製膜上のハイブリッドペロブスカイト製造方法、電子構造、および太陽電池の性能に及ぼす影響

薄膜太陽技術は、フレキシブル基板上のそれらの低い材料消費と適用による太陽電池用途の研究に大きな注目を集めています。最も顕著なのは、無機/有機ハロゲン化物、ペロブスカイト材料は、高い効率をもたらす、太陽電池装置で実行可能な活性層であることが証明されています。ペロブスカイトは、このような高い吸収係数^1、高い電荷キャリア移動度^2、およびエネルギー^3を結合低励起子として有利な特性を備えています。ペロブスカイト層は、種々の溶液又はヨウ化鉛（PBI _2）、メチルアイオダイド（MAI）のような低コストの前駆体材料を用いた気相ベースの製造方法により製造することができます。この方法は、市販のシリコン太陽電池に比べて低い加工温度を用いて、高結晶性のフィルムを容易に製造することが可能になります。

それがshoされていますそのいくつかのパラメータWNが励起子拡散長および電荷キャリア移動度に影響を与えるように、ペロブスカイト型太陽電池、最も特に膜の形態の性能に強い影響を与えます。 NIE ら。 ^5、カバレッジ及び平均結晶サイズに関しては、ペロブスカイト膜の形態を改良することにより、太陽電池の性能は^、4を増加^させることが示されました。形態（ 例えば酢酸鉛⁶を使用する）、（ii）は、分子添加剤^7、溶媒の（iii）の選択、（NH ₄ Cl _のような）（iv）の熱前駆体（I）の選択によって影響を受けることが示されています（トルエン、クロロベンゼン⁸など）溶剤雰囲気下でのアニーリング、および調製法⁹の特に（v）を選択。 ^17％4を超える効率を有する太陽電池における一段階または二段階スピンコーティング結果のような溶液ベースのプロセス^</ ^SUP>、真空蒸着ペロブスカイト型太陽電池ながら^{10、11、12が 15.4％13}の効率をもたらします。

ペロブスカイト層における過剰なPBI ₂による粒界¹⁴でPBI ₂のペロブスカイト膜の不動態化することによって改善されたキャリアバランスに太陽電池の性能にとって有利であることが示されています。しかし、ほとんどの研究は、ペロブスカイトフィルム材料上に化学量論の効果の役割を理解するために行われています。

本稿では、異なる幅広いに関する広範な研究を提示ペロブスカイト薄膜を作製し、調製方法および前駆体の化学量論は、状態の形態、結晶性、密度、膜組成、および太陽電池の性能にどのように影響するかを示しています。総合的な概要はcharacteriフィルムに製作に至るまで、提示されていますデバイス性能への化のすべての方法。

1. ITO基板

注：デバイスの短絡を回避するために接触させ、改善された試料について、ITO被覆されたガラス基板は、リソグラフィ及びエッチングを用いてパターン化されなければなりません。上部と下部電極の重なりが作製した太陽電池の活性領域を定義します。

1. 2.5センチ基板2.5センチ得ガラスカッターでインジウムスズ酸化物（ITO）でコーティングされたガラス板を切断します。
2. ITOの中央に円形状のラベル（直径= 1.6センチ）接着剤は、基板をカバーしました。
3. 10分間60℃で、塩酸、1MのFeCl ₃溶液中に基板を配置することによって、ITOをエッチングします。
4. クロロホルム、アセトンおよび超音波浴中の石鹸溶液（2％）を有する基板を順次清掃してください。
5. 蒸留水で1回以上すすぎ、N ₂気流下で乾燥しました。

ITO基板の2オゾン処理

注：有機不純物を除去するために、T彼は基板がオゾンする必要が伊藤。これは、酸化物表面を活性化し、その後の層の再現性の堆積のために重要である基板の濡れ性を向上させます。

1. マウントITOは、試料ホルダーに基板およびオゾン処理室に配置します。
2. オゾンを発生させる紫外線ランプ（20 W）と（大気）酸素下で10分間点灯します。

PEDOTの3堆積：PSS正孔収集に連絡

注：ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン） - ポリ（スチレンスルホン酸）（PEDOT：PSS）のフィルムは、周囲条件（25〜40％相対湿度）下での水性懸濁液からスピンコーティングによって堆積されます。この層は正孔収集接点として使用され、高い仕事関数を備え、ピンホールを低減し、デバイスの増加再現性がもたらされます。

1. throのフィルタリング後PSS基板上に注射器で水懸濁液（1.5％）で：PEDOTの150μLを配置0.45μmのフィルターぐふ。
2. 25秒間2,500rpmでの回転速度を用いて、スピンコートは、直接回転数4000rpm / sは、それぞれの加速度で5秒間4000rpmで行いました。 PSSフィルム：この手順は、40〜45ナノメートルの厚さのPEDOTにつながります。
3. 熱空気中で10分間、150℃のホットプレート上で基板をアニールすることにより、フィルムから残留水を除去。

ペロブスカイト層の4沈着

注意：ヨウ化鉛（PBI _2）は、ヒトに対して非常に有毒です。少量でも、神経、造血、腎臓、および肝臓のシステムのための非常に危険です。注意して解決策を含むリード扱います。
注：この論文を通じて調査したペロブスカイト膜は、前駆体材料としてPBI ₂およびCH ₃ NH ₃ I（MAI）を使用して、5種類の方法により調製されます。分解^15を回避するために、フィルムおよびデバイスの製造およびそれらの特徴付けは、bに有しますEは、N ₂を充填したグローブボックス（溶液処理）又は真空下（蒸着）に不活性雰囲気、 例えば、下で行います。

1. 溶解処理
   1. 逐次堆積
      1. スピンコーターに置き、基板と、基板上にピペットで150 N、N-ジメチルホルムアミドに溶解μLPBI _{2、DMF（400} mg / mlで）をドロップ。
      2. 30秒間3,000 rpmで直ちにスピンコート。
      3. MAIでディップPBI ₂膜をイソプロパノールに溶解した40秒または乾燥したPBI ₂膜の上にドロップMAIソリューションのための（10mg / mL）および40秒のためにそこに残します。
      4. 基板オフ30秒間3,000rpmでMAI溶液を残りのスピンコート。
      5. ホットプレート上に基板を配置することにより、100℃で15分間加熱します。
   2. 共同ソリューション：
      1. 250ミリグラムの濃度の前駆体溶液を形成するために、DMF中：（1モル比理想的には1）所望の比率でのPBI ₂およびMAIの両方を溶解します/ mLです。
      2. 少なくとも5時間、50℃での前駆体溶液を攪拌します。
      3. 予熱基板はPEDOTで被覆された：PSS 50℃でホットプレート上で5分間。
      4. 1デバイスシリーズ全体で増加した再現性を保証するために、スピンはペロブスカイト層をコーティングしながら、スピンコーターボウルの内側に溶剤（200μL）を少量滴下することによりトルエン雰囲気を作成します。
      5. 基板上（4.1.2.1から）150μL前駆体溶液を置きます。
      6. この前駆体溶液から30秒のための3000 rpmでスピンコートペロブスカイト層。スピンコート基板あたりペロブスカイト材料の一つの層。
      7. ホットプレート上で110℃で30秒間、得られたペロブスカイト層を加熱します。
   3. 分子添加剤：
      1. より良好なフィルム形成を確実にするために、スピンコーティング溶液中のNH ₄ Clで（18-20 mg / mlでの）（4.1​​.2.1に記載されるように）共溶解します。以前のように進みます。
         注：これは、共同程度の添加に代わるものです4.1.2からリューション。
2. 真空蒸着
   1. 基本手順
      1. 真空システムに洗浄された基板をロードし、避難してください。
      2. 10 ^-7ミリバールの圧力が蒸発室に、転送サンプルに達し、シャッターと蒸発源からそれをオフにシールドされた後。
      3. PBI ₂のために約330℃に前駆物質を含有し、MAIのための140°C 2のソースを加熱します。チャンバ内の圧力がMAIの揮発性の性質のために、約10 ^-4ミリバールまで上昇することに注意してください。
      4. 他の一つは、サンプル位置で、一方の水晶モニタ（QCM）を使用して2つの材料の蒸発速度を較正クローズソースに配置されます。蒸発温度に材料を加熱し、同時に両方QCMSに示したそれぞれの厚さを書き留めます。比ツーリング係数を算出します2つの値の。厚さ計算に使用6.16および1.23グラム/ cm ^-3でそれぞれPBI ₂とMAI、ため。
   2. 共蒸着
      1. 化学量論的に正しいペロブスカイトフィルムを達成するために、情報源の温度を上昇または低下させることによって2：約1にMAIにPBI ₂の速度を調整します。
      2. 堆積を開始するには、サンプルの前でシャッターを開きます。意図された厚さに達した後、ソースの加熱のシャッターやターンを閉じます。
      3. 揮発性化合物は、完全な膜形成を除去するために真空チャンバ内に70℃で1時間、膜を加熱します。
   3. 順次蒸着
      1. 蒸発（約100℃）でのポイントの下に再びMAI源の温度を低下させ、蒸発が開始されるまでPBI ₂ソースを温めます。純粋なPBI ₂の預金50nmです。
      2. その後、PBI _2を冷却ソースと同様に、MAIの50ナノメートルを蒸発させます。より大きな厚さのためにステップ4.2.3.1と4.2.3.2交互に繰り返します。
      3. 揮発性化合物は、完全な膜形成を除去するために真空チャンバ内に70℃で1時間、膜を加熱します。

5。太陽電池の作製

1. 20mg / mLの濃度でクロロベンゼンにアクセプタフェニル-C ₆₀ -酪酸メチルエステル（PC ₆₀ BM）を溶解し、50℃のホットプレート上で少なくとも1日撹拌します。
2. 前に示したように（4.1.3を参照してください。）ペロブスカイト層（添加剤との共溶液プロセス）を準備します。
3. 室温に金属板上に30秒間加熱したペロブスカイト層をクールダウン。
4. 基板上にPC ₆₀ BM溶液150μLを配置
5. 50nmの厚い層が得られるペロブスカイト膜の上に30秒間2000rpmでスピンコートPC ₆₀ BM。
6. 完全にコーティングされた基材を配置サンプルホルダー中の活性層の上にコンタクトを蒸発させるために、シャドウマスクでカバーしています。
7. ITO陽極に接触を確立するために、メスとの接触の1を傷つけます。
8. カソードの上部接点の堆積のために真空チャンバに移します。
9. 水晶モニターによって測定される0.5Å/秒の速度で、P = 3×10 ^-6ミリバールの最大圧力での堆積物10 nmのアルミニウム。最初の10nmの後に速度を100nmの膜厚に到達するまで、2.5Å/ sまで増加させることができます。
10. -0.5 V 1.5（ステップ= 0.02 V）の電圧範囲内のソース測定ユニットを使用して、太陽電池の電圧（J-V）測定値対電流密度を行います。ヒステリシスは、JV特性に現れるされていないことを確認するために、1.5からだけでなく、-0.5Vにバイアスを掃引することによって、同様に逆走査方向を測定します。ソーラーシミュレータ（100ミリワットのcm 2の）認定のシリコンフォトダイオードを使用して較正を使用してください。