Influence des hybrides pérovskites Méthodes de fabrication sur la formation du film, Structure électronique et Performance de cellules solaires

L’objectif général de cette étude approfondie est de présenter comment différentes méthodes de fabrication de films minces de pérovskite inorganique organique influencent les structures cristallines, la densité des états, les niveaux d’énergie et les performances des cellules solaires. Cette étude peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des pérovskites inorganiques organiques hybrides, en particulier comment les méthodes de préparation pourraient influencer diverses propriétés des couches minces. Notre approche consiste à catégoriser différemment les couches de pérovskites fabriquées à l’aide de méthodes telles que la spectroscopie photoélectronique, la microscopie électronique à balayage afin de surveiller la composition du film, la morphologie et/ou la densité des états.

Une démonstration visuelle du traitement et des étapes de caractérisation aussi critiques que des variations mineures dans la fabrication du film peuvent avoir des effets majeurs sur la qualité du film mince. Ines Schmidt, Tobias Schnier et Jennifer Emara, un étudiant à la maîtrise et deux doctorants de mon groupe, feront la démonstration de la procédure. Ines et Tobias se concentrent sur le traitement des solutions, tandis que Jenny étudie les couches déposées sous vide.

Pour préparer le matériau d’anode conducteur à utiliser comme contact inférieur, gravez d’abord, nettoyez et ozonisez des morceaux de verre revêtu d’oxyde d’indium et d’étain de 2,5 centimètres carrés. Ensuite, aspirez au moins 150 microlitres de 1,5 % de PEDOT :PSS dans de l’eau dans une seringue. Attaquez un filtre de 0,45 micron sur l’extrémité de la seringue.

Monter un substrat en verre ITO sur une machine à revêtir par centrifugation à l’air avec une humidité relative de 30 à 50 %Distribuer 150 microlitres de la suspension PEDOT :PSS filtrée sur la surface du substrat. Appliquez une couche d’éjection du substrat à 2 500 tr/min pendant 25 secondes et à 4 000 tr/min pendant cinq secondes, avec une accélération de 4 000 tr/min par seconde. Chauffez le substrat enduit de centrifugation à 150 degrés Celsius sur une plaque chauffante pendant 10 minutes pour éliminer l’eau résiduelle du film PEDOT :PSS.

Pour préparer le substrat revêtu de pérovskite par dépôt en phase vapeur, placez d’abord le substrat revêtu de PEDOT :PSS dans la chambre à vide de l’instrument et évacuez la chambre. Une fois que la pression de la chambre atteint 10 puissance moins sept millibars, déplacez le substrat vers la chambre d’évaporation. Assurez-vous que l’obturateur de l’échantillon est fermé et déplacez la microbalance à cristal de quartz de l’outillage devant la position de l’échantillon.

Chauffer la source d’iodure de plomb à 320 degrés Celsius et la source d’iodure de méthylammonium ou d’IAM à 190 degrés Celsius. Surveillez l’augmentation de la pression de la chambre causée par l’évaporation du MAI. Ensuite, pour chaque source, déposez un film sur le QCM positionné près de l’échantillon, et enregistrez simultanément les épaisseurs indiquées sur les QCM de la source et de l’échantillon.

À partir de là, calculez les facteurs d’outillage pour le plomb, l’iodure et l’AMI. Pour effectuer la co-évaporation, ajustez les températures de la source de sorte que le rapport entre les taux de dépôt soit d’environ un à deux iodure de plomb pour un MAI. Ouvrez ensuite l’obturateur d’échantillon et déposez le film de pérovskite.

Alternativement, pour effectuer une évaporation séquentielle, ajustez les températures de la source pour chauffer uniquement la source d’iodure de plomb. Ouvrez l’obturateur d’échantillon, déposez une couche de 50 nanomètres d’iodure de plomb sur le substrat et fermez l’obturateur d’échantillon. Après le dépôt de la couche d’iodure de plomb, réduisez la température de la source d’iodure de plomb et dirigez la source d’AMI à la température d’évaporation.

Déposez une couche de 50 nanomètres de MAI sur le substrat pré-recouvert. Alterner le dépôt des couches d’iodure de plomb et de MAI jusqu’à ce que l’épaisseur prévue soit atteinte. Une fois que le film atteint l’épaisseur souhaitée par l’une ou l’autre méthode, fermez l’obturateur et éteignez les radiateurs sources.

Déplacez l’échantillon vers une étape de chauffage dans la chambre à vide et recuit le film à 70 degrés Celsius pendant une heure pour éliminer les substances volatiles et terminer la formation de pérovskite. Pour créer la pérovskite par dépôt séquentiel, placez d’abord un substrat revêtu de PEDOT :PSS dans une machine à gant remplie d’azote. À l’aide d’une pipette, déposer 150 microlitres d’une solution de 400 milligrammes par millilitre d’iodure de plomb et de DMF sur le substrat.

Appliquez une couche de rotation sur le substrat à 3 000 tr/min pendant 30 secondes. Ensuite, déposez 150 microlitres d’une solution de 10 milligrammes par millilitre de MAI et d’isopropanol sur la surface du substrat et laissez-le reposer pendant 40 secondes, ou immergez le substrat dans la solution de MAI pendant 40 secondes. Retirez l’excès de solution du substrat par centrifugation pendant 30 secondes à 3 000 tr/min.

Recuire le substrat sur une plaque chauffante à 100 degrés Celsius pendant 15 minutes pour terminer le processus de dépôt séquentiel. Pour déposer le film de pérovskite avec la méthode de la co-solution, dans une boîte à gants remplie d’azote, dissoudre suffisamment d’iodure de plomb et d’AMI dans le rapport souhaité dans le DMF pour obtenir une solution de précurseur de 250 milligrammes par millilitre. Si un additif moléculaire est nécessaire, ajoutez suffisamment de chlorure d’ammonium pour obtenir une concentration de 18 à 20 milligrammes par millilitre dans la solution de précurseur.

Remuez la solution de précurseur à 50 degrés Celsius pendant cinq heures. Ensuite, préchauffez un substrat enduit de PEDOT :PSS pendant cinq minutes sur une plaque chauffante à 50 degrés Celsius. Placez le substrat chauffé dans l’encoucheuse d’essorage.

Ajoutez 200 microlitres de toluène dans le bol de l’enrobage d’essorage pour créer une atmosphère de toluène pendant l’enrobage d’essorage. Pipeter 150 microlitres de solution précurseur sur le substrat et essorer la couche à 3 000 tr/min pendant 30 secondes. Chauffez le substrat enduit de centrifugation pendant 30 secondes sur une plaque chauffante à 110 degrés Celsius pour terminer le processus de co-solution.

La qualité du film de pérovskite peut être évaluée visuellement en fonction de la brillance de la surface. Pour procéder à la fabrication de cellules solaires, dans une boîte à gants remplie d’azote, préparez une solution de 20 milligrammes par millilitre de 60 PCBM dans du chlorobenzène comme matériau accepteur. Remuez la solution à 50 degrés Celsius pendant au moins 24 heures.

Placez ensuite un substrat recouvert de pérovskite fraîchement recuit thermiquement sur une plaque métallique pendant 30 secondes pour le refroidir à température ambiante. Montez le substrat refroidi dans une machine à revêtir. Placez 150 microlitres de solution de 60 PCBM sur le substrat et faites tourner la couche à 2 000 tr/min pendant 30 secondes pour former la couche accepteur.

Ensuite, placez le substrat dans un porte-échantillon de dépôt en phase vapeur et recouvrez le substrat d’un masque d’ombre. Grattez l’un des points de contact découverts avec un scalpel pour exposer la couche d’ITO. Placez ensuite le substrat masqué dans la chambre à vide et préparez-vous au dépôt en phase vapeur de l’aluminium.

Déposez 10 nanomètres d’aluminium à une vitesse de 0,5 angströms par seconde au maximum avec une pression maximale de trois fois 10 puissance moins six millibars. Augmentez ensuite le taux à 2,5 angströms par seconde et continuez le dépôt jusqu’à ce que la couche d’aluminium atteigne 100 nanomètres d’épaisseur pour former le contact supérieur de la cathode en aluminium. Transportez la cellule vers une configuration de simulateur solaire et balayez de moins 0,5 à positif 1,5 volt par pas de 0,02 volts.

Ensuite, balayez dans le sens inverse pour vérifier l’hystérésis. Des couches minces de pérovskite ont été préparées avec chacune des méthodes décrites et avec des rapports variables d’iodure de plomb à MAI. La microscopie électronique à balayage des films déposés en phase vapeur et des films préparés à partir d’une cosolution avec un additif a montré la surface lisse et sans sténopé souhaitée.

Une variation morphologique a été observée avec des changements dans le rapport molaire entre l’iodure de plomb et l’IAM. Les films préparés à partir d’une cosolution sans additif, et les films préparés par trempage et revêtement en goutte présentaient des vides, une rugosité de surface et des structures en forme d’aiguille moins souhaitables. La diffraction des rayons X de six échantillons de cosolution avec des rapports molaires différents entre l’iodure de plomb et l’AMI a tous montré la structure cristalline tétragonale typique.

Aucune phase supplémentaire d’AMI ou d’iodure de plomb n’a été observée, ce qui indique que les méthodes de diffraction des rayons X ne pouvaient pas fournir d’informations sur la composition du film. La spectroscopie photoélectronique des rayons X et de l’UV a été utilisée pour évaluer respectivement les énergies de stœchiométrie et d’ionisation des couches minces. Une tendance à l’augmentation de l’énergie d’ionisation avec l’augmentation de la teneur en iodure de plomb a été observée dans toutes les méthodes, ce qui indique que l’effet est indépendant de la méthode de préparation.

Les capacités des cellules solaires des couches minces avec divers rapports molaires d’iodure de plomb à MAI ont été évaluées. L’efficacité la plus élevée a été observée avec un rapport molaire de 1,02, ce qui est le plus proche de la composition stœchiométrique des pérovskites. En général, les personnes novices dans ce domaine de la pérovskite hybride auront du mal car la formation du film est très sensible à la méthode de préparation.

La grande variété d’efficacités et de morphologies d’appareils, et surtout les valeurs de niveau d’énergie et la littérature est ce qui a attiré notre attention et motivé ce travail. Il est crucial d’assurer un haut degré de reproductibilité. Toutes les étapes de traitement et les méthodes de caractérisation doivent être effectuées sous atmosphère inerte afin d’éviter la gradation de la pérovskite par l’exposition à l’eau.

Et vous ne devez pas oublier que travailler avec de l’iodure de plomb peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles que le travail dans une boîte à gants, doivent toujours être prises lors de l’exécution de ces procédures. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension des influences des différentes méthodes de préparation des pérovskites sur les structures cristallines, la densité des états, les niveaux d’énergie et, en fin de compte, les performances des cellules solaires. Avec notre approche, ce que nous voulons faire, c’est donner un aperçu des corrélations entre la préparation du film d’une part, et les propriétés physiques d’autre part pour finalement influencer les performances des cellules solaires.

La possibilité d’ajuster l’énergie d’ionisation des films de pérovskite par incorporation intentionnelle de MAI ou d’iodure interstitiel de plomb est particulièrement intéressante. Cela peut être utilisé pour l’optimisation de l’interface dans de nouvelles architectures de dispositifs. Les techniques futures porteront sur des techniques de préparation plus avancées qui visent de grandes surfaces de dispositifs, notamment des méthodes telles que le revêtement des yeux à fente, les techniques de pulvérisation et l’impression à grande échelle.