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

この包括的な研究の全体的な目標は、有機無機ペロブスカイト薄膜のさまざまな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に影響するかを明らかにすることです。この研究は、ハイブリッド有機無機ペロブスカイトの分野における重要な問題、特に調製方法がさまざまな薄層特性にどのように影響するかを明らかにするのに役立ちます。私たちのアプローチは、光電子分光法、走査型電子顕微鏡などの方法を使用して、異なる作製されたペロブスカイト層を分類し、膜組成、形態、および/または状態密度を監視することです。

フィルム製造のわずかな変動と同じくらい重要な処理と特性評価のステップを視覚的に示すことは、薄膜の品質に大きな影響を与える可能性があります。この手順を実演するのは、私のグループから修士課程の学生1名と博士課程の学生2名であるInes Schmidt氏、Tobias Schnier氏、Jennifer Emara氏です。イネスとトビアスは溶液処理に焦点を当てており、ジェニーは真空蒸着層を研究しています。

底面接触として使用する導電性陽極材料を準備するには、まず、酸化インジウム錫コーティングガラスの2.5 x 2.5平方センチメートル片をエッチング、洗浄、およびオゾン化します。次に、少なくとも150マイクロリットルの1.5%PEDOT:PSSを水に注ぎます。0.45ミクロンのフィルターをシリンジの先端にアタックします。

相対湿度30〜50%の空気中のスピンコーターにITOガラス基板を取り付け、ろ過されたPEDOT:PSS懸濁液の150マイクロリットルを基板の表面に分注します。基板を 2 、 500 RPM で 25 秒間、 4 、 000 RPM で 5 秒間スピンコーティングし、毎秒 4 、 000 RPM の加速を行います。スピンコーティングされた基板をホットプレート上で150°Cで10分間加熱し、PEDOT:PSS膜の残留水分を除去します。

ペロブスカイトコーティング基板を蒸着法で作製するには、まずPEDOT:PSSコーティング基板を装置の真空チャンバーに入れ、チャンバー内を排気します。チャンバー圧力が10からマイナス7ミリバールに達したら、基板を蒸発チャンバーに移動します。サンプルシャッターが閉じていることを確認し、ツーリングの水晶振動子マイクロバランスをサンプル位置の前に動かします。

ヨウ化鉛源を摂氏320度に加熱し、ヨウ化メチルアンモニウムまたはMAI源を摂氏190度に加熱します。MAIの蒸発によって引き起こされるチャンバー圧力の上昇を監視します。次に、各ソースについて、サンプルの近くに配置されたQCMにフィルムを堆積させ、ソースとサンプルのQCMに示されている厚さを同時に記録します。

これから、リード、ヨウ化物、MAIのツーリングファクターを計算します。共蒸着を行うには、堆積速度の比率がMAIに対してヨウ化鉛の約1〜2になるようにソース温度を調整します。次に、サンプルシャッターを開き、ペロブスカイトフィルムを堆積させます。

あるいは、逐次蒸発を行うには、ヨウ化鉛源のみを加熱するように源の温度を調整します。サンプルシャッターを開き、基板上に50ナノメートル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。ヨウ化鉛層を堆積させた後、ヨウ化鉛の供給源の温度を下げ、MAIの供給源を蒸発温度に導きます。

50ナノメートルのMAI層を事前に覆われた基板上に堆積させます。ヨウ化鉛層とMAI層を、意図した厚さに達するまで交互に堆積します。どちらの方法でもフィルムが意図した厚さに達したら、シャッターを閉じ、ソースヒーターをオフにします。

試料を真空チャンバー内の加熱段階に移し、70°Cで1時間アニールすることで揮発性物質を除去し、ペロブスカイトの形成を完了させます。逐次成膜によりペロブスカイトを作製するには、まずPEDOT:PSSで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入れます。ピペットを使用して、ヨウ化鉛とDMFの400ミリグラム/ミリリットルの溶液を150マイクロリットルを基板上に滴下します。

基板を3, 000 RPMで30秒間スピンコーティングします。次に、MAIとイソプロパノールの10ミリグラム/ミリリットル溶液を150マイクロリットルを基板の表面に落とし、40秒間放置するか、基板をMAI溶液に40秒間沈めます。3, 000 RPMで30秒間スピンコーティングすることにより、基板から余分な溶液を取り除きます。

100°Cのホットプレート上で基板を15分間アニールし、逐次成膜プロセスを終了します。共溶液法でペロブスカイト膜を堆積させるには、窒素を充填したグローブボックスに、DMFに十分な量のヨウ化鉛とMAIを所望の比率で溶解し、250ミリグラム/ミリリットルの前駆体溶液を得ます。分子添加剤が必要な場合は、前駆体溶液中に1ミリリットルあたり18〜20ミリグラムの濃度を達成するために十分な塩化アンモニウムを添加します。

前駆体溶液を摂氏50度で5時間攪拌します。次に、PEDOT:PSSコーティングされた基板を50°Cのホットプレート上で5分間予熱します。温めた基板をスピンコーターに入れます。

スピンコーターボウルに200マイクロリットルのトルエンを加えると、スピンコーティング時にトルエンの雰囲気が漂います。150マイクロリットルの前駆体溶液を基板上にピペットで移し、3, 000 RPMで30秒間スピンコートします。スピンコーティングされた基板をホットプレート上で摂氏110度で30秒間加熱し、共溶解プロセスを終了します。

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。太陽電池の作製を進めるためには、窒素を充填したグローブボックスに、アクセプター材料としてクロロベンゼンに60PCBMの20ミリグラム/ミリリットルの溶液を調製します。溶液を摂氏50度で少なくとも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コーティング基板を金属板に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実装します。150マイクロリットルの60PCBM溶液を基板に置き、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、基板を蒸着サンプルホルダーに入れ、基板をシャドウマスクで覆います。覆われていない接触位置の1つをメスで引っ掻いて、ITO層を露出させます。次に、マスクされた基板を真空チャンバーに入れ、アルミニウムの蒸着を準備します。

最大で毎秒0.5オングストロームの速度で10ナノメートルのアルミニウムを堆積させ、最大圧力は10の3倍から負の6ミリバールです。次に、速度を毎秒2.5オングストロームに増やし、アルミニウム層の厚さが100ナノメートルになるまで堆積を続けて、アルミニウムカソードトップコンタクトを形成します。セルをソーラーシミュレータのセットアップに輸送し、0.02ボルト刻みで負の0.5ボルトから正の1.5ボルトまでスイープします。

次に、逆方向にスキャンしてヒステリシスを確認します。ペロブスカイト薄膜は、記載されている各方法で、ヨウ化鉛とMAIの比率を変えて調製しました。蒸着膜と添加剤との共溶液から調製した膜の走査型電子顕微鏡法は、望ましい滑らかなピンホールのない表面を示しました。

形態の変動は、ヨウ化鉛とMAIのモル比の変化に伴って観察されました。添加剤を含まない共溶液から調製されたフィルムと、ディップおよびドロップコーティングによって調製されたフィルムは、望ましくないボイド、表面粗さ、および針状構造を示しました。ヨウ化鉛とMAIのモル比が異なる6つの共溶液サンプルのX線回折は、すべて典型的な正方晶の結晶構造を示しました。

MAIまたはヨウ化鉛の追加の相は観察されず、X線回折法では膜組成に関する情報を提供できなかったことを示しています。X線およびUV光電子分光法を使用して、薄膜の化学量論とイオン化エネルギーをそれぞれ評価しました。ヨウ化鉛含有量の増加に伴ってイオン化エネルギーが増加する傾向がすべての方法で観察され、そ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とMAIモル比を持つ薄膜の太陽電池能力を評価しました。最も高い効率は、化学量論的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こ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、苦労するでしょう。

デバイスの効率、形態、特にエネルギー準位の値と文献が、私たちの注意を引き、この研究の動機付けとなりました。高い再現性を確保することが重要です。すべての処理ステップと特性評価方法は、水への曝露によるペロブスカイトのグラデーションを避けるために、不活性雰囲気下で実行する必要があります。

また、ヨウ化鉛の取り扱いは非常に危険であるため、これらの手順を実行する際には、グローブボックスでの作業などの予防措置を常に講じる必要があることを忘れてはなりません。このビデオを見れば、ペロブスカイトのさまざまな調製方法が結晶構造、状態密度、エネルギー準位、そして最終的には太陽電池の性能に及ぼす影響について十分に理解できるはずです。私たちのアプローチでは、一方ではフィルムの準備と他方では物理的特性との間の相関関係についての洞察を提供し、最終的に太陽電池の性能に影響を与えたいと考えています。

特に興味深いのは、MAIまたはヨウ化鉛インタースティシアリスを意図的に取り込むことにより、ペロブスカイト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、新しいデバイスアーキテクチャのインターフェース最適化に使用できます。将来の技術では、スロットアイコーティング、スプレー技術、大規模印刷などの方法を含む大規模なデバイス領域を目指す、より高度な準備技術を検討します。