Dopaje de cationes monovalentes de CH ₃ NH ₃ PBI ₃ Para células solares eficientes perovskita

El objetivo general de este procedimiento es mejorar las propiedades optoelectrónicas de la perovskita de haluro de plomo a través del dopaje catiónico monovalente para tejer células solares de perovskita altamente eficientes. La incorporación de cationes monovalentes en perovskita de haluro de plomo mejora significativamente la calidad del semiconductor y el comportamiento del efecto fotográfico 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 la carga y reduce el desorden energético en un orden de magnitud.

Para comenzar a comparar el sustrato, use cinta adhesiva acrílica semitransparente para cubrir 2/3 del lado conductor de un portaobjetos de vidrio recubierto con FTO. A continuación, cubra las zonas descubiertas con zinc en polvo. Vierta una solución de ácido clorhídrico 2 molar en agua destilada sobre el portaobjetos para grabar el sustrato.

Use un hisopo de algodón para limpiar los residuos 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 de detergente líquido alcalino concentrado y agua al 2% en peso por volumen.

Sonicar el sustrato de FTO durante 10 minutos en baños de acetona e isopropanol en secuencia. Trate el sustrato FTO en un limpiador de plasma de oxígeno durante 15 minutos para terminar de limpiar el sustrato grabado. Para depositar toda la capa compacta de óxido de titanio que bloquea, primero coloque el sustrato FTO grabado y limpio en una placa caliente a 450 grados Celsius.

Cubra inmediatamente el área de contacto con un portaobjetos de vidrio precortado y deje que el sustrato se caliente a 450 grados centígrados. Mezcle 0,6 mililitros de TAA con 7 mililitros de isopropanol. Con el sustrato a 450 grados centígrados, aplique la solución de TAA al sustrato mediante pirólisis por pulverización utilizando aire como gas portador.

Deje que la muestra permanezca a 450 grados centígrados durante 30 minutos. A continuación, deje 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 nanomolares con etanol en una proporción de peso de 2:7. Sonicar la suspensión durante 30 minutos. A continuación, recubra la muestra con la suspensión durante 30 segundos a 5.000 rpm con una velocidad de rampa de 2.000 rpm por segundo.

Aniquile la película de titanio a 500 grados centígrados durante 30 minutos para producir una película de óxido de titanio mesoporosa. A continuación, sumerja la muestra en una solución de 40 milimolares de cloruro de titanio y agua destilada. Trate las muestras a 70 grados centígrados durante 20 minutos.

Aniquilar la muestra tratada con cloruro de titanio a 450 grados centígrados durante otros 30 minutos. Transfiera la muestra a una guantera llena de nitrógeno con una humedad inferior al 1%En una atmósfera inerte con bajo contenido de agua, oxígeno y agua, agregue 1 mililitros de DMF a 553 miligramos de yoduro de plomo. Calienta la mezcla a 80 grados centígrados mientras remueves continuamente hasta que el yoduro de plomo se haya disuelto.

A continuación, prepare una solución 0,02 molar del haluro catiónico monovalente elegido en la solución de yoduro de plomo. Aplique 80 microlitros del haluro catiónico monovalente en una solución de yoduro de plomo al sustrato. Centrifugar el sustrato durante 30 segundos a 6.500 RPM con una velocidad de rampa de 4.000 RPM por segundo.

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

Deje que la solución se asiente en el sustrato durante 45 segundos y luego recubra el sustrato con MAI durante 20 segundos a 4.000 RPM. Aniquilar la película de perovskita a 100 grados centígrados durante 45 minutos. Para depositar toda la capa de transporte, primero agregue 1 mililitro de clorobenceno a 72,3 miligramos de espiro-metoxiTAD.

Agita la mezcla hasta que la solución parezca transparente. Prepare una solución madre de 520 miligramos de litio TFSI en 1 mililitro de acetonitrilo. A continuación, mezcle 17,5 microlitros de la solución de litio TFSI en 28,8 microlitros de 4-terc-butilpiridina con la solución de espiro-metoxiTAD.

Centrifugar la muestra con esta mezcla durante 30 segundos a 4.000 rpm con una velocidad de rampa de 2.000 rpm por segundo. Cubra la muestra con un patrón de máscara para los contactos superiores de la célula solar. Deposite una capa de oro de 80 nanómetros sobre la muestra a una velocidad de 0,01 nanómetros por segundo para terminar de fabricar la célula solar.

Se compararon películas delgadas de perovskitas prístinas y basadas en aditivos con las películas de yoduro de plomo correspondientes. Cuando se utilizó yoduro de sodio como aditivo, FESEM observó grandes cristales de yoduro de plomo en forma de rama junto con grandes cristales de perovskita asimétricos. Cuando se utilizaron yoduro de cobre y yoduro de plata como aditivos, se observaron capas de perovskita uniformes y sin agujeros.

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

Las muestras dopadas mostraron un aumento de la conductividad en las movilidades de electrones y enteros, particularmente para las muestras de yoduro de sodio y bromuro de cobre. También se observaron aumentos de la corriente de cortocircuito en el factor de llenado. El mayor aumento de 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 la mejora de la movilidad de la carga.

Se observaron mejoras en el voltaje de circuito abierto para las células solares basadas en yoduro de cobre y yoduro de plata, probablemente debido a sus superficies uniformes sin agujeros. Las eficiencias de conversión de energía de las células solares basadas en yoduro de sodio, bromuro de cobre y yoduro de cobre fueron notablemente superiores a las de una célula de perovskita prístina. Hemos demostrado un método de dopaje fácil que es compatible con el procesamiento en solución de perovskita de haluro de plomo y metilamonio como capa absorbente en la estructura de la célula solar de perovskita mesoscópica.

Las propiedades optoelectrónicas y estructurales de los materiales de perovskita de haluro de plomo se pueden ajustar mediante cantidades controladas 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 energía fotovoltaica exploraran esta técnica en otras configuraciones de células solares de perovskita para mejorar aún más la calidad electrónica de las películas delgadas de perovskita.