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

L'obiettivo generale di questo studio completo è quello di presentare come i diversi metodi di fabbricazione di film sottili di perovskite inorganica organica influenzino le strutture cristalline, la densità degli stati, i livelli di energia e le prestazioni delle celle solari. Questo studio può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo delle perovskiti organiche inorganiche ibride, in particolare su come i metodi di preparazione potrebbero influenzare varie proprietà degli strati sottili. Il nostro approccio consiste nel classificare strati di perovskite fabbricati in modo diverso utilizzando metodi come la spettroscopia fotoelettronica, la microscopia elettronica a scansione al fine di monitorare la composizione del film, la morfologia e/o la densità degli stati.

Una dimostrazione visiva delle fasi di lavorazione e caratterizzazione critiche come piccole variazioni nella fabbricazione del film può avere effetti importanti sulla qualità del film sottile. A dimostrare la procedura saranno Ines Schmidt, Tobias Schnier e Jennifer Emara, un master e due studenti di dottorato del mio gruppo. Ines e Tobias si stanno concentrando sul trattamento delle soluzioni, mentre Jenny studia gli strati depositati sotto vuoto.

Per preparare il materiale dell'anodo conduttivo da utilizzare come contatto inferiore, prima incidere, pulire e ozonizzare pezzi quadrati di 2,5 x 2,5 centimetri di vetro rivestito di ossido di indio e stagno. Quindi, aspirare almeno 150 microlitri di PEDOT:PSS all'1,5% in acqua in una siringa. Attaccare un filtro da 0,45 micron alla punta della siringa.

Montare un substrato di vetro ITO su una centrifuga in aria con un'umidità relativa compresa tra il 30 e il 50%Erogare 150 microlitri della sospensione filtrata PEDOT:PSS sulla superficie del substrato. Spin coat del substrato a 2.500 giri/min per 25 secondi e 4.000 giri/min per cinque secondi, con un'accelerazione di 4.000 giri/min al secondo. Riscaldare il substrato rivestito in centrifuga a 150 gradi Celsius su una piastra calda per 10 minuti per rimuovere l'acqua residua dalla pellicola PEDOT:PSS.

Per preparare il substrato rivestito di perovskite mediante deposizione da vapore, posizionare prima il substrato rivestito in PEDOT:PSS nella camera a vuoto dello strumento ed evacuare la camera. Una volta che la pressione della camera raggiunge i 10 a sette millibar negativi, spostare il substrato nella camera di evaporazione. Assicurarsi che l'otturatore del campione sia chiuso e spostare la microbilancia a cristalli di quarzo degli utensili davanti alla posizione del campione.

Riscalda la fonte di ioduro di piombo a 320 gradi Celsius e la fonte di ioduro di metilammonio o MAI a 190 gradi Celsius. Monitorare l'aumento della pressione della camera causato dall'evaporazione MAI. Quindi, per ogni sorgente, depositare un film sul QCM posizionato vicino al campione e registrare simultaneamente gli spessori mostrati sul QCM sorgente e campione.

Da questo, calcola i fattori di attrezzaggio per piombo, ioduro e MAI. Per eseguire la co-evaporazione, regolare le temperature della sorgente in modo che il rapporto tra i tassi di deposizione sia di circa uno a due ioduro di piombo per MAI. Quindi aprire l'otturatore del campione e depositare la pellicola di perovskite.

In alternativa, per eseguire l'evaporazione sequenziale, regolare le temperature della sorgente per riscaldare solo la sorgente di ioduro di piombo. Aprire l'otturatore del campione, depositare uno strato di 50 nanometri di ioduro di piombo sul substrato e chiudere l'otturatore del campione. Dopo la deposizione dello strato di ioduro di piombo, ridurre la temperatura della sorgente di ioduro di piombo e portare la sorgente MAI alla temperatura di evaporazione.

Depositare uno strato di MAI di 50 nanometri sul substrato pre-coperto. Deposizione alternata di ioduro di piombo e strati di MAI fino al raggiungimento dello spessore previsto. Una volta che la pellicola ha raggiunto lo spessore previsto con uno dei due metodi, chiudere l'otturatore e spegnere i riscaldatori della sorgente.

Spostare il campione in una fase di riscaldamento nella camera a vuoto e ricuocere la pellicola a 70 gradi Celsius per un'ora per rimuovere i volatili e completare la formazione di perovskite. Per creare la perovskite mediante deposizione sequenziale, posizionare prima un substrato rivestito in PEDOT:PSS in una centrifuga in una scatola a guanti riempita di azoto. Utilizzando una pipetta, far cadere 150 microlitri di una soluzione da 400 milligrammi per millilitro di ioduro di piombo e DMF sul substrato.

Centrifugare il substrato a 3.000 giri/min per 30 secondi. Quindi far cadere 150 microlitri di una soluzione da 10 milligrammi per millilitro di MAI e isopropanolo sulla superficie del substrato e lasciarlo riposare per 40 secondi, oppure immergere il substrato nella soluzione MAI per 40 secondi. Rimuovere la soluzione in eccesso dal substrato mediante centrifuga per 30 secondi a 3.000 giri/min.

Ricuocere il substrato su una piastra calda a 100 gradi Celsius per 15 minuti per completare il processo di deposizione sequenziale. Per depositare il film di perovskite con il metodo della co-soluzione, in una scatola a guanti riempita di azoto, sciogliere una quantità sufficiente di ioduro di piombo e MAI nel rapporto desiderato in DMF per ottenere una soluzione precursore di 250 milligrammi per millilitro. Se è necessario un additivo molecolare, aggiungere una quantità sufficiente di cloruro di ammonio per ottenere una concentrazione compresa tra 18 e 20 milligrammi per millilitro nella soluzione precursore.

Mescolare la soluzione precursore a 50 gradi Celsius per cinque ore. Quindi preriscaldare un substrato rivestito in PEDOT:PSS per cinque minuti su una piastra calda a 50 gradi Celsius. Posizionare il substrato riscaldato nella centrifuga.

Aggiungere 200 microlitri di toluene alla ciotola della centrifuga per creare un'atmosfera di toluene durante la centrifuga. Pipettare 150 microlitri di soluzione precursore sul substrato e centrifugare a 3.000 giri/min per 30 secondi. Riscaldare il substrato rivestito di centrifuga per 30 secondi su una piastra calda a 110 gradi Celsius per completare il processo di co-soluzione.

La qualità del film di perovskite può essere valutata visivamente in base alla lucentezza della superficie. Per procedere con la fabbricazione delle celle solari, in una scatola a guanti riempita di azoto, preparare una soluzione da 20 milligrammi per millilitro di 60 PCBM in clorobenzene come materiale accettore. Mescolare la soluzione a 50 gradi Celsius per almeno 24 ore.

Quindi posizionare un substrato rivestito di perovskite appena ricotto termicamente su una piastra metallica per 30 secondi per raffreddarlo a temperatura ambiente. Montare il substrato raffreddato in una centrifuga. Posizionare 150 microlitri di soluzione 60 PCBM sul substrato e centrifugare a 2.000 giri/min per 30 secondi per formare lo strato accettore.

Quindi, posizionare il substrato in un portacampioni per deposizione di vapore e coprire il substrato con una maschera d'ombra. Graffiare uno dei punti di contatto scoperti con un bisturi per esporre lo strato ITO. Quindi posizionare il substrato mascherato nella camera a vuoto e prepararsi per la deposizione da vapore dell'alluminio.

Depositare 10 nanometri di alluminio ad una velocità di 0,5 angstrom al secondo al massimo con una pressione massima di tre volte 10 ai sei millibar negativi. Quindi aumentare la velocità a 2,5 angstrom al secondo e continuare la deposizione fino a quando lo strato di alluminio non ha uno spessore di 100 nanometri per formare il contatto superiore del catodo in alluminio. Trasporta la cella in una configurazione di simulatore solare e passa da 0,5 volt negativi a 1,5 volt positivi in incrementi di 0,02 volt.

Quindi eseguire la scansione nella direzione inversa per verificare la presenza di isteresi. I film sottili di perovskite sono stati preparati con ciascuno dei metodi descritti e con rapporti variabili tra ioduro di piombo e MAI. La microscopia elettronica a scansione dei film depositati in vapore e dei film preparati dalla co-soluzione con un additivo ha mostrato la superficie liscia e priva di fori stenopeici desiderata.

È stata osservata una variazione nella morfologia con cambiamenti nel rapporto molare tra ioduro di piombo e MAI. I film preparati dalla co-soluzione senza un additivo e i film preparati mediante rivestimento a immersione e goccia hanno mostrato vuoti, rugosità superficiale e strutture aghiformi meno desiderabili. La diffrazione a raggi X di sei campioni di co-soluzione con diversi rapporti tra ioduro di piombo e molare MAI ha mostrato la tipica struttura cristallina tetragonale.

Non sono state osservate ulteriori fasi di MAI o ioduro di piombo, indicando che i metodi di diffrazione dei raggi X non potevano fornire informazioni sulla composizione del film. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X e UV è stata utilizzata per valutare rispettivamente la stechiometria e le energie di ionizzazione dei film sottili. In tutti i metodi è stata osservata una tendenza all'aumento dell'energia di ionizzazione con l'aumento del contenuto di ioduro di piombo, indicando che l'effetto è indipendente dal metodo di preparazione.

Sono state valutate le capacità delle celle solari di film sottili con vari rapporti molari tra ioduro di piombo e MAI. L'efficienza più elevata è stata osservata con un rapporto molare di 1,02, che è il più vicino alla composizione stechiometrica della perovskite. In generale, gli individui che si avvicinano per la prima volta a questo campo della perovskite ibrida avranno difficoltà perché la formazione del film è molto sensibile al metodo di preparazione.

L'ampia varietà di diverse efficienze dei dispositivi, morfologie e soprattutto i valori del livello di energia e la letteratura sono ciò che ha attirato la nostra attenzione e motivato questo lavoro. È fondamentale garantire un alto grado di riproducibilità. Tutte le fasi di lavorazione e i metodi di caratterizzazione devono essere eseguiti in atmosfera inerte per evitare la gradazione della perovskite dovuta all'esposizione all'acqua.

E non bisogna dimenticare che lavorare con lo ioduro di piombo può essere estremamente pericoloso, e quindi è necessario prendere sempre precauzioni, come lavorare in un vano portaoggetti, durante l'esecuzione di queste procedure. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione delle influenze che i diversi metodi di preparazione delle perovskiti hanno sulle strutture cristalline, sulla densità degli stati, sui livelli di energia e, in definitiva, sulle prestazioni delle celle solari. Con il nostro approccio, ciò che vogliamo fare è fornire informazioni sulle correlazioni tra la preparazione della pellicola da un lato e le proprietà fisiche dall'altro per influenzare in ultima analisi le prestazioni delle celle solari.

Di particolare interesse è la possibilità di regolare l'energia di ionizzazione dei film di perovskite mediante incorporazione intenzionale di MAI o interstiziali di ioduro di piombo. Questo può essere utilizzato per l'ottimizzazione dell'interfaccia in nuove architetture di dispositivi. Le tecniche future esamineranno tecniche di preparazione più avanzate che mirano a grandi aree del dispositivo, inclusi metodi come il rivestimento a fessura, le tecniche di spruzzatura e la stampa su larga scala.