Monovalents Cation dopage du CH

L'objectif général de cette procédure est d'améliorer les propriétés optoélectroniques des pérovskites halogénées au plomb par dopage avec des cations monovalents afin de fabriquer des cellules solaires au pérovskite hautement efficaces. L'incorporation de cations monovalents dans les pérovskites halogénées au plomb améliore considérablement la qualité du semi-conducteur et le comportement photoélectrique de ce matériau. L'ajout d'une quantité raisonnée de dopants à base de cations monovalents peu coûteux aux matériaux pérovskites augmente la mobilité des charges et réduit le désordre énergétique d'un ordre de grandeur.

Pour commencer la comparaison du substrat, utilisez un ruban adhésif acrylique semi-transparent pour recouvrir les deux tiers de la face conductrice d'une lame de verre revêtue de FTO. Ensuite, recouvrez les zones non recouvertes de poudre de zinc. Versez une solution d'acide chlorhydrique à 2 molaire 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 à l'eau distillée, puis retirez le ruban adhésif. Lavez la surface gravée dans une solution à 2 % en poids/volume d'agent de nettoyage liquide alcalin concentré dans l'eau.

Soniquez le substrat FTO pendant 10 minutes chacun dans des bains d'acétone et d'isopropanol, successivement. Traitez le substrat FTO dans un nettoyeur à plasma d'oxygène pendant 15 minutes afin de terminer le nettoyage du substrat gravé. Pour déposer la couche complète de blocage en oxyde de titane compact, 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. Lorsque le substrat est à 450 degrés Celsius, appliquez la solution de TAA sur le substrat par pyrolyse pulvérisée en utilisant de l'air comme gaz vecteur.

Laisser l'échantillon à 450 degrés Celsius pendant 30 minutes. Ensuite, laisser l'échantillon refroidir à température ambiante. Retirer 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 nanomolaire avec de l'éthanol selon un rapport massique de 2:7. Soniquez la suspension pendant 30 minutes. Ensuite, appliquez la suspension sur l'échantillon par centrifugation pendant 30 secondes à 5 000 tr/min, avec une rampe d'accélération de 2 000 tr/min par seconde.

Recuire le film de titane à 500 degrés Celsius pendant 30 minutes afin d'obtenir un film d'oxyde de titane mésoporeux. Ensuite, plonger l'échantillon dans une solution de chlorure de titane à 40 millimolaire dans de l'eau distillée. Traiter les échantillons à 70 degrés Celsius pendant 20 minutes.

Annihilez l'échantillon traité au chlorure de titane à 450 degrés Celsius pendant encore 30 minutes. Transférez l'échantillon dans une boîte à gants remplie d'azote ayant 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 agitant continuellement jusqu'à ce que l'iodure de plomb soit dissous.

Préparez ensuite une solution 0,02 molaire de l'halogénure de cation monovalent choisi dans la solution d'iodure de plomb. Appliquez 80 microlitres de l'halogénure de cation monovalent dans la solution d'iodure de plomb sur le substrat. Effectuez un dépôt par centrifugation du substrat pendant 30 secondes à 6 500 tr/min, avec une rampe d'accélération de 4 000 tr/min par seconde.

Faites 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 recouvert d'iodure de plomb dans un dispositif de dépôt par centrifugation et appliquez 120 microlitres de la solution MAI.

Laisser la solution en contact avec le substrat pendant 45 secondes, puis appliquer une couche par centrifugation du MAI pendant 20 secondes à 4 000 tr/min. Recuire la couche de pérovskite à 100 degrés Celsius pendant 45 minutes. Pour déposer la couche de transport des trous, ajouter d'abord 1 millilitre de chlorobenzène à 72,3 milligrammes de spiro-méthoxyTAD.

Agiter le mélange jusqu'à ce que la solution apparaisse transparente. Préparer une solution mère contenant 520 milligrammes de TFSI de lithium dans 1 millilitre d'acétonitrile. Puis mélanger 17,5 microlitres de la solution de TFSI de lithium à 28,8 microlitres de 4-tert-butylpyridine avec la solution de spiro-méthoxyTAD.

Effectuez un dépôt par rotation de l'échantillon avec ce mélange pendant 30 secondes à 4 000 tr/min, avec une rampe d'accélération de 2 000 tr/min par seconde. Recouvrez l'échantillon d'un masque avec motif 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 afin de terminer la fabrication de la cellule solaire.

Des couches minces de pérovskites pures et de pérovskites à base d'additifs ont été comparées aux couches correspondantes d'iodure de plomb. Lorsque l'iodure de sodium a été utilisé comme additif, de grands cristaux de forme ramifiée d'iodure de plomb ont été observés par MEBFE, ainsi que de grands 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 pores ont été observées.

La diffraction des rayons X a montré que le dopage par cations 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 l'iodure de sodium ou le bromure de cuivre a été utilisé comme additif. La microscopie à force de sonde Kelvin a révélé que les niveaux de Fermi de la pérovskite dopée se déplaçaient vers la bande de valence.

Les échantillons dopés ont montré une conductivité accrue en termes de mobilité des électrons et des trous, 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 et 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 une meilleure mobilité des charges.

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 défauts. Les efficacités de conversion de puissance des cellules solaires à base d'iodure de sodium, de bromure de cuivre et d'iodure de cuivre étaient toutes nettement supérieures à celle d'une cellule pérovskite vierge. Nous avons démontré une méthode de dopage simple, compatible avec le traitement en solution du pérovskite halogénure de plomb méthylammonium utilisé comme couche absorbante dans la structure de cellule solaire pérovskite mésoscopique.

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