Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: 学ぶ、ハイブリッドペロブスカイト薄膜の製造方法が結晶構造、状態密度、エネルギー準位、太陽電池性能に与える影響について。光電子分光法や走査型電子顕微鏡を用いた分析手法と、最適化への示唆を解説する。

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著者は、プロジェクトPERO-BOOST（EFRE、プロジェクトコードNW-1-1-040a）を通じてノルトライン=ヴェストファーレン州の状態によって財政支援を感謝したいです。おかげで2段階の液の製造および特性評価と支援のためアザーJahanbakhshとイネス・シュミット（ケルンの両方の大学）に行って、処理ペロブスカイト層、ユルゲンSchelter MAI材料の合成のための（ケルン大学）、ならびに教授。XRD測定のための博士リードルとネダPourdavoud（ヴッパータールの両方の大学）。

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。 <ol><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>蒸留水で1回以上すすぎ、N 2気流下で乾燥しました。 </li></ol> 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。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li></ol> 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。 <ol><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol>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。 <ol><li> 溶解処理 <ol><li>逐次堆積<ol><li>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。 </li><li> 30秒間3,000 rpmで直ちにスピンコート。 </li><li> 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。 </li><li>基板オフ30秒間3,000rpmでMAI溶液を残りのスピンコート。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>共同ソリューション： <ol><li> 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。 </li><li>少なくとも5時間、50℃での前駆体溶液を攪拌します。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>基板上（4.1.2.1から）150μL前駆体溶液を置きます。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>分子添加剤： <ol><li>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。 </li></ol></li></ol></li><li> 真空蒸着 <ol><li>基本手順<ol><li>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。 </li><li> 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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>共蒸着<ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>順次蒸着<ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li></ol></li></ol> 5。太陽電池の作製<ol><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>基板上にPC 60 BM溶液150μLを配置</li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> -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。 </li></oL&gt;

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</ol>

著者らは、開示することは何もありません。

我々は、加工条件は、フィルム形態および膜被覆に大きな影響を与えることを示しました。これは、研究グループの多くは、同じペロブスカイト材料のための太陽電池性能とイオン化ポテンシャルについて異なる結果を公開する理由です。 再現性を確保するためには、湿気による分解を避けるために、不活性雰囲気（または真空）下で実行されるすべての処理ステップおよび特徴付けの方法のために重要です。また、遊離体の純度およびベンダーが（本明細書中で検討されていない）重要な役割を果たしています。真空蒸着しペロブスカイト層は高結晶性薄膜を備えていることは明らかです。しかしながら、比較において、溶液処理されたフィルムは、より高いスループットで製造することができます。 我々の研究では、スピンコーターボウルに前駆体溶液中に添加し、トルエン雰囲気としてNH 4 Clで使用が最も再現性と滑らかperovskitを提供しましたEフィルム。一方、ディップコーティングプロセスをドロップむしろ粗い表面につながり、さらにデバイスアプリケーションのために考慮されませんでした。最後に、真空処理された層は、全体的に小さい結晶サイズ（〜100 nm）を備えていますが、全体の膜を介してカバレッジの高度かつ滑らかな表面を持ちます。前駆体の比率を変化させたサンプルの系列から、我々は、組成物が同様に、成膜に大きな影響を与えることを知りました。 （ 図2）を XRDでこれらの層を調査するときただし、すべてのフィルムは、高度の結晶性および（110）及び（220）面を表す14.11°、28.14°での反射によって示される同様の正方晶の結晶構造を示すいくつかの一方層は、弱いの外観（002）および（004）反射によって見ることができる、やや無秩序に見えました。しかし、XRD回折ピークの有意な拡大が観察されません。興味深いことに、12.63°でPBI 2の分離相の兆候はありません<html>でも組み込まれPBI 2の大過剰量のために、発見しました。これは、PBI 2がないXRDによってそれが検出不能になり、別個の相またはナノ結晶の島が、などの希インタースティシャルとして組み込まれていることを示しています。このように、XRDの使用が制限されています。 一方、XPSは、（製造方法に応じて）PBI 2またはMAIの付加的な量は、窒素比リードの変化から明らかなように、膜中に存在していることを確認します。前述のように順番にこれらの格子間は、フィルムの電子構造に大きな影響を持っています。さて、UPSによって明らかにされたイオン化エネルギーの違いの観察とXPSの結果を組み合わせることにより、これら二つの現象を相関させることを可能にしています。 図6は、測定された IEの値が、対応する膜の組成（窒素比鉛）の関数としてプロットされている組み合わせのプロットを示します。 図6「SRC = &quot;/ファイル/ ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg&quot; /&gt; 図6：40ペロブスカイトしたフィルムの完全なデータセットのために抽出された測定点。 （XPSにより測定）窒素含有量の鉛の元素比率R EXPのイオン化エネルギーの依存性。実線は、データへの線形のfiトンであり、破線は±0.12 eVでの標準偏差をマーク。下部には、Fiのtの残差が示されています。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 我々は、これら2つの値の間に明確な線形相関を見つけます。 PBI 2リッチ層は、IEを増加させながら、我々の結果は、したがって、過剰にMAIとペロブスカイト膜が低いIEを示すことを示しています。私たちは、6.05±0.10 eVでのIEを見つけます5.4 eVでの頻繁に公表IEよりもかなり大きいのR EXP = 1の最適なモル比のために。我々は異なる準備ペロブスカイト膜の様々なこの値を見つけるように、この不一致は、による処理条件になる可能性がありません。それにより状態の傾きの線密度は、より高い読み出し値を生じるここで使用されるデータ評価の違いではなくなります。この問題の広範な議論は、参照17で見つけることができます。変化比IEのシフトが、活性化エネルギーだけではないことを意味し、我々はこれらのフィルムの光学的バンドギャップ（E gの= 1.60±0.02 eVで、データは示していない）の変化を見つけないことに注意することが重要です（EA）を同時にシフトします。 最大太陽電池の効率は、文献14若干の知見を確認する9.6％の電力変換効率と1.02のモル比R（MAIのPBI 2）について見出されましたPBI 2リッチ膜は、結晶粒界に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の挙動を備えています。 PBI 2含量の増加200 meVでによって開回路電圧の低下が見られます。ペロブスカイト材料のバンドギャップの変化は、V OCの減少は、ペロブスカイトおよびPCBMの界面で太陽光発電ギャップの同時減少によってではなく、不十分なホールブロッキングによって説明することはできません発生するので（IE PCBM = 6.2 eV）でのためにペロブスカイトIEの増加。同時に、0.8から0.7へのR&gt; 1.05減少のためのFFは、これらの知見をサポートします。 結論として、我々は、製造の様々な方法によって作られたペロブスカイト膜の大規模な研究を発表し、強力な変動は、成膜、電子構造およびデバイス性能を生じることを見出しました。特に興味深いのは、MAI oの意図的な取り込みによりペロブスカイトのIEを調整する可能性がありますR PBI新規なデバイス構造における界面の最適化のために使用することができる2格子間は今後の研究では、より大きなデバイス領域に向かって目指して、より高度な製造技術を見ていきます。これらは、ドクターブレード法、スプレー技術、および現在COPT.centre（有機生産技術のCOPT =中央）で私たちの施設に設置されている大規模な印刷などの方法が挙げられます。

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&lt;/ SUP&gt;、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。

<table><tbody><tr><td>伊藤</td><td>ローズ</td><td></td><td>< 15 &Omega;/sq</td></tr><tr><td>PEDOT:PSS</td><td>ヘレウスクレビオス</td><td>P VP .アル&nbsp;4083</td><td></td></tr><tr><td>MAI</td><td></td><td></td><td>文献に見られるように合成</td></tr><tr><td>PbI2</td><td>Alfa Aesar</td><td>44314</td><td>99.999% 微量金属ベース、-10 メッシュ ビーズ</td></tr><tr><td>NH4Cl</td><td>Suprapure</td><td>101143</td><td>99.995%</td></tr><tr><td>PCBM</td><td>Nano C</td><td></td><td>99.9%</td></tr><tr><td>Chlorobenzene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>270644</td><td>HPLC用クロマソルブ(99.9%)</td></tr><tr><td>N,N-ジメチルホルムアミド</td><td>アクロスケミカル</td>ズ<td>&nbsp;348430010</td><td>非常に乾燥しており、モレキュラーシーブ(99.8%)で保存</td></tr>されています。<tr><td>トルエン</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>244511</td><td>無水物</td></tr></tbody></table>

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

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

ハイブリッド無機/有機ハロゲン化物ペロブスカイト最近他の薄膜デバイス技術を超えるデバイス効率を達成する可能性と、太陽電池用途の分野で大きな関心の話題となっています。まだ、デバイス効率および基本的な物理的特性の大きな変化が報告されています。これは、十分に、これまで検討されていないフィルム加工、中に意図しない変動に起因しています。したがって、我々は、我々が表示CH 3 NH 3 PBI 3ペロブスカイトの多数の形態及び電子構造の広範な研究を行っ方法調製方法と同様に遊離体のメチル、ヨウ化鉛（II）、ヨウ化衝撃特性などの混合比膜形成、結晶構造、状態密度、エネルギーレベル、および最終的に太陽電池の性能。

ペロブスカイト膜のための異なる製造方法に比べて全体的なビューを得るためには、構造的、電子的、およびデバイス特性を組み合わせることが重要です。走査型電子顕微鏡（SEM）の形態の良好な印象を与えます。したがって、別の製造方法によって生成されたすべてのフィルムを調べました。ペロブスカイト薄膜の代表的なサブセットは、フィルム形態の調製方法の有意な影響を視覚化する、 図1に示されています。 理想的には、滑らかで、ピンホールのないフィルムはデバイスのために望まれています。図から分かるように、これは、浸漬コーティングされたもの（D、E）、および添加NH 4 Clおよびトルエン雰囲気との共溶液から調製されたフィルムを蒸着フィルム（F、G）の場合である（A1 1.4から0.6のMAIにPBI 2の様々な比RとA5）へ。これとは対照的に、フィルムwitho<html> UT添加剤（H）、並びに浸漬被覆（D、E）と、ドロップコーティングしたもの（b、c）は大きなボイド、構造針状、または大きな表面粗さを示し、従って、デバイス用途のために有用ではありません。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55084/55084fig1.jpg" /> 図1：異なる処理方法によって調製ペロブスカイト膜のSEM像。 （A1 - A5）MAI（R）へのPBI 2の異なる比で添加し、トルエンの大気との共同ソリューション、（b）はドロップコーティング40秒のロード時間で、（c）にドロップコーティングし、120秒のロード時間で、（ d）にディップコーティング（10秒ロード時間）、（e）は 、ディップコーティング（3600秒ローディング時間）、（f）は、共蒸着、（g）を順次蒸着、（h）の共同ソリューション添加剤を含みません。スケールバーは、1μmの長さを示します。tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 最後に、 図添加剤およびトルエン雰囲気との共同溶液製剤を使用して、0.6から1.4にMAIにPBI 2の比Rを混合で1 A1-A5変形例を示します。ここでも異なるフィルム形態が現れる表面被覆率と結晶サイズのショーの変化。 SEMは、薄膜の形態とカバレッジを視覚化するために、フィルムの粗さの印象を得るために良いツールですが、しかし構造的情報が与えられていません。 したがって、さらなるペロブスカイト膜を特徴付けるために、X線回折（XRD）を使用しました。この技術は10の間の2θの範囲でCuのKαアノード（λ= 1.54056オングストローム）の結晶相を用いました<html> 6; 40°（0.00836°のステップサイズ）を監視し、特徴付けました。多くの刊行物にXRDは、ペロブスカイト膜の品質を決定するために使用されます。 図2は、MAIにPBI 2の6の異なる混合比を有するサンプルのサブセットのXRD測定結果を示し、従って、 図1A1-A5でSEM画像に対応します。また、純粋なPBI 2のスペクトルが示されています。このことから、ペロブスカイト層の品質に前駆体溶液中の化学量論の影響は、異なる相の出現などといった、PBI 2およびMAIの追加の相の組み込み、すなわち 、検討されています。スペクトルは、正方晶の結晶構造を示し、反射はそれらに対応する結晶面で索引付けされています。驚くべきことに、MAIまたはPBI 2の追加の相は、オフ化学量論的な映画では観察されませんでした。 NT &quot;&gt; <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55084/55084fig2.jpg" /> 図2：XRDの純粋なPBI 2のパターンだけでなく、前駆体（右の数字で与えられる比率）の種々のモル比を用いて、（NH 4 Clおよびトルエン雰囲気の）共同溶液法により調製ペロブスカイトサンプル。比較のために、曲線は、14.11°にピークに正規化し、垂直方向にシフトしています。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> XRDは、膜の組成に関する情報を提供しなかったように、X線光電子分光法（XPS）を直接フィルムの化学量論を測定することである、使用されています。この測定のためのMg Kα励起源（hνを= 1252.6 eVの）10電子ボルト（エネルギー分解能= 800 meVで）のパスエネルギーとが用いられます。相対感度係数（RSF）は、各個別に測定要素について考慮しなければなりません。このように、我々の測定システムのRSFS（マグネシウムのKα源 、X線源とアナライザ50.0°の角度）を較正することが重要です。我々は、トリス- （4- iodphenyl） -アミン（C 18 H 12 I 3 N）を用いてヨウ素ピークを較正する小分子の数を使用し、PBI 2を介して鉛較正しました。炭素はRSF（C1sの）= 1のような基準として使用され、従って、個々の要素のRSF因子です。 RSF（はN1s）= 1.8、RSF（I3D 5/2）= 32.8、およびRSF（Pb4f 7/2）= 16.5。 図3は、上側のサブ図に示す特性コアレベルのピークを有する蒸着膜の代表XPSスペクトルを示しています。下の副図I3D 5/2（619.6 eV）で、はN1s（40で2.7 eV）では、C1s（286.6eV）、およびPb4f 7/2（138.6 eV）でのピークが示されています。すべての信号は、のみしかしシェイク・アップピークであるため、実際の付加的な結合状態とは関係のない、より高い結合エネルギーの小さな機能が一般的に観察されたヨウ素の場合には、単一混合ガウス/ローレンツピークによって装着することができます。我々は、シグナル強度にわたって積分すると、それぞれのRSF 16によってそれを正規化することにより、すべての調製ペロブスカイト層の相対的な膜組成を抽出することができます。 N：鉛：1：1：1のI映画のいくつかでは、大きな偏差は、理想的な膜の化学量論Cから発見された3。 例えば 0.4 D 1.5の間で変化させ窒素比をリード。これは、共蒸着を制御し、再現することは困難である蒸着フィルム、特に当てはまるました。決定されたソリューション処理されたサンプルについては、一方で、実際とは、前駆体の混合比は、最終的な膜組成と非常によく一致した意図しましたXPSから。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55084/55084fig3.jpg" /> 図3：代表XPSスペクトル。統合されたピークのクローズアップXPS測定が示されているの下に完全なXPSスキャンの上、示されています。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> フィルム組成物中のこれらの変動は、状態の密度に影響を与えるかを調べるために、我々は、UV光電子分光法（UPS）になりました。ヘリウム放電ランプUPS測定を実行する（21.22 eVでのHe Iを、サンプルバイアス-8 V）2 eVのパスエネルギーを使用し、及び（フェルミエッジ幅から決定される）110のMEVエネルギー分解能。れますすべてのサンプルについて、完全なスペクトルはまず、信号対雑音比を増大させるために、より高い分析アパーチャを用いて、測定された、より高い解像度スキャンを詳述します<html> VB領域を行いました。 UPSスペクトル、特にVB領域のスキャンにおいて、多色彼I放射から生じるサテライトピークは、データ解析時に数値について補正しました。 図4は、同時および順次蒸着（光赤）ならびに異なる溶液処理（暗赤色）メソッドの両方をカバーし、調べたすべてのサンプルの完全なデータセットのUPS曲線を示します。私たちは、イオン化エネルギー（IE）の大幅な変動は、図4の左側のプロットにおける高結合エネルギーカットオフ位置の変動から顕著に観察されていることを強調したいです。これらの変更は、処理およびフィルムの組成の変化によってもたらさと5.67と6.4 eVの間でIEの同調性につながるされています。詳細な説明については、16を参照するために参照してください。 JPG &quot;/&gt; 図4：調査したサンプルの代表的なサブセットのUPSをスキャンします。右辺は蒸着（光赤線）と溶液処理（暗赤色のためのVBの発症のクローズアップ高解像度を示しながら、左のパネルは、高結合エネルギーカットオフ（HBEC）と価電子帯の地域を表示しますライン）ペロブスカイト型フィルム。全ての曲線は、約3 eVのでフィーチャに整列させるために、x軸に沿ってシフトされています。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 我々は混合比の異なる前駆体から調製されたフィルムをペロブスカイト我々の以前の実験から学んだように膜の結晶構造を破壊することなく、電子構造の変化につながる、我々が望んでいました太陽電池の性能の前駆体比の効果を調査します。したがって、ITO / PEDOT：PSS /ペロブスカイト/ PC 60 BM / Alの太陽電池は、0.7から1.2のMAIにPBI 2の比を用いて（添加剤およびトルエン雰囲気）共溶液処理ペロブスカイト層を使用して調製しました。 図5は、太陽電池特性の電力変換効率の膜の化学量論（意図された比R）の影響（PCE）、短絡電流（J SC）、開放電圧（V OC）を示し、曲線因子（FF）。 9.6％の最高効率は1.02の意図モル比、 すなわち理想的なペロブスカイト組成に近いために発見されました。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/55084/55084fig5.jpg" /> 図5：PCE、J SCを、VのOC、およびFFの特性値。これらの値は、太陽電池デバイスのアーキテクチャ非の測定値から抽出されましたMAIのPBI 2の意図された混合比R intのendent膜調製のために使用しました。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

我々は、結晶構造、状態密度、エネルギーレベル、および最終的に太陽電池の性能を比較することにより、有機/無機ペロブスカイト薄膜の別の製造方法の効果について鋭意研究を提示します。

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

この包括的な研究の全体的な目的は、有機無機ペロブスカイト薄膜の異なる作製方法が、結晶構造、状態密度、エネルギー準位、および太陽電池の性能にどのような影響を与えるかを提示することです。本研究は、ハイブリッド有機無機ペロブスカイト分野における重要な課題、特に作製方法がさまざまな薄層特性にどのような影響を及ぼすかという疑問への回答に寄与します。我々は、光電子分光法や走査電子顕微鏡などの手法を用いて、作製方法の異なるペロブスカイト層を分類し、膜の組成、形態、および状態密度をモニタリングするアプローチを採用します。薄膜作製におけるわずかな変動が薄膜の品質に重大な影響を及ぼす可能性があるため、プロセスおよび特性評価の各工程が極めて重要であることを視覚的に実演します。手順の実演は、私のグループのマスター学生1名と博士課程の学生2名であるInes Schmidt、Tobias Schnier、Jennifer Emaraが行います。InesとTobiasは溶液プロセスに重点を置いており、Jennyは真空蒸着層の研究に取り組んでいます。ボトムコンタクトとして使用する導電性アノード材料を調製するため、まず、2.5 by 2.5 square centimeterの酸化インジウムスズ（ITO）コートガラス片をエッチングし、洗浄およびオゾン処理します。次に、1.5% PEDOT:PSS水溶液を少なくとも150 µL、シリンジに採取します。シリンジの先端に0.45 micronフィルターを取り付けます。相対湿度30～50%の空気中で、ITOガラス基板をスピンコーターに取り付けます。ろ過済みのPEDOT:PSS懸濁液150 µLを基板表面に滴下します。基板を2,500 RPMで25秒間、次に4,000 RPMで5秒間、加速度は4,000 RPM/sでスピンコートします。スピンコートした基板をホットプレート上で150 °Cで10分間加熱し、PEDOT:PSS膜から残留水分を除去します。気相成長法によりペロブスカイトコーティング基板を調製するには、まずPEDOT:PSSコーティング基板を装置の真空チャンバー内に配置し、チャンバー内を排気します。チャンバー圧力が10⁻⁷ mbarに達したら、基板を蒸着チャンバーへ移動させます。サンプルシャッターが閉じていることを確認し、ツール用水晶振動子マイクロバランスをサンプル位置の正面に移動させます。ヨウ化鉛ソースを320 °Cに、ヨウ化メチルアンモニウム（MAI）ソースを190 °Cに加熱します。MAIの蒸発によるチャンバー圧力の上昇をモニタリングします。次に、各ソースを用いてサンプルの近くに配置したQCM上に薄膜を堆積させ、ソース側とサンプル側のQCMに表示される膜厚を同時に記録します。これにより、鉛、ヨウ化物、およびMAIのツーリング係数を算出します。共蒸着を行うには、堆積速度の比がヨウ化鉛とMAIでおよそ1:2になるようにソース温度を調整してください。その後、サンプルシャッターを開き、ペロブスカイト膜を堆積させます。あるいは、逐次蒸着を行う場合は、ヨウ化鉛ソースのみを加熱するようにソース温度を調整します。サンプルシャッターを開き、基板上に50 nanometerのヨウ化鉛層を堆積させ、サンプルシャッターを閉じます。ヨウ化鉛層の堆積後、ヨウ化鉛ソースの温度を下げ、MAIソースを蒸着温度まで加熱します。あらかじめ被覆した基板上に、50 nanometerのMAI層を堆積させます。目的の厚さに達するまで、ヨウ化鉛とMAIの層を交互に堆積させます。いずれの方法で目的の厚さに達した時点で、シャッターを閉じ、ソースヒーターの電源を切ります。サンプルを真空チャンバー内の加熱ステージに移動し、70 °Cで1時間アニールして揮発成分を除去し、ペロブスカイトの形成を完了させます。逐次堆積法によるペロブスカイトの作製では、まずPEDOT:PSSをコーティングした基板を、窒素充填グローブボックス内のスピンコーターにセットします。ピペットを使用して、400 mg/mLのヨウ化鉛およびDMF溶液を150 µL、基板上に滴下します。基板を3,000 RPMで30秒間スピンコートします。次に、MAIとisopropanolの10 mg/mL溶液150 µLを基板表面に滴下して40秒間静置するか、あるいは基板をMAI溶液に40秒間浸漬します。3,000 RPMで30秒間スピンコートし、基板上の余剰な溶液を除去します。逐次堆積プロセスを完了させるため、基板をホットプレート上で100 °Cで15分間アニールします。共溶媒法を用いてペロブスカイト薄膜を堆積させるには、窒素充填グローブボックス内で、ヨウ化鉛とMAIを所定の比率でDMFに溶解させ、250 mg/mLの前駆体溶液を調製します。分子添加剤が必要な場合は、前駆体溶液中の濃度が18〜20 mg/mLになるように十分な量の塩化アンモニウムを添加します。前駆体溶液を50 °Cで5時間攪拌します。次に、PEDOT:PSSをコーティングした基板を、ホットプレートを用いて50 °Cで5分間予熱します。温めた基板をスピンコーターに設置します。スピンコーティング中にトルエン雰囲気を作成するため、スピンコーターのボウルに200 µLのtolueneを添加します。基板上に150 µLの前駆体溶液をピペットで滴下し、3,000 RPMで30秒間スピンコートします。共溶媒プロセスを完了させるため、スピンコートした基板をホットプレートを用いて110 °Cで30秒間加熱します。ペロブスカイト膜の品質は、表面の光沢に基づいて視覚的に評価できます。太陽電池の作製に進むため、窒素充填グローブボックス内で、アクセプタ材料としてクロロベンゼンを用いた20 mg/mLの60 PCBM溶液を調製します。この溶液を50 °Cで少なくとも24時間攪拌します。次に、熱アニールしたばかりのペロブスカイト塗布基板を金属プレート上に30秒間置き、室温まで冷却します。冷却した基板をスピンコーターに固定します。基板上に60 PCBM溶液を150 µL滴下し、2,000 RPMで30秒間スピンコートして、アクセプター層を形成します。次に、基板を蒸着用のサンプルホルダーに設置し、シャドウマスクで基板を覆います。露出しているコンタクト箇所の1つをメスでひっかき、ITO層を露出させます。その後、マスクした基板を真空チャンバー内に設置し、アルミニウムの蒸着準備を行います。最大圧力3 × 10⁻⁶ mbarで、0.5 Å/s以下の速度で10 nmのアルミニウムを堆積させます。その後、速度を2.5 Å/sに上げ、アルミニウム層の厚さが100 nmになるまで堆積を続け、アルミニウムカソード上部電極を形成します。セルをソーラーシミュレーター装置に移し、-0.5 Vから+1.5 Vまで0.02 Vステップで掃引します。次に、逆方向にスキャンしてヒステリシスを確認します。記述した各方法を用い、ヨウ化鉛とMAIの比率を変えてペロブスカイト薄膜を作製しました。気相成長させた膜および添加剤を用いた共溶媒法で作製した膜の走査型電子顕微鏡観察により、目的としたピンホールのない平滑な表面が確認されました。ヨウ化鉛とMAIのモル比の変化に伴い、形態に変化が観察されました。添加剤なしの共溶液から調製したフィルム、およびディップコーティングおよびドロップコーティングで調製したフィルムでは、望ましくない空隙、表面粗さ、および針状構造が見られました。異なるヨウ化鉛対MAIモル比を持つ6つの共溶液サンプルのX線回折では、いずれも典型的な正方晶系結晶構造が示されました。MAIまたはヨウ化鉛の追加相は観察されず、X線回折法では膜組成に関する情報を得られないことが示されました。薄膜の化学量論およびイオン化エネルギーをそれぞれ評価するために、X線およびUV光電子分光法が用いられました。すべての手法において、ヨウ化鉛の含有量が増加するにつれてイオン化エネルギーが増加する傾向が観察され、この効果が調製方法に依存しないことが示されました。さまざまなヨウ化鉛対MAIのモル比を持つ薄膜の太陽電池特性を評価しました。最高の効率は、化学量論的なペロブスカイト組成に最も近い1.02のモル比で観察されました。一般的に、ハイブリッドペロブスカイトの分野に不慣れな人は、膜形成が調製方法に非常に敏感であるため、習得に苦労します。デバイス効率、形態、そして特にエネルギー準位の値における文献上の多様性が、我々の関心を惹き、本研究の動機となりました。高い再現性を確保することが極めて重要です。ペロブスカイトが水にさらされて劣化するのを防ぐため、すべてのプロセス工程および特性評価手法は不活性雰囲気下で実施する必要があります。また、ヨウ化鉛を用いた作業は極めて危険であるため、これらの手順を行う際は常にグローブボックス内で作業するなど、適切な予防策を講じる必要があることを忘れないでください。このビデオを視聴することで、ペロブスカイトの異なる調製方法が、結晶構造、状態密度、エネルギー準位、そして最終的な太陽電池の性能にどのような影響を与えるかについて、十分に理解できたはずです。私たちの手法で目的としているのは、薄膜の調製方法と物理的特性の相関関係を明らかにすることで、最終的に太陽電池の性能を向上させるための知見を提供することです。特に注目すべきは、MAIまたはヨウ化鉛の間隙原子を意図的に導入することで、ペロブスカイト薄膜のイオン化エネルギーを調整できる可能性です。これは、新規のデバイス構造における界面最適化に利用可能です。今後の手法としては、スロットダイコーティング、スプレー法、大面積プリント法など、大面積デバイスの実現を目指したより高度な作製技術が検討される予定です。

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