perovskita mesoscópica.

Las propiedades optoelectrónicas y estructurales de los materiales de perovskita de haluro de plomo pueden ajustarse mediante el control de cantidades de dopantes catiónicos monovalentes, lo que puede conducir a un rendimiento fotovoltaico superior. Nuestro método allanó el camino para que los investigadores en el campo de la fotovoltaica exploren esta técnica en otras configuraciones de celdas solares de perovskita con el fin de mejorar aún más la calidad electrónica de las películas delgadas de perovskita.