חד ערכי חילוף קטיונים סימום של CH

המטרה הכללית של הליך זה היא לשפר את התכונות האופטואלקטרוניות של פרובסקיט הלוגניד של עופרת באמצעות לקיטוב (doping) של קטיונים חד-ערכיים, במטרה לייצר תאי שמש פרובסקיט בעלי יעילות גבוהה. שילוב של קטיונים חד-ערכיים בפרובסקיט הלוגניד של עופרת משפר באופן משמעותי את איכות המוליך למחצה ואת התנהגות האפקט הפוטואלקטרי של חומר זה. הוספה של כמות רציונלית של חומרי לקיטוב קטיוניים חד-ערכיים בעלות נמוכה לחומרי פרובסקיט משפרת את ניידות המטען ומפחיתה את האי-סדר האנרגטי בסדר גודל אחד.

כדי להתחיל בהשוואת התשתית, השתמשו בסרט דביק אקרילי חצי שקוף כדי לכסות 2/3 מהצד המוליך של שקופית זכוכית מצופה FTO. לאחר מכן, כסו את האזורים שאינם מכוסים באבקת אבץ. שפכו תמיסה של חומצה כלורית 2 molar במים מזוקקים על השקופית כדי לתשב את התשתית.

השתמשו במקלון צמר גפן כדי לנקות את השאריות מהחלקים החשופים של השקופית. שטפו את תשת ה-FTO שנצרה במים מזוקקים ולאחר מכן הסירו את הסרט הדביק. שטפו את הפני השטח שנצרה בתמיסה של 2% משקל לנפח של תרכיז דטרגנט נוזלי בסיסי ומים.

בצע סוניקציה למצע ה-FTO במשך 10 דקות בכל אחד מאמבטי אצטון ואיזופרופנול, לפי הסדר. טפל במצע ה-FTO במנקה פלזמה של חמצן למשך 15 דקות כדי להשלים את ניקוי המצע שנחרט. כדי להשקיע את שכבת חסם דחוסה של טיטניום אוקסיד, הנח תחילה את מצע ה-FTO שנחרט ונקה על לוח חימום בטמפרטורה של 450 °C.

כסו מיד את אזור המגע באמצעות זכוכית מכסה חתוכה מראש, והמתינו עד שהמצע יתחמם ל-450 degrees Celsius. ערבבו 0.6 milliliters של TAA עם 7 milliliters של isopropanol. כאשר המצע נמצא בטמפרטורה של 450 degrees Celsius, גרמו לפתרון ה-TAA על המצע באמצעות פירוליזה בהתזה (spray pyrolysis), כאשר האוויר משמש כגז נשאי.

השאירו את הדגימה בטמפרטורה של 450 °C למשך 30 דקות. לאחר מכן, אפשרו לדגימה להצטנן לטמפרטורת החדר. הסירו את כיסוי הזכוכית לאחר שהמצע התקרר.

להשקיע את שכבת ההובלה האלקטרונית, ראשית דללו משחה של טיטניום תחמוצה בריכוז 30 nanomolar עם אתנול ביחס משקלי של 2:7. בצעו סוניקציה לתמיה למשך 30 דקות. לאחר מכן, בצעו ציפוי בסביבון (spin coat) של הדגימה עם התמיה למשך 30 שניות במהירות של 5,000 RPM ובקצב האצה של 2,000 RPM לשנייה.

בצעו התמססות (annealing) לשכבת הטיטניום בטמפרטורה של 500 °C למשך 30 דקות כדי לקבל שכבת טיטניום תחמוצת מזופורית. לאחר מכן, טבלו את הדגימה בתמיסה של 40 millimolar של טיטניום כלוריד ומים מזוקקים. טפלו בדגימות בטמפרטורה של 70 °C למשך 20 דקות.

בצע חישול לדגימה שטופלה בכלוריד טיטניום בטמפרטורה של 450 °C למשך 30 דקות נוספות. העבר את הדגימה לתא כפפות מלא בחנקן עם לחות של פחות מ-1%. באטמוספירה אינרטית עם רמות נמוכות של מים וחמצן, הוסף 1 mL של DMF ל-553 mg של יודיד עופרת. חמם את התערובת ל-80 °C תוך כדי ערבוב רציף עד להמסה מלאה של יודיד העופרת.

לאחר מכן, הכין תמיסה 0.02 מולרית של ההליד של הקטיון החד-ערכי הנבחר בתמיסת יוד פלואוריד. מרח 80 µL של תמיסת ההליד של הקטיון החד-ערכי ביוד פלואוריד על התשתית. בצע ציפוי סבב (Spin coat) לתשתית למשך 30 שניות במהירות של 6,500 RPM עם קצב האצה של 4,000 RPM לשנייה.

השקו את השכבה הדקה שהתקבלה בטמפרטורה של 80 °C למשך 30 דקות. לאחר מכן, המיסו 40 mg של methylammonium iodide ב-5 mL של isopropanol. הניחו את המצע המצופה ב-lead iodide במכשיר spin coater וטפטפו 120 µL של תמיסת ה-MAI.

השאירו את התמיסה על התשת עבור 45 שניות, ולאחר מכן בצעו ציפוי ספין (spin coat) למצע עם MAI למשך 20 שניות במהירות של 4,000 RPM. חממו את שכבת הפרובסקיט בטמפרטורה של 100 degrees Celsius למשך 45 דקות. להשכבת שכבת ההובלה המלאה, הוסיפו תחילה 1 milliliter של chlorobenzene ל-72.3 milligrams של spiro-methoxyTAD.

נער את התערובת עד שהתמיס נראה שקוף. הכן תמיסת מלאי של 520 milligrams של lithium TFSI ב-1 milliliter של acetonitrile. לאחר מכן, ערבב 17.5 µL של תמיסת ה-lithium TFSI ב-28.8 µL של 4-tert-butylpyridine עם תמיסת ה-spiro-methoxyTAD.

בצעו ציפוי ספין (spin coating) לדגימה עם תערובת זו למשך 30 שניות במהירות של 4,000 RPM ובקצב האצה של 2,000 RPM לשנייה. כסו את הדגימה בתבנית מסכה עבור המגעים העליונים של התא הסולארי. השקיעו שכבת זהב בעובי של 80 ננומטר על הדגימה בקצב של 0.01 ננומטר לשנייה כדי להשלים את ייצור התא הסולארי.

שכבות דקות של פרובסקיטים טהורים ובססס-תוספים הושוו לשכבות יודיד עופרת תואמות. כאשר נעשה שימוש ביודיד נתרן כתוסף, נצפו ב-FESEM גבישי יודיד עופרת גדולים בעלי מבנה ענפי, לצד גבישי פרובסקיט גדולים ואסימטריים. כאשר נעשה שימוש ביודיד נחושת וביודיד כסף כתוספים, נצפו שכבות פרובסקיט אחידות ללא חורי סיכה (pinholes).

עקיפת קרני X הראתה כי לסימום הקטיוני לא הייתה השפעה על מבנה הגביש של הפרובסקיט. לא נצפה אף שיא המתאים לעופרת יודית שלא הומרה כאשר נעשה שימוש בנתרן יודיד או נחושת ברומיד כתוסף. מיקרוסקופיית כוח של גשש קלווין הראתה כי רמות פרמי של הפרובסקיט המסומן an shifted לכיוון פס הערכיות.

הדגימות המסוממות הראו מוליכות מוגברת בניידות האלקטרונים ובניידות הכללית, במיוחד עבור דגימות יודיד הנתרן וברומיד הנחושת. נצפו עליות גם בזרם קצר המעגל ובגורם המילוי. העלייה הגדולה יותר בזרם קצר המעגל בתאים המבוססים על ברומיד נחושת ויודיד נתרן יוחסה להמרה מלאה של יודיד העופרת ולניידות מטען משופרת.

נצפו שיפורים במתח המעגל הפתוח בתאי סולאריים המבוססים על נחושת יודית וכסף יודי, ככל הנראה בשל פני השטח האחידים והנטולי חורי סיכה (pinholes) שלהם. נצprofitLossיות המרת האנרגיה של תאי סולאריים המבוססים על נתרן יודי, נחושת ברומית ונחושת יודית הייתה גבוהה באופן ניכר מזו של תא פרובסקיט טהור. הדגמנו שיטת סימום פשוטה התואמת לעיבוד בתמיסה של פרובסקיט מתילאמון פלוריד הלוגני כשכבת בולעת במבנה של תא סולארי פרובסקיט מזוסקופי.

ניתן לכוונן את התכונות האופטואלקטרוניות והמבניות של חומרי פרובסקיט מסוג הלייד של עופרת באמצעות בקרת כמויות של דופנטים של קטיונים חד-ערכיים, דבר שיכול להוביל לביצועים פוטו-וולטאיים מעולים. השיטה שלנו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום הפוטו-וולטאיקה לבחון טכניקה זו בתצורות אחרות של תאי שמש מפרובסקיט כדי לשפר עוד יותר את האיכות האלקטרונית של שכבות דקות של פרובסקיט.