Articolo metodologico

Influenza di ibridi metodi di fabbricazione perovskite sulla formazione cinematografica, struttura elettronica e le prestazioni delle celle solari

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DOI:

10.3791/55084

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27 febbraio 2017

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1Department of Chemistry, University of Cologne

In questo articolo

Sommario

Vi presentiamo un ampio studio sugli effetti dei diversi metodi di fabbricazione di film sottili inorganici organici / perovskite confrontando strutture cristalline, densità degli stati, i livelli di energia, e in ultima analisi, le prestazioni delle celle solari.

Abstract

Hybrid / perovskiti alogenuri inorganici organici sono stati ultimamente un argomento di grande interesse nel campo delle applicazioni delle celle solari, con la possibilità di raggiungere efficienze di dispositivi che superano le altre tecnologie di dispositivi a film sottile. Tuttavia, presentate grandi variazioni di efficienza del dispositivo e le proprietà fisiche di base. Ciò è dovuto a variazioni accidentali durante la lavorazione del film, che non sono stati sufficientemente studiati finora. Abbiamo quindi condotto un ampio studio della morfologia e struttura elettronica di un gran numero di CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite cui si mostra come il metodo di preparazione, nonché il rapporto di miscelazione di educts ioduro e piombo (II) proprietà di resistenza all'urto di ioduro come formazione del film, struttura cristallina, densità degli stati, i livelli di energia, e, infine, le prestazioni delle celle solari.

Introduzione

tecnologie fotovoltaici a film sottile hanno attirato una notevole attenzione nella ricerca di applicazioni di celle solari a causa del loro consumo di materiale a bassa e l'applicabilità su substrati flessibili. Più in particolare, organici / inorganici di alogenuri materiali perovskite hanno dimostrato di essere strati attivi vitali nei dispositivi a celle solari, portando a rendimenti elevati. Perovskiti presentano proprietà vantaggiose come l'elevata coefficiente di assorbimento 1, alta carica vettore di mobilità 2 e bassa eccitone energia 3 vincolante. Strati perovskite possono essere prodotte da vari soluzione o metodi di fabbricazione di fase basato vapore utilizzando materiali a basso costo precursori come piombo (II) ioduro (PBI 2) e ioduro (MAI). In questo modo permette una facile preparazione di pellicole elevata cristallinità utilizzando basse temperature di fabbricazione rispetto alle celle solari disponibili in commercio silicio.

È stato shown che diversi parametri hanno una forte influenza sulle prestazioni delle celle solari perovskite, in particolare film di morfologia, in quanto influenza lunghezza di diffusione eccitone e mobilità dei portatori di carica. Nie et al. ha dimostrato che migliorando la morfologia del film perovskite, per quanto riguarda la copertura e la dimensione media di cristallo, le prestazioni delle celle solari aumenta 4, 5. La morfologia ha dimostrato di essere influenzato da (i) scelta del materiale precursore (ad esempio l'uso di acetato di piombo 6), (ii) additivi molecolari (come NH 4 Cl) 7, (iii) scelta del solvente, (iv) termica ricottura in atmosfera solvente (come toluene o clorobenzene 8), e in particolare (v) la scelta del metodo di preparazione 9. Processi di soluzione basata su come un'unica fase o in due fasi risultato spin coating nelle celle solari con efficienze superiori al 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 mentre le celle solari perovskite depositato sotto vuoto cedere efficienze del 15,4% 13.

E 'stato dimostrato che l'eccesso PBI 2 in strati perovskite è vantaggioso per le prestazioni delle celle solari a causa di un migliore equilibrio vettore da passivazione del film perovskite dalla PBI 2 sulla superficie dei grani 14. Tuttavia, poco è stato fatto per capire il ruolo degli effetti di stechiometria sui materiali a film perovskite.

In questo articolo presentiamo un ampio studio su una vasta gamma di film perovskite diversamente preparati e mostrare come i metodi di preparazione e l'influenza precursore stechiometria la morfologia, cristallinità, densità degli stati, la composizione film, e le prestazioni delle celle solari. Una panoramica olistica è presentato, che vanno dalla fabbricazione al cinema carattezione fino prestazioni del dispositivo.

Protocollo

1. ITO Substrati

NOTA: Per un contatto migliorato campione e per evitare cortocircuiti dei dispositivi, i substrati di vetro ITO rivestite devono essere modellata utilizzando litografia e incisione. La sovrapposizione di elettrodo superiore e inferiore definisce l'area attiva delle celle solari prodotte.

  1. Tagliare l'ossido di indio e stagno (ITO) lastra di vetro rivestito con un cutter di vetro per produrre 2,5 cm per 2,5 cm substrati.
  2. Colla un marchio di forma circolare (diametro = 1,6 cm) al centro di ITO coperti substrato.
  3. Etch ITO ponendo i substrati in un cloridrico M FeCl 3 soluzione 1 a 60 ° C per 10 min.
  4. Pulire la substrati sequenzialmente con cloroformio, acetone e soluzione di sapone (2%) in un bagno ad ultrasuoni.
  5. Risciacquare una volta con acqua distillata e asciugare sotto N 2 flusso.

2. Ozonizzazione dei substrati ITO

NOTA: per rimuovere le impurità organiche, tegli Ito substrati devono essere ozonizzato. Questo attiva la superficie ossidi e aumenta le proprietà bagnanti del substrato, che è cruciale per la deposizione riproducibile degli strati successivi.

  1. Monte ITO substrati su un porta-campioni e collocarlo in una camera di ozonizzazione.
  2. Illuminare per 10 min sotto ossigeno (atmosferica) con una lampada ultravioletta (20 W) che genera ozono.

3. Deposizione della PEDOT PSS Hole-raccolta Contatto

NOTA: Un film di poli (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT PSS) viene depositato per spin coating da una sospensione acquosa in condizioni ambiente (25 al 40% di umidità relativa). Questo strato è usato come contatto raccolta foro e presenta una funzione di lavoro elevata, riduce fori, e porta ad una maggiore riproducibilità dei dispositivi.

  1. Mettere 150 ml di PEDOT PSS in sospensione acquosa (1,5%) con una siringa sul substrato dopo il filtraggio through un filtro da 0,45 micron.
  2. cappotto Spin utilizzando una velocità di rotazione di 2500 rpm per 25 s direttamente seguito da 4.000 rpm per 5 s con un'accelerazione di 4.000 giri / s ciascuna. Questa procedura porta a 40 a 45 nm Pedot spessore: film PSS.
  3. Rimuovere l'acqua residua dal film di ricottura termicamente i substrati su una piastra riscaldante a 150 ° C per 10 minuti in aria.

4. Deposizione di Livelli perovskite

Attenzione: ioduro di piombo (PBI 2) è altamente tossico per gli esseri umani. Anche piccole quantità sono estremamente pericolose per i sistemi nervosi, ematopoietiche, renali, epatiche e. Maneggiare portare contenente soluzioni con cura.
NOTA: I film perovskite indagate in questo documento sono preparati da cinque diversi metodi che utilizzano PBI 2 e CH 3 NH 3 I (MAI) come materiali precursori. Per evitare la degradazione 15, fabbricazione delle pellicole e dispositivi e loro caratterizzazione devono be eseguita sotto atmosfera inerte, per esempio in un N 2 riempito vano portaoggetti (trasformazione soluzione) o sotto vuoto (deposizione di vapore).

  1. La lavorazione in soluzione
    1. deposizione sequenziale
      1. Posizionare substrato su di spin coater e rilasciare 150 microlitri PBI 2 disciolto in N, N-dimetilformammide, DMF (400 mg / mL) con una pipetta sul substrato.
      2. cappotto Spin immediatamente a 3.000 rpm per 30 s.
      3. Dip PBI 2 film MAI sciolto in isopropanolo (10 mg / ml) per 40 s o soluzione goccia MAI sul essiccato pellicola PBI 2 e lasciano lì per 40 s.
      4. cappotto Spin restante soluzione MAI a 3.000 rpm per 30 s al largo del substrato.
      5. Calore per 15 min a 100 ° C ponendo il substrato su una piastra.
    2. Co-solution:
      1. Sciogliere sia PBI 2 e MAI nel rapporto desiderato (idealmente 1: 1 rapporto molare) in DMF per formare una soluzione precursore con una concentrazione di 250 mg/ ML.
      2. Mescolare soluzione precursore a 50 ° C per almeno 5 ore.
      3. substrati preriscaldamento coperti con PEDOT PSS a 50 ° C per 5 min su una piastra.
      4. Per garantire una maggiore riproducibilità tutta una serie di dispositivi, creare un'atmosfera toluene per gocciolamento una piccola quantità di solvente (200 mL) all'interno della tazza coater effetti mentre centrifuga rivestimento strato perovskite.
      5. Collocare 150 soluzione precursore microlitri (da 4.1.2.1) sul substrato.
      6. cappotto Spin strati perovskite a 3.000 rpm per 30 s da questa soluzione precursore. cappotto Spin uno strato di materiale perovskite al substrato.
      7. Riscaldare gli strati perovskite risultanti per 30 s a 110 ° C su una piastra.
    3. Additivo molecolare:
      1. Co-sciogliere NH 4 Cl (18-20 mg / ml) nella soluzione di rivestimento mediante centrifugazione (come descritto in 4.1.2.1) per garantire una migliore filmazione. Procedere come prima.
        NOTA: Questa è un'alternativa l'aggiunta del co-soluzione da 4.1.2.
  2. deposizione sotto vuoto
    1. procedura generale
      1. Caricare i substrati puliti nel sistema di vuoto ed evacuare.
      2. Dopo una pressione di 10 -7 mbar viene raggiunto, campioni di trasferimento nella camera di evaporazione e schermatura fuori dalle fonti evaporazioni con un otturatore.
      3. Riscaldare le due fonti che contengono i materiali precursori a circa 330 ° C per 2 PBI e 140 ° C per MAI. Sia informato che la pressione nella camera salirà a circa 10 -4 mbar a causa della natura volatile del MAI.
      4. Calibrare i tassi di evaporazione per i due materiali utilizzando un monitor a cristalli di quarzo (QCM) posizionato vicino alla sorgente, mentre l'altro è nella posizione del campione. Riscaldare il materiale ad una temperatura di evaporazione e, contemporaneamente, annotare i rispettivi spessori indicati su entrambi i QCMs. Calcolare il fattore di utensili per il rapportodei due valori. Per il calcolo dello spessore usare 6.16 e 1.23 g / cm -3 per PBI 2 e Mai, rispettivamente.
    2. Co-evaporazione
      1. Regolare le tariffe di PBI 2 MAI a circa 1: 2, aumentando o diminuendo la temperatura delle fonti per realizzare un stechiometricamente corretto pellicola perovskite.
      2. Aprire l'otturatore davanti campione per iniziare la deposizione. Una volta raggiunto lo spessore previsto, chiudere l'otturatore e cavallo del riscaldamento delle fonti.
      3. Riscaldare i film per 1 ora a 70 ° C all'interno della camera a vuoto per rimuovere i composti volatili e formazione del film completo.
    3. evaporazione sequenziale
      1. Ridurre la temperatura della sorgente MAI nuovamente al di sotto del punto di evaporazione (circa 100 ° C.) E riscaldare la sorgente PBI 2 fino all'avvio evaporazione; depositare 50 nm di pura pbi 2.
      2. In seguito, raffreddare il PBI 2fonte ed evaporare a 50 nm di Mai lo stesso. Per spessori maggiori ripetere i punti 4.2.3.1 e 4.2.3.2 alternativamente.
      3. Riscaldare i film per 1 ora a 70 ° C all'interno della camera a vuoto per rimuovere i composti volatili e formazione del film completo.

5. Preparazione delle celle solari

  1. Sciogliere il accettore fenil-C 60 -butyric estere metilico dell'acido (PC 60 BM) in clorobenzene ad una concentrazione di 20 mg / mL e mescolare per almeno un giorno su una piastra riscaldante a 50 ° C.
  2. Preparare lo strato di perovskite (processo di co-soluzione additiva) come indicato in precedenza (vedi 4.1.3.).
  3. Raffreddare gli strati perovskite riscaldati per 30 s su una piastra metallica a temperatura ambiente.
  4. Mettere 150 ml di PC 60 soluzione BM sul substrato
  5. Spin cappotto PC 60 BM a 2.000 rpm per 30 s sulla parte superiore del film perovskite con conseguente 50 strati spessi nm.
  6. Posizionare substrati completamente rivestitiin un portacampioni e coperchio con una maschera ombra per far evaporare contatti sulla parte superiore degli strati attivi.
  7. Scratch uno dei contatti con un bisturi per stabilire un contatto all'anodo ITO.
  8. Trasferire in una camera a vuoto per la deposizione del contatto catodo superiore.
  9. Cassetta 10 alluminio nm ad una pressione massima di p = 3 x 10 -6 mbar con un tasso di 0,5 Å / s, come misurato da un monitor a cristalli di quarzo. Dopo il primo 10 nm il tasso può essere aumentata fino a 2,5 Å / s fino a raggiungere uno spessore di 100 nm.
  10. Eseguire densità di corrente in funzione della tensione (JV) misurazioni delle celle solari utilizzando un'unità di misura sorgente nel campo di tensione -0,5 a 1,5 V (passi = 0,02 V). Per assicurarsi che nessun isteresi sta comparendo nelle caratteristiche JV, misurare la direzione di scansione inversa così, spazzando il bias da 1,5 a -0,5 V pure. Utilizzare un simulatore solare (100 mW cm²) calibrato utilizzando un fotodiodo al silicio certificata.

Risultati

Al fine di ottenere una visione olistica sui diversi metodi di fabbricazione per film perovskite, è importante coniugare, elettronica, e la caratterizzazione strutturale del dispositivo. microscopia elettronica a scansione (SEM) dà una buona impressione di morfologia. Pertanto, sono stati esaminati tutti i film prodotti dai diversi metodi di fabbricazione. Un sottoinsieme rappresentativo di film sottili perovskite è mostrato in Figura 1, che visualizza l'influenza significativa del metodo di preparazione sulla morfologia film.

Idealmente, un film gratuito liscia e pin-hole è desiderato per i dispositivi. Come si può vedere, questo è il caso per i film depositato a vapore (f, g), le rivestita dip quelli (d, e), ei film preparati da co-soluzione con l'additivo NH 4 Cl e l'atmosfera toluene (a1 A5) con un rapporto variabile R di PBI 2 MAI da 0,6 a 1.4. Al contrario, i film witho ut additivo (h), nonché il dip-rivestito (d, e) e quelli drop-rivestite (b, c) mostrano grandi vuoti, ago come strutture o grandi rugosità superficiale e non sono pertanto utili per applicazioni del dispositivo.

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Figura 1: immagini SEM di film perovskite preparati dai diversi metodi di lavorazione. (A1 - A5) Co-soluzione additiva e l'atmosfera toluene con diverso rapporto di PBI 2 al MAI (R), (b) drop-coating con 40 s tempo di caricamento, (c) drop-rivestimento con 120 s tempo di caricamento, ( d) rivestimento per immersione (10 s tempo di caricamento), rivestimento (e) dIP (3.600 s tempo di caricamento), (f) co-evaporazione, (g) l'evaporazione sequenziale, (h) co-soluzione senza additivi. Le barre di scala indicano una lunghezza di 1 micron.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Infine, la Figura 1 a1-a5 mostra variazioni di miscelazione rapporto R di PBI 2 Mai 0,6 al 1.4 Utilizzo preparazione co-soluzione additiva e l'atmosfera toluene. Le variazioni di copertura della superficie e le dimensioni mostrano cristalli che appaiono qui pure diverse morfologie di film.

Anche se SEM è un buon strumento per visualizzare la morfologia e la copertura di film sottili e di ottenere un'impressione su rugosità film, tuttavia nessuna informazione strutturale è dato.

Pertanto, al fine di caratterizzare ulteriormente i film perovskite, è stato usato diffrazione di raggi X (XRD). Con questa tecnica utilizzando un Cu K α anodo (λ = 1,54,056 mila Å) fasi cristalline nell'intervallo tra 10 2θ 6; e 40 (dimensione del passo di 0,00,836 mila °) ° sono stati monitorati e caratterizzato. In molte pubblicazioni XRD viene utilizzato per determinare la qualità dei film perovskite.

La figura 2 mostra le misure XRD di un sottoinsieme di campioni aventi sei differenti rapporti di miscelazione di PBI 2 al MAI, e quindi corrisponde alle immagini SEM di Figura 1a1-a5. Inoltre, viene mostrato lo spettro di pura pbi 2. Da questo, l'influenza della stechiometria nella soluzione precursore sulla qualità degli strati perovskite, come ad esempio la comparsa di diverse fasi, cioè l'inserimento di ulteriori fasi di PBI 2 e MAI, è indagato. Gli spettri mostrano una struttura cristallina tetragonale, e le riflessioni sono indicizzati con i loro piani cristallini corrispondenti. Sorprendentemente, nessun ulteriori fasi di Mai o PBI 2 sono stati osservati nei film off-stechiometrico.

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Figura 2: schema XRD di pura PBI 2 nonché campioni perovskite preparati con il metodo di co-soluzione (con NH 4 Cl e l'atmosfera toluene) utilizzando diversi rapporti molari dei precursori (rapporti indicati dai numeri a destra). Per la comparabilità, le curve sono normalizzati al picco a 14.11 ° e spostata in senso verticale. Ristampato con il permesso di riferimento 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Come XRD non ha fornito informazioni sulla composizione del film, X-ray spettroscopia fotoelettronica (XPS) è usato, che è in grado di misurare direttamente pellicola stechiometria. Per questa misurazione di un α sorgente di eccitazione Mg K (hn = 1252,6 eV) Con un'energia passaggio di 10 eV (risoluzione Energia = 800 MeV) viene utilizzato. I fattori di sensibilità relative (RSF) devono essere presi in considerazione per ogni elemento misurato singolarmente. Come tale, è importante calibrare i RSFS per il nostro sistema di misurazione (sorgente α Mg K, angolo tra sorgente di raggi X e analizzatore 50.0 °). Abbiamo usato un certo numero di piccole molecole per calibrare il picco di iodio con Tris- (4-iodphenyl) -amine (C 18 H 12 I 3 N), e calibrati Pb via PBI 2. Carbonio è usato come riferimento, come tale, un RSF (C1s) = 1, quindi, i fattori RSF per i singoli elementi sono; RSF (N1S) = 1.8, RSF (I3D 5/2) = 32,8, e RSF (Pb4f 7/2) = 16,5.

La figura 3 mostra uno spettro XPS rappresentativo di un film di vapore depositato, con i caratteristici picchi di livello di base indicati in alto sub-figura. Nei sottofigure inferiori I3D 5/2 (619,6 eV), N1S (402.7 eV), C1s (286.6eV), e Pb4f 7/2 (138,6 eV) picchi sono mostrati. Tutti i segnali possono essere montati da un unico mista picco gaussiano / Lorentzian, solo nel caso di iodio una piccola caratteristica alle più alte energie di legame è tipicamente osservato che è comunque un picco shake-up e quindi non correlata a un effettivo stato di legame aggiuntivo. Possiamo estrarre la composizione pellicola rispetto di tutti gli strati perovskite preparati integrando sull'intensità del segnale e normalizzandolo dai rispettivi RSF 16. In alcuni film, grandi deviazioni trovato dall'ideale pellicola stechiometria C: N: Pb: I di 1: 1: 1: 3; ad esempio, il cavo di rapporto azoto varia tra 0,4 un d 1.5. Ciò è particolarmente vero per i vapori depositati film, in cui il co-evaporazione è difficile da controllare e riprodursi. Per i campioni di soluzione trasformati, d'altra parte, l'attuale e destinate rapporto di miscelazione del precursore concordati molto bene con la composizione finale del film come determinatoda XPS.

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Figura 3: Rappresentante XPS spettri. Sopra è mostrata una scansione completa XPS, al di sotto del primo piano XPS misure dei picchi integrati sono mostrati. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Al fine di studiare come queste variazioni nella composizione pellicola influenzano la densità degli stati, ci siamo rivolti a fotoelettroni UV spettroscopia (UPS). Per eseguire misurazioni UPS, una lampada a scarica di elio (He I a 21.22 eV, pregiudizi campione -8 V) viene utilizzato, con un'energia passaggio 2 eV, e una risoluzione di energia 110 MeV (come determinato dalla larghezza del bordo di Fermi). Per tutti i campioni, uno spettro completo è stato misurato, quindi utilizzando un'apertura analizzatore maggiore per aumentare il rapporto segnale rumore, una dettagliata scansione risoluzione maggiore di la regione VB è stata eseguita. Nel gruppo di continuità spettri, in particolare la regione di scansione VB, cime satelliti derivanti dalla radiazione policromatica Egli mi sono stati corretti per numericamente durante l'analisi dei dati.

La figura 4 mostra le curve UPS del set di dati completa di tutti i campioni esaminati, coprendo entrambi i metodi di co-evaporazione e sequenziale (luce rossa) e la diversa lavorazione soluzione (rosso scuro). Vogliamo solo sottolineare che si osservano variazioni significative nelle energie di ionizzazione (IE), notevole dalle variazioni della posizione di taglio ad alta energia di legame nella trama mano sinistra di figura 4. Questi cambiamenti sono determinati da variazioni nella composizione e lavorazione di film e portano ad una tunability di IE tra 5,67 e 6,4 eV. Per una discussione più dettagliata, fare riferimento al riferimento 16.

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Figura 4: UPS scansioni di un sottoinsieme rappresentativo dei campioni esaminati. I pannelli di sinistra mostrano l'alta soglia di legame energia (HBEC) e la regione banda di valenza, mentre il lato destro mostra l'alta risoluzione Primo piano di insorgenza VB per (linee rosse luminose) depositato a vapore e la soluzione-lavorati (rosso scuro linee) film perovskite. Tutte le curve sono state spostate lungo l'asse x per essere allineato con la caratteristica a circa 3 eV. Ristampato con il permesso di riferimento 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Come abbiamo imparato dai nostri precedenti esperimenti che perovskite film preparati da diversi rapporti di miscelazione precursori portare a variazioni nella struttura elettronica senza interrompere la struttura cristallina del film, abbiamo volutoper investigare l'effetto del rapporto di precursore sulle prestazioni delle celle solari. Pertanto, ITO / PEDOT: celle solari PSS / perovskite / PC 60 BM / Al sono stati preparati utilizzando co-soluzione elaborata strati perovskite (con additivo e l'atmosfera toluene) con rapporti di PBI 2 a MAI 0,7-1,2. La Figura 5 mostra l'impatto di stechiometria pellicola (inteso rapporto R) sul caratteristiche cellulari efficienza di conversione di potenza (PCE), corrente di corto circuito (J SC), tensione a circuito aperto (V OC) e fattore di riempimento (FF). La massima efficienza del 9,6% è trovato un rapporto molare previsto di 1,02, cioè vicino alla composizione ideale perovskite.

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Figura 5: Valori caratteristici di PCE, J SC, V OC, e FF. Questi valori sono stati estratti dalle misure di dispositivi a celle solari indepEndentski del previsto rapporto di miscelazione R int di PBI 2 MAI utilizzato per la preparazione del film. Ristampato con il permesso di riferimento 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussione

Abbiamo dimostrato che le condizioni di trasformazione hanno un'influenza significativa sulla morfologia pellicola e la copertura della pellicola. Questo è il motivo per cui un sacco di gruppi di ricercatori pubblicano risultati differenti per quanto riguarda le prestazioni della cella solare e potenziale di ionizzazione per gli stessi materiali perovskite.

Al fine di garantire la riproducibilità, è fondamentale per tutte le fasi di lavorazione e metodi di caratterizzazione da effettuare in atmosfera inerte (o sotto vuoto) per evitare il degrado dall'umidità. Anche la purezza e fornitore dei educts giocano un ruolo importante (non indagato nel presente documento). E 'chiaro che il vuoto deposita strati perovskite dispongono di film altamente cristallino; tuttavia, in confronto, pellicole soluzione trasformati possono essere fabbricati con un volume più alto.

Nel nostro studio, con NH 4 Cl come additivo nella soluzione di precursore e un'atmosfera toluene nella ciotola di spin coater fornito la perovskit più riproducibile e lisciae film. D'altra parte, dip e goccia processi di rivestimento portano a superfici piuttosto grezzi, e non sono stati ulteriormente considerati per l'applicazione del dispositivo. Infine, gli strati vuoto trattati presentano dimensioni complessiva piccoli cristalli (~ 100 nm), ma con un alto grado di copertura attraverso tutto il film e superfici più regolari. Dalla serie di campioni con variare il rapporto di precursore, abbiamo appreso che la composizione ha una notevole influenza sulla formazione del film come bene. Tuttavia, ai fini questi strati con XRD (Figura 2) tutte le pellicole mostrano un elevato grado di cristallinità e una struttura cristallina tetragonale simile indicato da riflessioni a 14.11 ° e 28.14 ° rappresenta i piani (110) e (220), mentre parte del strati sembravano leggermente più disordinata, che può essere visto dalla comparsa di debole (002) e (004) riflessi. Tuttavia, non si osserva alcun significativo ampliamento del picco XRD diffrazione. Curiosamente, nessun segno di fasi distinte di PBI 2 a 12.63 ° sono trovato, anche per i più grandi quantità in eccesso di incorporato PBI 2. Ciò indica che PBI 2 non è incorporata come una fase separata o isole nanocristallini ma interstiziali come diluite, che lo rende non rilevabile con XRD. Pertanto, l'uso di XRD è limitata.

D'altra parte, XPS conferma che quantità supplementari di PBI 2 o MAI (a seconda del metodo di fabbricazione) sono presenti nel film, come evidente dalle variazioni in testa al rapporto azoto. Questi interstiziali a loro volta hanno un'influenza significativa sulla struttura elettronica del film come accennato prima. Ora, combinando i risultati di XPS con l'osservazione delle differenze di energie di ionizzazione rivelate da UPS ci permette di correlare questi due fenomeni. La figura 6 mostra l'andamento combinato in cui il valore IE misurato viene tracciata come funzione della composizione della pellicola (lead rapporto azoto) del corrispondente film.

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Figura 6: Estratto punti di misura per i dati di una serie completa di 40 pellicole perovskite. Dipendenza della energia di ionizzazione sul elementale rapporto R exp del piombo al contenuto di azoto (come determinato da XPS); la linea continua è un fi t lineare ai dati e le linee tratteggiate segnano la deviazione standard di ± 0,12 eV. In fondo, sono riportati i residui della fi t. Ristampato con il permesso di riferimento 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Troviamo una chiara correlazione lineare tra questi due valori. I nostri risultati indicano quindi che un film perovskite con MAI superiore presenta un IE inferiore, mentre uno strato ricco PBI 2 aumenta la IE. Troviamo un IE di 6,05 ± 0,10 eVper il rapporto molare ottimale di R exp = 1, che è considerevolmente maggiore della IE spesso pubblicati di 5,4 eV. Questa discrepanza non è probabile che sia a causa di condizioni di lavorazione, come troviamo questo valore per una varietà di film perovskite diversamente preparati. E 'piuttosto a causa di differenze nella valutazione dei dati in cui la densità lineare di stati pista usata qui si traduce in valori di lettura più elevate. Una vasta discussione di questo problema può essere trovato in riferimento 17. È importante notare che troviamo nessun cambiamento nella bandgap ottica di questi film (E g = 1.60 ± 0.02 eV, dati non mostrati), che significa che non è soltanto uno spostamento di IE con variare il rapporto, ma l'energia di attivazione (EA) si sposta contemporaneamente.

La massima efficienza cella solare è stato trovato un rapporto molare R di 1,02 (PBI 2 MAI) con un'efficienza di conversione di potenza del 9,6%, che conferma i risultati di letteratura 14 che pocoPBI 2 film ricco di funzionalità un comportamento portante migliore per passivazione del film perovskite da PBI 2 ai bordi di grano. Una diminuzione della tensione a vuoto di 200 MeV con l'aumento del contenuto PBI 2 può essere trovato. Poiché nessun cambiamento nella bandgap del materiale perovskite si verifica, la diminuzione di V OC non può essere spiegato da una diminuzione concomitante del gap fotovoltaico ma piuttosto insufficiente foro blocco all'interfaccia di perovskite e PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) causa l'aumento della perovskite IE. Contemporaneamente la FF per r> 1,05 diminuisce 0,8-0,7 che supporta questi risultati.

In conclusione, abbiamo presentato un ampio studio di film perovskite realizzati da una varietà di metodi di preparazione e ha scoperto che forti variazioni si verificano in formazione del film, struttura elettronica e le prestazioni del dispositivo. Di particolare interesse è la possibilità di regolare IE di perovskite per incorporazione intenzionale di MAI or PBI 2 interstiziali che possono essere utilizzati per l'ottimizzazione interfaccia in architetture nuovo dispositivo. Studi futuri potranno guardare più avanzate tecniche di preparazione che mirano verso le zone di dispositivi più grandi. Tra questi metodi come medico pattinaggio, le tecniche a spruzzo, e la stampa su larga scala che sono attualmente installati nel nostro impianto al COPT.centre (COPT = centro per le tecnologie di produzione biologica).

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori vorrebbero riconoscere il sostegno finanziario da parte dello Stato del Nord Reno-Westfalia attraverso il progetto PERO-BOOST (FESR, codice di progetto NW-1-1-040a). I ringraziamenti vanno a Azar Jahanbakhsh e Ines Schmidt (entrambi Università di Colonia) per l'assistenza con la fabbricazione e la caratterizzazione della soluzione 2-step strati perovskite processati, Dr. Jürgen Schelter (Università di Colonia) per la sintesi del materiale MAI così come Prof . Dr. Riedl e Neda Pourdavoud (entrambi dell'Università di Wuppertal) per le misure XRD.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
ITORose< 15 Ω/sq
PEDOT:PSSHeraeus Cleviosp VP . Al 4083
MAISintetizzato come trovato in letteratura
PbI2Alfa Aesar4431499,999% di base di metalli in tracce, -10 perline a maglie
NH4ClSuprapure10114399,995%
PCBMNano C99,9%
ClorobenzeneSigma Aldrich270644Chromasolv per HPLC (99,9%)
N,N-DimetilformammideAcros Chemicals  348430010Extra secco, conservato su setacci molecolari (99,8%)
TolueneSigma Aldrich244511anidro

Riferimenti

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