Name: Cationi monovalenti doping di CH 3 NH 3 PBI 3 Per efficienti celle solari Perovskite (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 30 s
Description: Scopri il metodo di drogaggio con cationi monovalenti per migliorare le proprietà optoelettroniche delle celle solari perovskite CH3NH3PbI3. Questa tecnica aumenta la mobilità delle cariche e l'efficienza fotovoltaica.

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M. Abdi-Jalebi grazie Nava Technology Limited per una borsa di studio di dottorato. MI Dar e M.Grätzel ringraziano la King Abdulaziz City per la scienza e la tecnologia (KACST) e la National Science Foundation svizzero (FNS) per il sostegno finanziario. Gli autori desiderano ringraziare il Dr. Pierre Mettraux nel Molecolare e ibrida materiali Caratterizzazione Center, EPFL per la realizzazione delle misure di XPS. A.Sadhanala riconosce con gratitudine il sostegno finanziario al progetto Indo-UK APEX. SP Senanayak riconosce la Royal Society di Londra per la Newton Fellowship. RH Amico, M. Abdi-Jalebi, e A. Sadhanala vorrebbero riconoscere il sostegno da parte del EPSRC.

1. Sintesi e la deposizione di Pristine e basati Additive CH 3 NH 3 PBI 3 NOTA: Tutte le soluzioni sono state preparate all&#39;interno di un vano portaoggetti di argon in condizioni all&#39;umidità e ossigeno controllato (H 2 O Level: &lt;1 ppm e O 2 Livello: &lt;10 ppm). <ol><li> Sciogliere 553 mg (1,2 M) di PBI 2 in 1 mL di N, N -dimethylformamide (DMF) sotto agitazione a 80 ° C. </li><li> Aggiungere 0,02 M di alogenuri di cationi monovalenti alla soluzione PBI 2. </li><li> Spin-coat risultante soluzione trasparente gialla sul substrato (ad esempio, mesoporosi-TiO 2) per 30 s a 6.500 rpm con una rampa di 4,000 rpm. </li><li> Cuocere i film su una piastra riscaldante a 80 ° C per 30 min. </li><li> Sciogliere 40 mg di ioduro (MAI) in 5 ml di isopropanolo. </li><li> Spin-coat una quantità sufficiente di soluzione MAI sui risultanti film ioduro di piombo con un ProtoC in due fasiolo che comprende 45 s di tempo di caricamento seguita da 20 s di filatura a 4.000 giri. </li><li> Ricuocere i film perovskite di spin-rivestito su una piastra riscaldante a 100 ° C per 45 min. </li></ol> 2. Fabrication celle solari <ol><li> preparazione del sottofondo <ol><li> Motivo ossido di stagno drogato con fluoro (FTO) Vetro Rivestiti. <ol><li> Coprire l&#39;area attiva del vetro FTO con nastro adesivo semitrasparente. </li><li> Versare la polvere di zinco (Zn) sulle zone scoperte dei substrati FTO. </li><li> Preparare 2 M di acido cloridrico (HCl) in acqua distillata. </li><li> Versare la soluzione HCl sulla parte del vetro FTO che è coperto di Zn in polvere. </li><li> Lavare il FTO con acqua e rimuovere il nastro. </li></ol></li><li> Pulizia dei substrati <ol><li> Lavare il vetro FTO utilizzando 2% (w / v) di detersivo. </li><li> Sonicare i substrati incisi FTO in acetone e isopropanolo (IPA) per 10 minuti. </li><li> Trattare i substrati FTO con una ultraviolet / O 3 pulitore per 15 min. </li></ol></li></ol></li><li> Deposizione di uno strato buco blocco <ol><li> Aggiungere 0,6 ml di bis titanio diisopropoxide (acetilacetonato) (TAA) in 7 ml di IPA. </li><li> Mettere i substrati FTO puliti e modellata su una piastra riscaldante a 450 ° C e coprire l&#39;area di contatto prima del riscaldamento. </li><li> Spruzzare la soluzione pirolisi TAA sulla zona scoperta usando O 2 come gas di trasporto. </li><li> Lasciare i campioni a 450 ° C per 30 min. </li></ol></li><li> Deposizione di uno strato di trasporto di elettroni <ol><li> Diluire il commerciale TiO2 pasta (dimensione delle particelle di 30 nm) con etanolo (2: 7, il rapporto peso). </li><li> Omogeneizzare la diluizione TiO 2 da sonicazione per 30 min. </li><li> Spin-coat la diluizione Titania sui campioni preparati con compatti TiO 2 strati per 30 s a 5.000 giri con una rampa di 2.000 giri al minuto. </li><li> Ricuocere i film titania a 500 ° C per 30min. </li><li> Trattare i risultanti mesoporosi TiO 2 film in una soluzione 40 mM di TiCl 4 in acqua distillata a 70 ° C per 20 min. </li><li> Ricottura dei film -treated TiCl 4 a 450 ° C per 30 min. </li></ol></li><li> Deposizione dello strato perovskite NOTA: I substrati FTO con strati di titanio sono stati trasferiti ad un dry box-aria con umidità &lt;1% per il resto del processo di fabbricazione. <ol><li> Spin-coat le soluzioni preparate piombo ioduro (con e senza droganti) sullo TiO mesoporosa 2 per 30 s a 6.500 giri con una rampa di 4.000 giri al minuto. </li><li> Cuocere i film su una piastra riscaldante a 80 ° C per 30 min. </li><li> Spin-coat una quantità sufficiente di soluzione MAI nelle risultanti film ioduro di piombo usando un protocollo a due fasi che comprende 45 s di tempo di caricamento seguite da filatura per 20 s a 4.000 rpm con una rampa di 2,000 rpm. </li><li> Ricottura dei film perovskite di spin-rivestito su un hotplate a 100 ° C per 45 min. </li></ol></li><li> Deposizione dello strato di trasporto buco <ol><li> Aggiungere 72,3 mg di spiro-OMeTAD a 1 ml di clorobenzene e agitare fino a quando la soluzione diventa trasparente. </li><li> Ottenere una soluzione stock di bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI) con l&#39;aggiunta di 520 mg di LiTFSI in acetonitrile. </li><li> Aggiungere 17,5 ml di soluzione madre LiTFSI e 28,8 ml di 4- ter -butylpyridine (TBP) alla soluzione spiro-OMeTAD. </li><li> Spin-coat la soluzione di cui sopra per 30 s a 4.000 giri con una rampa di 2.000 giri al minuto. </li></ol></li><li> Evaporazione termica del contatto superiore <ol><li> Mascherare i campioni e metterli nella camera a vuoto dell&#39;evaporatore. </li><li> Far evaporare 80 nm d&#39;oro ad una velocità di 0,01 nm / s. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Un&#39;architettura tipica di celle solari perovskite mesoscopiche stato utilizzato in questo lavoro, dove una serie di materiali erano spin-rivestito tra un substrato conduttore e un contatto metallico termicamente evaporato (Figura 1). I mesoporosi TiO 2 strati sono stati trattati con TiCl 4, che è segnalato per passivare le trappole di superficie e per migliorare l&#39;interfaccia tra lo strato di trasporto di elettroni ed il materiale assorbitore 21, 22. Lo strato perovskite è stata poi depositato utilizzando una tecnica di deposizione in due fasi sequenziali. La conversione completa di alogenuro conducono perovskite nel secondo passo è essenziale per ottenere il massimo assorbimento della luce 16, 17, e abbiamo dimostrato che gli additivi alogenuri catione monovalente (ad esempio, NaI e CuBr) determinare una conversione completa. Inoltre, la copertura completa dello strato titania mesoporosa with la perovskite over-strato è vitale per eliminare potenziali ricombinazione tra il livello di trasporto foro (ad esempio, Spiro OMETAD) e lo strato di trasporto degli elettroni (per esempio, mesoporosa TiO 2) 23. Abbiamo illustrato che l&#39;aggiunta gli alogenuri catione monovalente (ad esempio, cui e AGI) può migliorare la copertura della superficie dello strato perovskite tappatura, che porta ad una tensione a circuito aperto superiore per il dispositivo. Il vantaggio principale del nostro metodo è la fase di drogaggio, dove abbiamo incorporato cationi monovalenti in CH 3 NH 3 PBI 3 struttura per migliorare la densità delle cariche, trasporto di carica, e la conducibilità dello strato di assorbimento. Come indicato nella sezione precedente, i droganti suddette significativamente migliorati sia l&#39;elettrone e la mobilità dei fori. Inoltre, una notevole diminuzione dell&#39;energia di attivazione trasporto di carica, così come nel disordine energetico delle Perovskipellicola te, è stato ottenuto monovalente doping cationico. In questo lavoro, abbiamo dimostrato un metodo per drogare CH 3 NH 3 PBI 3 come strato assorbente nel mesoscopica perovskite struttura delle celle solari. Monovalenti alogenuri cazione sono stati usati per regolare le proprietà morfologiche, ottiche, elettriche e di CH 3 NH 3 PBI 3 film di perovskite, al fine di migliorare le prestazioni del fotovoltaico. Pertanto, abbiamo incorporato tre differenti cationi monovalenti (cioè, Na +, Cu + e Ag +), che hanno simili raggi ionici al Pb 2+, nella fonte di piombo nella sequenziale deposizione di due fasi di CH 3 NH 3 PBI 3 . Come risultato, un notevole miglioramento delle proprietà strutturali ed optoelettroniche di CH 3 NH 3 PBI 3 avvenuta alla presenza di questi additivi, portando a PCEs elevati per le celle solari fabbricate. Pertanto, il nostro lavoro highlights un modo facile di drogaggio del CH 3 NH 3 PBI 3 come strato assorbente, che può essere utilizzato in tutte le altre configurazioni di celle solari perovskite (ad esempio, l&#39;architettura planare) al fine di migliorare ulteriormente la qualità elettronica di film sottili perovskite. I dati alla base di questo documento sono disponibili presso: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Attualmente, la porzione dominante del fabbisogno energetico del mondo (cioè, 85%) è alimentato dalla combustione di petrolio, carbone e gas naturale, che facilita il riscaldamento globale e ha effetti deleteri sul nostro ambiente 1. Pertanto, lo sviluppo di CO 2 fonti neutrale di energia è di interesse fondamentale. Il fotovoltaico (PV) è un processo di conversione di energia ideale in grado di soddisfare questo requisito. Tuttavia, il costo e l&#39;efficienza, come i principali ostacoli alla vasta adozione della tecnologia fotovoltaica, deve essere migliorato. Emergenti tecnologie fotovoltaiche basate su nuovi materiali, come perovskite celle solari (PSC), hanno la combinazione di minori costi e maggiore efficienza. Questo risultato è ottenuto attraverso l&#39;utilizzo di materiali economici che sono prontamente disponibili, così come attraverso veloce, facile e percorsi di lavorazione a bassa energia rispetto alle controparti a base di silicio 2, 3,4. Un notevole miglioramento nella efficienza di conversione di potenza (PCE), dal 3,8% ad oltre il 22%, è stato riportato per ibridi organici-inorganici perovskite alogenuri vantaggio dalla sua prima apparizione in architettura PV 5, 6, 7, 8. Tale prestazione superba nasce dalla forte assorbimento della luce con una fascia di punta estremamente tagliente, il bassissimo disturbo energico, gli eccitoni debolmente legati che si dissociano facilmente in vettori liberi con grandi lunghezze di diffusione, e la capacità di riciclaggio fotone di ibrido organico-inorganico alogenuro piombo perovskite 9, 10, 11, 12. Questi materiali sono classificati nella famiglia perovskite, che cristallizza da sali di alogenuri e ioduri metallici organici per formare cristalli nelle ABX 3 </sub&gt; Struttura, dove X è un anione e A e B sono cationi di diverse dimensioni (A è maggiore di B). cationi riportato per il Un sito includono metilammonio (MA), formamidinium (FA), e cesio (Cs); una combinazione di questi cationi mostra la più alta 13 prestazioni, 14. Inoltre, il candidato principale per il catione bivalente nel sito B è il piombo, che può essere sostituito da stagno; bandgap può essere successo rosso-spostato a oltre 1.000 nm in un piombo-stagno mescolato perovskite 15. Analogamente, gli occupanti X-site sono stati studiati approfonditamente, se una miscela di ioduro (I) e bromuro (Br) sono stati introdotti come candidati principali 16, 17. Pertanto, è altamente plausibile per manipolare le proprietà strutturali, morfologiche e optoelettronici di perovskiti alterando la loro composizione chimica. Nonostante il fatto che la maggiore crystaqualità lline e l&#39;uniformità macroscopica del film perovskite sono parametri fondamentali per realizzare dispositivi efficienti 18, l&#39;impatto dei confini tra i domini policristallini, l&#39;origine e il ruolo dei difetti elettronici nei assorbitori perovskite, e il ruolo degli strati di raccolta di carica su processi di perdita nelle celle solari perovskite non sono ancora ben compresi. Per quanto riguarda la natura dei difetti elettronici nella struttura perovskite, è stato riportato che molti dei difetti quali I o Pb vacanti, portare a stati che sono molto vicini o all&#39;interno del continuum di stati nelle bande di conduzione e di valenza, che potrebbe avere un impatto elettronico negativo sui dispositivi fotovoltaici 19. Inoltre, una forte interazione covalente tra cationi e anioni piombo ioduro nel piano perovskite può portare alla presenza di difetti intrinseci (ad esempio, sotto-coordinato dimeri Pb e I trimeri), che potrebbe creatsiti e all&#39;interno della banda bordo che agiscono come centri di ricombinazione carica durante il funzionamento del dispositivo 20. Qui, si indaga l&#39;impatto del doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite con alogenuri di cationi monovalenti, tra Na +, Cu + e Ag +, ioni metallici in basso a valenza rispetto Pb 2+. Abbiamo quindi inserire questi cationi attraverso l&#39;aggiunta di una quantità razionale di loro sali alogenuri-based (ad esempio, NaI, CuBr, CuI, e AgI) nella soluzione perovskite precursore. Questi cationi hanno raggi ionici simile al Pb 2+, così doping sostitutiva all&#39;interno del cristallo è probabile. Abbiamo dimostrato che la presenza di questi cationi influenza fortemente sia la morfologia e la copertura dello strato di perovskite. Inoltre, la presenza di questi cationi (ad esempio, Na + e Ag +) è stata confermata mediante raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS), e un significancambiamento t nel livello di Fermi di perovskite è stata misurata da Kelvin forza microscopia a sonda (KPFM). Incorporando questi cationi in celle solari perovskite sequenzialmente depositati, abbiamo ottenuto un miglioramento dell&#39;efficienza fotovoltaico di PSC (15,6% confronto al 14%). Pertanto, è molto essenziale per migliorare le proprietà strutturali e optoelettroniche dello strato di assorbimento (p.es., perovskite) in architettura celle solari per massimizzare il trasporto di carica e passivare le trappole superficiali al fine di raggiungere il massimo delle prestazioni PV.

<table><tbody><tr><td>Vetro rivestito con ossido di stagno drogato con fluoro (FTO)</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>735264-1EA</td><td>Resistività&asinto; 13 &Omega;/sq</td></tr><tr><td>Polvere di zinco</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>96454</td><td>Peso molecolare 65,39&nbsp;</td></tr><tr><td>Acido cloridrico</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>84415</td><td>&ge; 37 peso %</td></tr><tr><td>detergente Hellmanex&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>Z805939-1EA</td><td>confezione da 1 L&nbsp;</td></tr><tr><td>Titanio diisopropossido bis(acetilacetonato)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>325252</td><td>75% in peso in isopropanolo</td></tr><tr><td>Pasta di titania</td><td>DYESOL</td><td>MS002300</td><td>30 NR-D Pasta di titania trasparente</td></tr><tr><td>Ioduro di piombo (II)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>211168</td><td>99 in peso %</td></tr><tr><td>N,N-Dimetilformammide&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>437573</td><td>reagente ACS, &ge; 99,8%</td></tr> <tr><td>ioduro di metilammonio</td><td>DYESOL</td><td>MS101000</td><td>Polvere&nbsp;</td></tr><tr><td>SpiroMeOTAD</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>792071</td><td>99% (HPLC)</td></tr><tr><td>Bis(trifluorometano)sulfonimide sale di litio</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>544094</td><td>99,95% di metalli in tracce.</td></tr><tr><td>4-tert-Butylpyridine</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>142379</td><td>Purezza: 96%</td></tr> <tr><td>di clorobenzene</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>284513</td><td>anidro, 99,8%</td></tr> <tr><td>di 2-propanolo (IPA)</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>278475</td><td>anidro, 99,5%&nbsp;</td></tr><tr><td>Etanolo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>2860</td><td>alcol assoluto, senza additivi, &ge; 99,8%</td></tr></tbody></table>

cationi monovalenti doping di ch<sub&gt; 3</sub&gt; nh<sub&gt; 3</sub&gt; pbi<sub&gt; 3</sub&gt; per efficienti celle solari perovskite

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Qui, dimostriamo l&#39;incorporazione di additivi cationi monovalenti in CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite per regolare l&#39;ottica, eccitonico, e proprietà elettriche. La possibilità di doping è stata studiata con l&#39;aggiunta di monovalenti alogenuri cazione con simili raggi ionici a Pb 2+, inclusi Cu +, Na +, e Ag +. Un cambiamento nel livello di Fermi e una notevole diminuzione di assorbimento ottico sub-bandgap, insieme con un disturbo minore energetico nel perovskite, è stato raggiunto. Un miglioramento ordine di grandezza della mobilità buco di massa e una significativa riduzione di energia di attivazione trasporto all&#39;interno di un dispositivo di perovskite additivo a base è stato raggiunto. La confluenza dei suddetti proprietà migliorate in presenza di questi cationi portato ad un miglioramento nei parametri fotovoltaici della cella solare perovskite. Un aumento di 70 mV in tensione a circuito aperto per Agi e 2 mA / cm 2 improvement nella densità fotocorrente per le celle solari a base di CuBr NaI- e sono stati raggiunti rispetto al dispositivo incontaminata. Il nostro lavoro apre la strada a ulteriori miglioramenti nella qualità optoelettronico di CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite e dispositivi successivi. Si mette in evidenza una nuova strada per le indagini sul ruolo di impurità droganti di cristallizzazione e controlla la densità dei difetti elettronici nelle strutture perovskite.

Emissione di campo microscopia elettronica a scansione (FESEM) è stato usato per registrare sia immagini a sezione trasversale delle celle solari fabbricate perovskite (Figura 1) e visualizzare immagini migliori dei depositati PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3 film (Figura 2). Diffrazione di raggi X (XRD) e raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS) sono stati impiegati per caratterizzare le proprietà strutturali dei film perovskite (figure 3 e 4). Photothermal deflessione spettroscopia (PDS) e Kelvin forza microscopia a sonda (KPFM) sono stati usati per sondare le proprietà ottiche ed elettriche dei film perovskite, rispettivamente (figure 5 e 6). Inoltre, misure di trasporto bulk dipendenti dalla temperatura, basate su carica spaziale corrente limitata (SCLC) è stata eseguita sui dispositivi perovskite (Figura 7). Infine, una serie photovoltamisura ic dei dispositivi fabbricati stata eseguita (Figura 8 e Tabella 1). Basato sul top-view immagini SEM della PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3 depositato sul mesoporosa TiO 2 strati (mp-TiO 2) mostrato in figura 2, l&#39;effetto degli additivi sulla morfologia di perovskite è stato illustrato dove grandi cristalli a forma di ramo di PBI 2 sono stati ottenuti nel campione NaI-based. Ciò ha portato alla formazione di grandi cristalli asimmetrici di perovskite. Inoltre, abbiamo ottenuto uno strato uniforme e perovskite pinhole senza tappatura per i campioni a base di Agi CuI- e (Figura 2c e 2e). Per studiare l&#39;effetto degli additivi alogenuri catione monovalente sulla struttura cristallina di CH 3 NH 3 PBI 3 e sulla conversione di PBI 2 in CH 3 NH 3 PBI3, diffrazione di raggi X è stata eseguita (Figura 3). Sebbene la struttura cristallina della perovskite finale è rimasta la stessa per tutti i campioni, è evidente che il picco di diffrazione a 2θ = 12,6, che corrisponde ai non convertiti PBI 2, è stato eliminato in presenza di additivi NaI e CuBr. Per confermare la presenza di questi cationi monovalenti all&#39;interno CH 3 NH 3 PBI 3 film perovskite, abbiamo condotto un&#39;analisi XPS, come mostrato nella figura 4. Sulla base dei dati XPS, abbiamo dimostrato la presenza di Na e Ag ioni all&#39;interno dei film perovskite, mentre la concentrazione di Cu non può essere stimato, probabilmente a causa della vicinanza di ioduro (I 3P1 / 2) e rame (Cu 2P1 / 2) i picchi. L&#39;effetto degli additivi catione monovalente sullo spettro di assorbimento della perovskite è mostrato in figura 5a, che è stata misurata dal PDS.È evidente che l&#39;additivo a base di CH 3 NH 3 PBI 3 ha un minore assorbimento di sub-bandgap rispetto al campione incontaminato. Inoltre, una coda di assorbimento è stata osservata per i campioni Cu-based, che ha avuto origine dalla assorbimento intrinseca di alogenuro di rame (figura 5b). Anche se la coda di assorbimento conferma la presenza di cationi Cu nei film perovskite finali, è evidente, sulla base del confronto tra i PDS di cui a base PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3, che la loro incorporazione non è completa. Inoltre, l&#39;energia Urbach (Eu), che è una misura del grado di disordine energetico di un materiale, è stato stimato per incontaminata, perovskite NaI-, CuBr-, CuI- e AgI a base ei valori sono 15,6, 11.8, 12.8, 13.5, 15.2 e meV, rispettivamente, (inserto di figura 5a). Per esplorare l&#39;influenza degli additivi suddetti sul elettrStruttura onic di CH 3 NH 3 PBI 3, abbiamo eseguito KPFM, dove è stata misurata la differenza di potenziale di contatto (CPD) dei profili di linea. Ciò corrisponde alla funzione lavoro superficiale (Φ) della perovskite illustrato in figura 6. Un netto spostamento nella CPD (cioè, 0,1 V) di additivo basato perovskite rispetto a quella incontaminata mostra che il livello di Fermi perovskite è spostato verso la banda di valenza. Questa variazione del livello di Fermi di perovskite può essere attribuita a sostituzionale p-doping (ad esempio, la sostituzione di Pb 2+ con cationi monovalenti X +) o passivazione superficiale sulle superfici cristalline di perovskite. Per studiare l&#39;effetto di drogaggio dalla densità delle cariche e sulle proprietà di trasporto in CH 3 NH 3 PBI 3, abbiamo effettuato misure di trasporto di massa in funzione della temperatura (Figura 7a </strong&gt;). Abbiamo quindi stimato la mobilità bulk carrier (μ SCL) in base alla carica spaziale corrente limitata (SCLC) dell&#39;elettrone completa e dispositivi perovskite basati additivo hole-solo incontaminata e. Un notevole aumento della conducibilità e in entrambe le mobilità degli elettroni e fori sono stati raggiunti, in particolare per i campioni NaI e CuBr rispetto a perovskite incontaminata (Tabella 1). È da notare che il miglioramento della mobilità di carica e conducibilità sono coerenti con il miglioramento della corrente di cortocircuito (J sc) e fattore di riempimento (FF) delle celle solari fabbricate mostrato in Figura 7b. Inoltre, abbiamo stimato l&#39;energia di attivazione per il trasporto di carica (IT) sia per l&#39;elettrone e il buco utilizzando misure di trasporto di massa in funzione della temperatura, in cui una netta diminuzione è stato raggiunto per perovskite additivo a base di. Tale miglioramento è attribuito alla maggiore densità dei vettori a causa di drogaggio e riempimento thtrappole di trasporto e, che si traduce in un calo significativo nella barriera trasporti. Abbiamo fabbricato celle solari perovskite sulla base delle suddette alogenuri monovalenti cazione, le corrispondenti curve JV, ei parametri fotovoltaici che sono riassunte nella Figura 8a e Tabella 1. Un miglioramento significativo in tensione a vuoto è stato ottenuto sia CuI- (0,99 V) e AgI- (1,02 V) basato celle solari a causa della copertura della superficie ideale (figura 2c e 2e). Inoltre, un notevole aumento della corrente di cortocircuito (≈2 mA cm -2) per CuBr- e celle solari NaI-base è stato raggiunto, che può essere attribuito alla conversione completa di PBI 2 in CH 3 NH 3 PBI 3. Questo miglioramento è stato confermato dagli spettri fotone incidente-corrente efficienza di conversione (IPCE) mostrata nella figura 8b. Infine, higher efficienza di conversione di potenza (PCE) livelli del 15,2%, 15,6% e 15,3% sono stati raggiunti per NaI-, CuBr-, e dispositivi di cui a base, rispettivamente confronta con il valore di 14,0% per la cella solare perovskite incontaminata. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig1.jpg" /> Figura 1: Mesoscopic perovskite architettura delle celle solari. SEM in sezione di un dispositivo completo con la seguente struttura: FTO / compact-TiO 2 / mesoporosi-TiO 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au. <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig2.jpg" /> Figura 2: Analisi morfologica del piombo ioduro e strutture perovskite. Top-Visualizza immagini SEM di PBI 2 (lato sinistro) e CH 3 NH 3 PBI 3 strutture (lato destro): (a) incontaminato, ( <st<html> rong&gt; b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI-, e (e) i campioni perovskite AGI-based depositati su un mesoporosa TiO2 Rivestiti FTO. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig3.jpg" /> Figura 3: Effetto di additivi alogenuri catione monovalente sulla cristallinità perovskite. Diffrazione di raggi X spettri incontaminato e additivo a base di CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite che è cresciuto su mesoporosa TiO 2 film, che si deposita sul vetro FTO rivestita. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18.t = &quot;_ blank&quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig4.jpg" /> Figura 4: Traccia di cationi monovalenti in CH 3 NH 3 PBI 3 struttura perovskite. Analisi XPS di film perovskite incontaminate, CuBr-, CuI-, NaI-, e di Agi-based. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig5.jpg" /> Figura 5: Proprietà ottiche di film perovskite. (A) Gli spettri di assorbimento del film perovskite derivati da fonti di piombo incontaminato e additivi a base misurata con la tecnica PDS. Ilinserto mostra le corrispondenti energie Urbach per tutti i campioni. La barra di errore è definito dalla SD nel montaggio della coda Urbach. (B) confronto degli spettri di assorbimento PDS di film incontaminato e piombo ioduro CuBr-based e perovskite, nonché CuBr depositato su ms-TiO 2 e CuBr soli film. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig6.jpg" /> Figura 6: Effetto di additivi cationi monovalenti sul potenziale superficie di film perovskite. profili linea CPD registrate dai film perovskite incontaminate e additivi a base utilizzando KPFM. L&#39;immagine topografica AFM è mostrato sulla parte superiore. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18<html> . <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig7.jpg" /> Figura 7: caratteristiche di trasporto di carica dei film perovskite. (A) le caratteristiche dei dispositivi JV foro di solo (ITO / PEDOT PSS / Perovskite / UA), utilizzati per stimare la mobilità buco SCLC. Si noti che la densità di corrente (J) viene scalata con lo spessore degli strati perovskite. (B) le tendenze del SC J, μ h, e μ e per perovskite incontaminata e additivo a base di. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> t &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig8.jpg" /> Figura 8: caratteristiche prestazionali fotovoltaico. (A) caratteristiche corrente-tensione di dispositivi in una illuminazione di 100 mW / cm 2, ottenuti utilizzando diversi tipi di cationi monovalenti alogenuri aggiunti alla soluzione di fonte di piombo. (B) Incidente efficienza fotone-corrente (IPCE) spettri in funzione della lunghezza d&#39;onda di luce monocromatica per incontaminate, celle solari perovskite CuBr-, CuI-, NaI- e AgI basati. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Tipo di campione </td><td>J SC </td><td> V OC </td><td> FF </td><td> PCE </td><td> μ e </td><td> μ h </td><td> E A e </td><td> E A h </td></tr><tr><td></td><td> (cm -2 mA) </td><td> (V) </td><td></td><td> (%) </td><td> (cm 2 / Vs) </td><td> (cm 2 / Vs) </td><td> (MeV) </td><td> (MeV) </td></tr><tr><td> incontaminato </td><td> 21.03 </td><td> 0.95 </td><td> 0,70 </td><td> 14.01 </td><td> 0.02 </td><td> 0,008 </td><td> 135 </td><td> 198 </td></tr><tr><td> CuBr </td><td> 22.92 </td><td> 0.95 </td><td> 0,72 </td><td> 15.61 </td><td> 0.05 </td><td&gt; 0,04 </td><td> 88 </td><td> 132 </td></tr><tr><td> CuI </td><td> 21.81 </td><td> 0.99 </td><td> 0.71 </td><td> 15.25 </td><td> 0.02 </td><td> 0,036 </td><td> 94 </td><td> 157 </td></tr><tr><td> NaI </td><td> 22.97 </td><td> 0.9 </td><td> 0.73 </td><td> 15.14 </td><td> 0.04 </td><td> 0,07 </td><td> 77 </td><td> 137 </td></tr><tr><td> AgI </td><td> 19.24 </td><td> 1.02 </td><td> 0,72 </td><td> 14.18 </td><td> 0.005 </td><td> 0.006 </td><td> 105 </td><td> 177 </td></tr></tbody></table> Tabella 1: fotovoltaici e di trasporto di carica parametri del PSC. Sintesi dei parametri fotovoltaici conseguenti a misurazioni JV e le mobilità di carica, insieme con l&#39;energia di attivazione per le celle solari perovskite incontaminate e additivi a base che mostrano le migliori prestazioni e sono stati fabricated utilizzando il metodo di deposizione in due fasi. È da notare che le statistiche dei parametri fotovoltaici seguono lo stesso andamento dei migliori dispositivi performanti. Questa tabella è stata riprodotta da riferimento 18.

Qui, presentiamo un protocollo per regolare le proprietà di soluzione trasformati CH 3 NH 3 PBI 3 attraverso l&#39;incorporazione di additivi cationi monovalenti per realizzare celle solari perovskiti altamente efficienti.

Cationi monovalenti doping di CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Per efficienti celle solari Perovskite

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

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.

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