Monovalents Cation dopage du CH ₃ NH ₃ PbI ₃ Pour Efficient cellules solaires perovskite

L’objectif global de cette procédure est d’améliorer les propriétés optoélectroniques de la pérovskite aux halogénures de plomb par dopage cationique monovalent sur des cellules solaires à pérovskite hautement efficaces. L’incorporation de cations monovalents dans la pérovskite aux halogénures de plomb améliore considérablement la qualité des semi-conducteurs et le comportement à photoeffet de ce matériau. L’ajout d’une quantité rationnelle de dopants cationiques monovalents à faible coût aux matériaux pérovskites améliore la mobilité de la charge et réduit le désordre énergétique d’un ordre de grandeur.

Pour commencer à comparer le substrat, utilisez du ruban adhésif acrylique semi-transparent pour couvrir les 2/3 du côté conducteur d’une lame de verre revêtue de FTO. Enduisez ensuite les zones découvertes de poudre de zinc. Versez une solution d’acide chlorhydrique 2 molaires dans de l’eau distillée sur la lame pour graver le substrat.

Utilisez un coton-tige pour essuyer les résidus des sections exposées de la lame. Rincez le substrat FTO gravé avec de l’eau distillée, puis retirez le ruban. Lavez la surface dépolie dans une solution de détergent liquide alcalin concentré à 2 % en poids et en volume.

Sonicer le substrat FTO pendant 10 minutes dans des bains d’acétone et d’isopropanol en séquence. Traitez le substrat FTO dans un nettoyeur plasma à oxygène pendant 15 minutes pour terminer le nettoyage du substrat dépoli. Pour déposer l’ensemble de la couche compacte d’oxyde de titane bloquante, placez d’abord le substrat FTO gravé et nettoyé sur une plaque chauffante à 450 degrés Celsius.

Couvrez immédiatement la zone de contact avec une lame de verre prédécoupée et laissez le substrat chauffer à 450 degrés Celsius. Mélangez 0,6 millilitre de TAA avec 7 millilitres d’isopropanol. Avec le substrat à 450 degrés Celsius, appliquez la solution TAA sur le substrat par pyrolyse par pulvérisation en utilisant de l’air comme gaz vecteur.

Laissez l’échantillon rester à 450 degrés Celsius pendant 30 minutes. Laissez ensuite l’échantillon refroidir à température ambiante. Retirez le couvercle en verre une fois que le substrat a refroidi.

Pour déposer la couche de transport d’électrons, diluez d’abord une pâte d’oxyde de titane de 30 nanomolaires avec de l’éthanol jusqu’à un rapport de poids de 2:7. Sonicez la suspension pendant 30 minutes. Ensuite, appliquez une couche d’essorage de l’échantillon avec la suspension pendant 30 secondes à 5 000 tr/min avec une vitesse de rampe de 2 000 tr/min par seconde.

Anéantissez le film de titane à 500 degrés Celsius pendant 30 minutes pour obtenir un film d’oxyde de titane mésoporeux. Immergez ensuite l’échantillon dans une solution de 40 millimolaires de chlorure de titane et d’eau distillée. Traitez les échantillons à 70 degrés Celsius pendant 20 minutes.

Annihilez l’échantillon traité au chlorure de titane à 450 degrés Celsius pendant 30 minutes supplémentaires. Transférez l’échantillon dans une boîte à gants remplie d’azote avec une humidité inférieure à 1 %Dans une atmosphère inerte à faible teneur en eau et en oxygène, ajoutez 1 millilitre de DMF à 553 milligrammes d’iodure de plomb. Chauffez le mélange à 80 degrés Celsius tout en remuant continuellement jusqu’à ce que l’iodure de plomb soit dissous.

Préparez ensuite une solution à 0,02 molaire d’halogénure de cations monovalents choisi dans la solution d’iodure de plomb. Appliquez 80 microlitres d’halogénure de cation monovalent dans une solution d’iodure de plomb sur le substrat. Appliquez une couche de centrifugation sur le substrat pendant 30 secondes à 6 500 tr/min avec une vitesse de rampe de 4 000 tr/min par seconde.

Cuire le film mince obtenu à 80 degrés Celsius pendant 30 minutes. Ensuite, dissolvez 40 milligrammes d’iodure de méthylammonium dans 5 millilitres d’isopropanol. Placez le substrat enrobé d’iodure de plomb dans une machine à revêtir et appliquez 120 microlitres de la solution MAI.

Laissez la solution reposer sur le substrat pendant 45 secondes, puis enduisez le substrat de MAI pendant 20 secondes à 4 000 tr/min. Anéantissez le film de pérovskite à 100 degrés Celsius pendant 45 minutes. Pour déposer toute la couche de transport, ajoutez d’abord 1 millilitre de chlorobenzène à 72,3 milligrammes de spiro-méthoxyTAD.

Agitez le mélange jusqu’à ce que la solution apparaisse transparente. Préparez une solution mère de 520 milligrammes de lithium TFSI dans 1 millilitre d’acétonitrile. Mélangez ensuite 17,5 microlitres de la solution de lithium TFSI dans 28,8 microlitres de 4-tert-butylpyridine avec la solution de spiro-méthoxyTAD.

Enduisez l’échantillon de ce mélange pendant 30 secondes à 4 000 tr/min avec une vitesse de rampe de 2 000 tr/min par seconde. Couvrez l’échantillon avec un motif de masque pour les contacts supérieurs de la cellule solaire. Déposez une couche d’or de 80 nanomètres sur l’échantillon à une vitesse de 0,01 nanomètre par seconde pour terminer la fabrication de la cellule solaire.

Des films minces de pérovskites vierges et à base d’additifs ont été comparés aux films d’iodure de plomb correspondants. Lorsque l’iodure de sodium a été utilisé comme additif, de gros cristaux d’iodure de plomb en forme de branche ont été observés par FESEM ainsi que de gros cristaux de pérovskite asymétriques. Lorsque l’iodure de cuivre et l’iodure d’argent ont été utilisés comme additifs, des couches de pérovskite uniformes et sans trous d’épingle ont été observées.

diffraction des rayons X a montré que le dopage cationique n’avait aucun effet sur la structure cristalline de la pérovskite. Aucun pic correspondant à de l’iodure de plomb non converti n’a été observé lorsque de l’iodure de sodium ou du bromure de cuivre ont été utilisés comme additif. La microscopie à force de sonde Kelvin a montré que les niveaux de fermi de pérovskite dopée se déplaçaient vers la bande de valence.

Les échantillons dopés ont montré une conductivité accrue dans les mobilités électroniques et entières, en particulier pour les échantillons d’iodure de sodium et de bromure de cuivre. Des augmentations ont également été observées pour le courant de court-circuit dans le facteur de remplissage. L’augmentation plus importante du courant de court-circuit dans les cellules à base de bromure de cuivre et d’iodure de sodium a été attribuée à la conversion complète de l’iodure de plomb et à l’amélioration de la mobilité de la charge.

Des améliorations de la tension en circuit ouvert ont été observées pour les cellules solaires à base d’iodure de cuivre et d’iodure d’argent, probablement en raison de leurs surfaces uniformes sans sténopé. Les rendements de conversion de puissance des cellules solaires à base d’iodure de sodium, de bromure de cuivre et d’iodure de cuivre étaient tous nettement supérieurs à ceux d’une pile à pérovskite vierge. Nous avons démontré une méthode de dopage facile qui est compatible avec le traitement en solution de la pérovskite d’halogénure de méthylammonium et de plomb en tant que couche absorbante dans la structure mésoscopique de la cellule solaire à pérovskite.

Les propriétés optoélectroniques et structurelles des matériaux à base de pérovskites aux halogénures de plomb peuvent être ajustées par des quantités de contrôle de dopants cationiques monovalents, ce qui peut conduire à des performances photovoltaïques supérieures. Notre méthode a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine du photovoltaïque pour explorer cette technique dans d’autres configurations de cellules solaires à pérovskite afin d’améliorer encore la qualité électronique des couches minces de pérovskite.