CHの一価の陽イオンドーピング

この手順の全体的な目的は、1価カチオン・ドーピングを通じてハロゲン化鉛ペロブスカイトの光電子特性を向上させ、高効率なペロブスカイト太陽電池を作製することである。ハロゲン化鉛ペロブスカイトへの1価カチオンの導入は、この材料の半導体品質および光効果挙動を大幅に改善する。ペロブスカイト材料に低コストの1価カチオン・ドーパントを適量添加することで、電荷移動度が向上し、エネルギー的無秩序が1桁減少する。

基材の比較を開始するために、半透明のアクリル粘着テープを使用して、FTOコーティングガラススライドの導電側の2/3を覆います。次に、覆われていない領域に亜鉛粉末をコーティングします。スライドの上に蒸留水で調製した2 molar 塩酸溶液を注ぎ、基材をエッチングします。

綿棒を使用して、スライドの露出部分から残留物を拭き取ります。エッチング済みのFTO基板を蒸留水ですすぎ、テープを取り除きます。エッチングされた表面を、アルカリ性液体洗剤濃縮液と水の2%重量対容量溶液で洗浄します。

FTO基板をアセトンおよびイソプロパノールバスで順に10分ずつ超音波洗浄します。エッチング済み基板の洗浄を完了させるため、FTO基板を酸素プラズマクリーナーで15分間処理します。ブロッキング用の緻密な酸化チタン層全体を堆積させるには、まずエッチングおよび洗浄済みのFTO基板を450 °Cに設定したホットプレートの上に置きます。

あらかじめカットしたガラススライドで接触面をすぐに覆い、基板を450 degrees Celsiusまで加熱します。0.6 millilitersのTAAと7 millilitersのイソプロパノールを混合します。基板が450 degrees Celsiusに達したら、空気をキャリアガスとして用いるスプレー熱分解法により、TAA溶液を基板に塗布します。

サンプルを450 °Cで30分間保持します。その後、サンプルを室温まで冷却します。基板が冷却されたら、ガラスカバーを取り除きます。

電子輸送層を堆積させるには、まず30 nanomolarの酸化チタンペーストをエタノールで2:7の重量比に希釈します。この懸濁液を30分間超音波処理します。次に、回転数5,000 RPM、ランプ速度2,000 RPM/秒の条件で、サンプルにこの懸濁液を30秒間スピンコートします。

チタン薄膜を500 °Cで30分間アニールし、メソポーラス酸化チタン薄膜を作成します。次に、サンプルを40 mMの塩化チタン蒸留水溶液に浸漬します。その後、サンプルを70 °Cで20分間処理します。

塩化チタン処理した試料を450 °Cでさらに30分間アニールします。試料を湿度1%未満の窒素充填グローブボックスに移します。低水分、低酸素の不活性雰囲気下で、553 mgのヨウ化鉛に1 mLのDMFを加えます。ヨウ化鉛が溶解するまで、連続的に攪拌しながら混合物を80 °Cまで加熱します。

次に、ヨウ化鉛溶液中に、選択した1価カチオンハロゲン化物の0.02 M溶液を調製します。この1価カチオンハロゲン化物含有ヨウ化鉛溶液を80 µL、基板に塗布します。ランプレート 4,000 RPM/secで、6,500 RPMにて30秒間スピンコートします。

得られた薄膜を80 °Cで30分間加熱乾燥させます。次に、40 mgのヨウ化メチルアンモニウムを5 mLのイソプロパノールに溶解させます。ヨウ化鉛をコーティングした基板をスピンコーターにセットし、120 µLのMAI溶液を滴下します。

溶液を基板上に45秒間静置した後、MAIを用いて4,000 RPMで20秒間スピンコートします。ペロブスカイト薄膜を100 °Cで45分間アニールします。輸送層全体を堆積させるには、まず72.3 mgのspiro-methoxyTADに1 mLのクロロベンゼンを加えます。

溶液が透明に見えるまで混合物を振盪します。1 mLのアセトニトリルに520 mgのリチウムTFSIを溶解させ、ストック溶液を調製します。次に、17.5 µLのリチウムTFSI溶液と28.8 µLの4-tert-ブチルピリジンを混合し、これをspiro-methoxyTAD溶液に加えます。

この混合液を用いて、4,000 RPM、ランプレート 2,000 RPM/秒の条件で30秒間、試料にスピンコートを行います。太陽電池の上部電極用にマスクパターンで試料を覆います。最後に、0.01 nm/秒の速度で80 nmの金層を試料に堆積させ、太陽電池の作製を完了します。

純粋なペロブスカイトおよび添加剤ベースのペロブスカイトの薄膜を、それぞれに対応するヨウ化鉛薄膜と比較しました。ヨウ化ナトリウムを添加剤として使用したところ、FESEMにより、大きな非対称なペロブスカイト結晶とともに、大きな枝状のヨウ化鉛結晶が観察されました。ヨウ化銅およびヨウ化銀を添加剤として使用したところ、均一でピンホールのないペロブスカイト層が観察されました。

X線回折により、カチオンドーピングはペロブスカイト結晶構造に影響を与えないことが示されました。ヨウ化ナトリウムまたは臭化銅を添加剤として使用した際、未反応のヨウ化鉛に対応するピークは観察されませんでした。ケルビンプローブフォース顕微鏡では、ドーピングされたペロブスカイトのフェルミ準位が価電子帯に向かってシフトしていることが示されました。

ドープされた試料では、特にヨウ化ナトリウムおよび臭化銅の試料において、電子移動度および全移動度の導電性が向上した。また、短絡電流およびフィルファクターにおいても増加が観察された。臭化銅およびヨウ化ナトリウムを用いたセルで短絡電流の増加がより顕著であったことは、ヨウ化鉛の完全な変換と電荷移動度の向上に起因すると考えられる。

ヨウ化銅およびヨウ化銀ベースの太陽電池では、ピンホールのない均一な表面が得られたためと考えられ、開放電圧の向上が観察されました。ヨウ化ナトリウム、臭化銅、およびヨウ化銅ベースの太陽電池のエネルギー変換効率は、いずれも未修飾のペロブスカイト太陽電池よりも著しく高い値を示しました。本研究では、メゾスコピックペロブスカイト太陽電池構造の吸収層として用いられるメチルアンモニウム鉛ハライドペロブスカイトの溶液プロセスと互換性のある、簡便なドーピング手法を実証しました。

ハロゲン化鉛ペロブスカイト材料の光電子特性および構造特性は、1価陽イオンドーパントの量を制御することで調整可能であり、これにより優れた光起電力性能を実現できます。本手法は、光起電力分野の研究者が、ペロブスカイト薄膜の電子的な品質をさらに向上させるために、ペロブスカイト太陽電池の他の構成においてこの技術を探索するための道を切り拓くものです。