Cationi monovalenti doping di CH
19 marzo 2017
Qui, presentiamo un protocollo per regolare le proprietà di soluzione trasformati CH 3 NH 3 PBI 3 attraverso l'incorporazione di additivi cationi monovalenti per realizzare celle solari perovskiti altamente efficienti.
L'obiettivo generale di questa procedura è migliorare le proprietà optoelettroniche del perovskite alogenuro di piombo mediante drogaggio con cationi monovalenti per realizzare celle solari a perovskite altamente efficienti. L'introduzione di cationi monovalenti nel perovskite alogenuro di piombo migliora significativamente la qualità del semiconduttore e il comportamento fotoelettrico di questo materiale. L'aggiunta di una quantità ragionevole di droganti cationici monovalenti a basso costo ai materiali perovskiti aumenta la mobilità delle cariche e riduce il disordine energetico di un ordine di grandezza.
Per iniziare il confronto tra i substrati, utilizzare un nastro adesivo acrilico semi-trasparente per coprire i 2/3 della superficie conduttiva di un vetrino in vetro ricoperto di FTO. Quindi ricoprire le aree non protette con polvere di zinco. Versare una soluzione di acido cloridrico 2 molare in acqua distillata sul vetrino per incidere il substrato.
Utilizzare un bastoncino di cotone per rimuovere il residuo dalle sezioni esposte del vetrino. Risciacquare il substrato FTO inciso con acqua distillata e quindi rimuovere il nastro. Lavare la superficie incisa in una soluzione al 2% in peso/volume di detergente liquido alcalino concentrato e acqua.
Sonicare il substrato FTO per 10 minuti ciascuno in bagni di acetone e isopropanolo in sequenza. Trattare il substrato FTO in un pulitore a plasma d'ossigeno per 15 minuti per completare la pulizia del substrato inciso. Per depositare l'intero strato compatto di ossido di titanio bloccante, posizionare innanzitutto il substrato FTO inciso e pulito su una piastra riscaldante a 450 gradi Celsius.
Coprire immediatamente l'area di contatto con una lamella di vetro pre-tagliata e lasciare riscaldare il substrato fino a 450 gradi Celsius. Mescolare 0,6 millilitri di TAA con 7 millilitri di isopropanolo. Quando il substrato ha raggiunto i 450 gradi Celsius, applicare la soluzione di TAA sul substrato mediante pirolisi a spruzzo utilizzando aria come gas di trasporto.
Lasciare il campione a 450 gradi Celsius per 30 minuti. Successivamente, lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente. Rimuovere il coperchio di vetro una volta che il substrato si è raffreddato.
Per depositare lo strato di trasporto degli elettroni, diluire prima la pasta di ossido di titanio 30 nanomolare con etanolo in un rapporto ponderale di 2:7. Sottoporre la sospensione a sonificazione per 30 minuti. Successivamente, applicare la sospensione sul campione mediante spin coating per 30 secondi a 5.000 giri al minuto, con una rampa di accelerazione di 2.000 giri al minuto al secondo.
Annientare il film di titanio a 500 gradi Celsius per 30 minuti per ottenere un film di ossido di titanio mesoporoso. Successivamente immergere il campione in una soluzione di 40 millimolari di cloruro di titanio in acqua distillata. Trattare i campioni a 70 gradi Celsius per 20 minuti.
Annientare il campione trattato con cloruro di titanio a 450 gradi Celsius per altri 30 minuti. Trasferire il campione in una camera a guanti riempita di azoto con un'umidità inferiore all'1%. In un'atmosfera inerte a basso contenuto di acqua e ossigeno, aggiungere 1 millilitro di DMF a 553 milligrammi di ioduro di piombo. Riscaldare la miscela a 80 gradi Celsius sotto costante agitazione fino a quando l'ioduro di piombo si è completamente disciolto.
Quindi preparare una soluzione 0,02 molare dell'alogenuro di catione monovalente scelto nella soluzione di ioduro di piombo. Applicare 80 microlitri di alogenuro di catione monovalente in soluzione di ioduro di piombo sul substrato. Effettuare la deposizione mediante spin-coating del substrato per 30 secondi a 6.500 giri al minuto, con una rampa di accelerazione di 4.000 giri al minuto al secondo.
Scaldare il film sottile risultante a 80 gradi Celsius per 30 minuti. Successivamente, sciogliere 40 milligrammi di ioduro di metilammonio in 5 millilitri di isopropanolo. Posizionare il substrato rivestito con ioduro di piombo in un spin coater e applicare 120 microlitri della soluzione di MAI.
Lasciare la soluzione a contatto con il substrato per 45 secondi, quindi applicare il substrato con MAI mediante spin coating per 20 secondi a 4.000 giri al minuto. Annihilare il film di perovskite a 100 gradi Celsius per 45 minuti. Per depositare lo strato di trasporto completo, aggiungere prima 1 millilitro di clorobenzene a 72,3 milligrammi di spiro-methoxyTAD.
Agitare la miscela fino a quando la soluzione appare trasparente. Preparare una soluzione madre di 520 milligrammi di TFSI di litio in 1 millilitro di acetonitrile. Quindi mescolare 17,5 microlitri della soluzione di TFSI di litio con 28,8 microlitri di 4-tert-butilpiridina alla soluzione di spiro-metossiTAD.
Applicare per centrifugazione il campione con questa miscela per 30 secondi a 4.000 giri al minuto con una rampa di accelerazione di 2.000 giri al minuto al secondo. Coprire il campione con una maschera per i contatti superiori della cella solare. Depositare un film di oro di 80 nanometri sul campione a una velocità di 0,01 nanometri al secondo per completare la fabbricazione della cella solare.
Sono stati confrontati film sottili di perovskite pristina e a base di additivi con i corrispondenti film di ioduro di piombo. Quando lo ioduro di sodio è stato utilizzato come additivo, sono stati osservati al FESEM grandi cristalli di ioduro di piombo con forma ramificata insieme a grandi cristalli di perovskite asimmetrici. Quando sono stati utilizzati come additivi lo ioduro di rame e lo ioduro di argento, sono stati osservati strati di perovskite uniformi e privi di fori.
La diffrazione a raggi X ha mostrato che il drogaggio con cationi non ha avuto alcun effetto sulla struttura cristallina della perovskite. Nessun picco corrispondente a ioduro di piombo non convertito è stato osservato quando lo ioduro di sodio o il bromuro di rame sono stati utilizzati come additivi. La microscopia a forza di prova Kelvin ha mostrato che i livelli di Fermi della perovskite drogata si sono spostati verso la banda di valenza.
I campioni drogati hanno mostrato un'aumentata conducibilità nelle mobilità di elettroni e di lacune, in particolare per i campioni di ioduro di sodio e bromuro di rame. Sono stati osservati anche aumenti della corrente di cortocircuito nel fattore di riempimento. L'aumento maggiore della corrente di cortocircuito nelle celle a base di bromuro di rame e ioduro di sodio è stato attribuito alla completa conversione dello ioduro di piombo e al miglioramento della mobilità delle cariche.
Sono state osservate migliorie nella tensione di circuito aperto per celle solari a base di ioduro di rame e ioduro di argento, probabilmente a causa delle loro superfici uniformi e prive di fori. Le efficienze di conversione della potenza delle celle solari a base di ioduro di sodio, bromuro di rame e ioduro di rame sono risultate tutte notevolmente superiori rispetto a quelle di una cella perovskite prista. Abbiamo dimostrato un metodo di drogaggio semplice e compatibile con la lavorazione in soluzione del perovskite alogenuro di metilammonio e piombo come strato assorbente nella struttura di celle solari perovskite mesoscopiche.
Le proprietà optoelettroniche e strutturali dei materiali perovskite alogenuri di piombo possono essere modulate mediante l'aggiunta controllata di dopanti costituiti da cationi monovalenti, il che può portare a un miglioramento delle prestazioni fotovoltaiche. Il nostro metodo ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della fotovoltaica per esplorare questa tecnica in altre configurazioni di celle solari a perovskite, al fine di migliorare ulteriormente la qualità elettronica dei film sottili di perovskite.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per migliorare le proprietà optoelettroniche delle celle solari a perovskite alogenura di piombo mediante drogaggio con cationi monovalenti. L'incorporazione di questi additivi migliora significativamente la qualità del semiconduttore e la mobilità delle cariche.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienza dei materiali
- Fotovoltaico
- Optoelettronica
Sfondo
- I perovskiti alogenuri di piombo sono materiali promettenti per celle solari.
- Gli ioni monovalenti possono migliorare le proprietà di questi materiali.
- Migliorare la mobilità delle cariche è fondamentale per l'efficienza delle celle solari.
- Le tecniche di lavorazione da soluzione sono comunemente utilizzate nella fabbricazione degli strati perovskitici.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per drogare la perovskite alogenura di piombo con cationi monovalenti.
- Valutare l'impatto del drogaggio sulle proprietà optoelettroniche delle celle solari a perovskite.
- Confrontare le prestazioni di film di perovskite drogati e non drogati.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di substrati FTO mediante incisione e pulizia.
- Applicazione di strati di ossido di titanio mediante pirolisi da spruzzo e rivestimento a centrifuga.
- Doping dello ioduro di piombo con alogenuri a catione monovalente.
- Caratterizzazione dei film risultanti mediante varie tecniche di microscopia e diffrazione.
Risultati principali
- I film perovskitici drogati hanno mostrato un' migliore mobilità e conducibilità di carica.
- Sono state osservate un' corrente di cortocircuito e un fattore di riempimento migliorati nelle celle drogate.
- Non sono stati rilevati effetti avversi sulla struttura cristallina a causa del drogaggio.
- Le efficienze di conversione della potenza delle celle drogate hanno superato quelle delle celle pristine.
Conclusioni
- Il metodo di drogaggio è efficace e compatibile con la lavorazione da soluzione.
- Aggiunte di cationi monovalenti migliorano in modo significativo le prestazioni delle celle solari a perovskite.
- Questo studio fornisce un percorso per futuri miglioramenti nella tecnologia delle celle solari.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale
L’arricchimento con cationi monovalenti di materiali perovskitici affronta sfide fondamentali nella qualità dei materiali optoelettronici, inclusa la mobilità delle cariche e il disordine energetico, che influenzano direttamente l’efficienza fotovoltaica. Questo approccio consente una previsione affidabile delle prestazioni del materiale riducendo la densità di difetti e migliorando il trasporto di carica, favorendo così l’ottimizzazione dei dispositivi successivi. Il metodo offre una strategia scalabile e compatibile con processi in soluzione per regolare le proprietà elettroniche nei sistemi a base di perovskite, utile per la selezione precoce di materiali e l’identificazione di candidati promettenti nei flussi di ricerca e sviluppo fotovoltaici.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Prima Fase della Scoperta e Validazione dell'Obiettivo
- Valore scientifico: Consente l'analisi degli effetti dei droganti sulla dinamica dei portatori di carica e sul passivamento dei difetti nei materiali semiconduttori.
- Valore operativo: Permette una rapida selezione di additivi cationici per identificare quelli che migliorano la funzionalità optoelettronica.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Facilita la preparazione di film perovskitici drogati con uscite optoelettroniche standardizzate per l'analisi comparativa.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità delle misurazioni della mobilità di carica e della conducibilità attraverso diverse varianti di additivi.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Dimostra la continuità dal drogaggio del materiale alle prestazioni del dispositivo funzionale, sostenendo decisioni di avanzamento con rischio calibrato.
- Valore operativo: Fornisce parametri quantitativi (ad esempio, tensione di circuito aperto, corrente di corto circuito) per valutare il potenziale traslazionale.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo di drogaggio si integra nel processo di scoperta permettendo un'ottimizzazione precoce del materiale che orienta l'identificazione del composto capostipite e la validazione preclinica del dispositivo nella ricerca fotovoltaica.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come i cationi monovalenti influenzino la densità di difetti e il trasporto di carica nei reticoli perovskitici.
- Screening: Permette la preparazione di film drogati pronti per saggi, con maggiore mobilità delle lacune e ridotta assorbimento al di sotto del bandgap.
- Analisi: Produce output quantitativi come spostamenti del livello di Fermi, incrementi della conducibilità e miglioramenti dei parametri fotovoltaici per la valutazione comparativa.
- Ricerca traslazionale: Collega il miglioramento delle proprietà volumetriche a metriche di dispositivo migliorate, come la tensione a circuito aperto e la densità di corrente fotogenerata, sostenendo la continuità preclinica.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un protocollo di drogaggio riutilizzabile applicabile a diverse composizioni perovskitiche e architetture di dispositivo.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Previsione affidabile della qualità del materiale grazie alla riduzione del disordine energetico e al miglioramento della mobilità volumetrica delle lacune.
- Valore operativo: Standardizzazione della lavorazione da soluzione e dell'incorporazione di additivi per un'ottimizzazione optoelettronica riproducibile.
- Valore strategico: Fornisce indicazioni per decisioni di avanzamento o abbandono dei materiali candidati in base a miglioramenti misurabili nell'output di tensione e corrente.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione corretta rispetto al rischio di formulazioni perovskitiche drogate che dimostrano una superiore efficienza di conversione della potenza.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze nei materiali semiconduttori, nella lavorazione da soluzione e nelle tecniche di deposizione di film sottili.
- Strumentazione per la deposizione mediante spin coating, ricottura termica e caratterizzazione optoelettronica (ad esempio, FESEM, XRD, KPFM).
- Standardizzazione della concentrazione degli additivi e della preparazione del substrato tra diversi lotti sperimentali.
- Considerazioni adattative per differenti alogenuri di cationi monovalenti e composizioni perovskitiche.
- I limiti pratici includono la necessità di garantire una formazione uniforme del film e di controllare la cinetica di cristallizzazione durante l'incorporazione degli additivi.
