Name: CH의 일가 양이온 도핑 3 NH 3 PBI 3 효율적인 페 로브 스카이 트 태양 전지에 대한 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 30 s
Description: 배우세요 일가 양이온 도핑을 이용한 납 할라이드 페로브스카이트 태양전지 제조법을. 이 방법은 반도체 품질과 전하 이동도를 향상시켜 광전지 효율을 극대화합니다.

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박사 과정 장학금 M. 압디 - Jalebi 감사 나바 기술 제한. MI 다르와 M.Grätzel 과학 기술의 킹 압둘라지즈 시티 (KACST) 및 금융 지원을위한 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation) (SNSF를) 감사합니다. 저자는 XPS 측정을 수행하기위한 분자 박사 피에르 Mettraux 및 하이브리드 재료 특성화 센터, EPFL에게 감사의 말씀을 전합니다. A.Sadhanala는 감사 인도 - 영국 APEX 프로젝트에서 재정 지원을 인정합니다. SP Senanayak는 뉴턴 원정대의 왕립 학회 런던을 인정합니다. RH 친구, M. 압디 - Jalebi, 그리고 A. Sadhanala는 EPSRC의 지원을 인정하고 싶습니다.

1. 합성 및 원시 및 첨가제 기반 CH 3의 증착 NH 3 PBI 3 참고 : 모든 솔루션은 습기와 산소 제어 조건에서 아르곤 글로브 박스 내부를 제조 하였다 (H 2 O 레벨 : &lt;1 ppm을 O 2 수준 : &lt;10 PPM). <ol><li> 80 ℃에서 일정한 교반하에 N, N 디메틸 포름 아미드 (DMF)의 1 mL의 PBI (2)의 553 mg의 (1.2 M)을 녹인다. </li><li> PBI이 솔루션 가의 양이온 할로겐화물의 0.02 M을 추가합니다. </li><li> 스핀 코팅 4,000 rpm의 램프와 6,500 rpm에서 30 초 동안 기판 (예를 들어, 메조 포러스 - 티오 2) 상에 생성 된 황색 투명 솔루션입니다. </li><li> 30 분 동안 80 ℃에서 핫 플레이트상에서 필름을 굽는다. </li><li> 이소프로판올 5 ㎖에 요오드화 methylammonium (MAI) 40 mg을 녹인다. </li><li> 스핀 코팅은 두 단계 protoc을 이용하여 얻어진 리드 요오드화 필름 상 MAI 용액을 충분한 양의로딩 시간의 45 초를 포함 올 4000 rpm으로 회전의 20 초 하였다. </li><li> 45 분 동안 100 ℃에서 핫 플레이트상에서 스핀 - 코팅 된 페 로브 스카이 트 막을 어닐링. </li></ol> 2. 태양 전지 제조 <ol><li> 기판 준비 <ol><li> 패턴 불소 도핑 된 산화 주석 (FTO) 코팅 된 유리. <ol><li> 반투명 접착 테이프로 FTO 유리의 활성 영역을 커버. </li><li> FTO 기판의 노출 된 영역의 Zn으로부터 분말을 붓는다. </li><li> 증류수에 염산이 M (HCL)을 준비한다. </li><li> 아연 분말로 피복 된 FTO 유리 부분 상 HCl 용액을 붓는다. </li><li> 물을 FTO를 세척하고 테이프를 제거합니다. </li></ol></li><li> 기판 청소 <ol><li> 세제 (/ V 승) 2 %를 사용하여 FTO 유리를 씻으십시오. </li><li> 10 분 동안 아세톤 및 이소프로판올 (IPA)에서 에칭 된 FTO 기판을 초음파 처리. </li><li> ultrav으로 FTO 기판 취급iolet / O 3 15 분 동안 청소기. </li></ol></li></ol></li><li> 정공 차단 층의 침착 <ol><li> IPA 7 mL에 티타늄 디 이소 비스 (아세틸 아세토 네이트) (TAA)의 0.6 mL를 넣고. </li><li> 450 ℃의 핫 플레이트상에서 세정 패터닝 FTO 기판을 넣고 가열 전의 접촉 면적을 커버한다. </li><li> 열분해를 캐리어 가스로서, O2를 사용하여 노출 된 영역으로 TAA 수용액을 분무. </li><li> 30 분 동안 450 ° C에서 샘플을 둡니다. </li></ol></li><li> 전자 수송층 증착 <ol><li> (7 중량비 2) 에탄올 상업적 이산화 티탄 페이스트 (30 나노 미터 입자 크기) 희석. </li><li> 30 분 동안 초음파 처리하여 이산화 티탄 희석 균질화. </li><li> 스핀 코팅 2,000 rpm의 램프와 5,000 rpm에서 30 초 컴팩트 이산화 티탄 층에 준비된 샘플 상에 티타니아 희석. </li><li> 30, 500 ° C에서 티타니아 막의 어닐링분. </li><li> 20 분 동안 70 ℃에서 증류수는 TiCl4를 40 mM의 용액에서 얻어진 중세 공성 이산화 티탄 필름을 취급한다. </li><li> 450의은 TiCl4 처리 된 필름을 어닐링 30 분 동안 C를 °. </li></ol></li><li> 페 로브 스카이 트 층의 증착 주 : 티타니아 층을 가진 FTO 기판의 제조 공정의 나머지 &lt;1 %의 습도와 건조 공기 박스로 옮겼다. <ol><li> 스핀 코팅 4,000 rpm의 램프와 6,500 rpm에서 30 초 동안 메조 포러스 이산화 티탄 상 (도펀트와 제외) 제조 리드 요오드화 솔루션을 제공합니다. </li><li> 30 분 동안 80 ℃에서 핫 플레이트상에서 필름을 굽는다. </li><li> 스핀 코트 2000 rpm의 진입로로 4000 rpm에서 20 초간 회전 하였다 로딩 시간이 45 초를 포함하는 두 단계의 프로토콜을 이용하여 얻어진 리드 요오드화 필름으로 MAI 용액에 충분한 양. </li><li> hotpla에 스핀 코팅 된 페 로브 스카이 트 필름을 어닐링45 분 동안 100 ℃에서 TE. </li></ol></li><li> 정공 수송층 증착 <ol><li> 클로로 벤젠 1 mL의 스피로 - OMeTAD의 72.3 mg을 추가하고, 용액이 투명해질 때까지 흔들어. </li><li> LiTFSI를 아세토 니트릴 520 mg을 첨가하여 비스 (trifluoromethylsulphonyl) 이미 드 (LiTFSI를)의 스톡 용액을 만든다. </li><li> LiTFSI를 주식 솔루션의 17.5 μL와 스피로 - OMeTAD 솔루션 4- 급 부틸 피리딘 (TBP)의 28.8 μL를 추가합니다. </li><li> 2000 rpm의 진입로로 4000 rpm에서 30 초 동안 상기 용액을 스핀 코팅. </li></ol></li><li> 상단의 접촉 열 증발 <ol><li> 샘플을 마스크 증발기 진공 챔버에 넣고. </li><li> 0.01 ㎚ / s의 속도로 금의 80 nm의 증발. </li></ol></li></ol>

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</ol>

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

페 로브 스카이 중시 적 태양 전지의 일반적인 구조는 재료의 연속 스핀 코팅, 도전성 기판과 열적으로 증발 된 금속 콘택 (도 1) 사이였다 본 작업에 사용 하였다. 메조 포러스 이산화 티탄 층 표면 트랩 패시베이션하고, 전자 수송층 및 흡수체 (21, 22) 사이의 경계면을 개선하는 것으로보고되고는 TiCl4로 처리 하였다. 페 로브 스카이 트 층이 순차적으로 두 단계의 증착 기술을 이용하여 증착시켰다. 두 번째 단계에서 페 로브 스카이 트에 리드 할라이드의 전체 전환율은 높은 광 흡수층 (16), (17)를 달성하는 것이 필수적이며, 우리 가의 양이온 할라이드 첨가제 (예,의 NaI와의 CuBr)는 완전한 전환이 발생할 것으로 나타났다. 또, 메조 포러스 티타니아 피막의 전체 커버리지 w페 로브 스카이 트를 통해 i 번째 층, 정공 수송층 (예, 스피로 OMETAD)과 전자 수송층 (예를 들어, 메조 포러스 이산화 티탄) (23) 사이의 전위 재결합을 제거하는 것이 중요하다. 우리 가의 양이온 할라이드 (예, 및 CuI와 AgI를)를 추가하는 장치에 대한 더 높은 개방 전압을 리드 페 로브 스카이 트 캐핑 층의 표면 커버리지를 개선 할 수 있음을 도시. 우리의 방법의 주요 장점은 전하 밀도, 전하 수송층, 및 흡수체 층의 도전성을 향상시키기 CH 3 NH 3 PBI (3) 구조로 가의 양이온을 포함 도핑 공정이다. 앞 절에서 언급 한 바와 같이, 상기 도펀트는 크게 전자와 정공의 이동도를 모두 강화. 또한,뿐만 아니라 perovski의 에너지 장애의 전하 수송 활성화 에너지의 현저한 감소TE 막을 가의 양이온 도핑함으로써 달성되었다. 이 작품에서 우리는 태양 전지 구조 페 로브 스카이 트 중시 적에서 흡수 층으로 CH 3 NH 3 PBI (3)을 도핑하는 방법을 설명했다. 가의 양이온 할라이드 광기의 성능을 향상시키기 위해 조정 CH 3 NH 3 PBI 3 페 로브 스카이 트 막, 형태, 광학 및 전기적 특성을 사용 하였다. 따라서, 우리는 PBI 3 NH 3 CH 3 연속 두 단계 증착에 리드 소스에 납 2+ 유사한 이온 반경이 세 가지 가의 양이온 (즉, 나 +, 구리 +,와의 Ag +)를, 통합 . 그 결과, CH 3 NH 3 PBI (3)의 구조 및 광전 특성의 현저한 향상은 제작 한 태양 전지보다 PCE들에 이르는, 이들 첨가제의 존재 하에서 일어났다. 따라서, 우리의 작업 안녕상기 페 로브 스카이 트 박막의 전자 품질을 개선하기 위하여 페 로브 스카이 태양 전지 (예를 들면, 평면 구조)의 다른 구성에서 사용될 수있는 흡수체 층으로 CH 3 NH 3 PBI 3 도핑 손쉬운 방법 ghlights. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187 :이 논문을 기본 데이터로 사용할 수 있습니다.

현재 세계 에너지 요구량 (즉, 85 %)의 지배적 인 부분은 지구 온난화를 용이하고 환경에 악영향 하나를 갖는 석유, 석탄 및 천연 가스의 연소에 의해 제공되고있다. 따라서, 에너지 CO 2 -neutral 소스의 개발은 매우 중요 관심사이다. 태양 광 발전 (PV)는 이러한 요구를 충족시킬 수있는 이상적인 에너지 변환 공정이다. 그러나, 비용 및 효율 PV 기술의 광범위한 채택 주요 장애물로 개선되어야한다. 이러한 페 로브 스카이 트 태양 전지 (PSC)와 같은 새로운 재료에 기초 PV 기술 나타나는 낮은 비용 및 효율성의 조합이있다. 이것은, 실리콘계 대응 2, 3에 비해 저렴하고 용이 한 즉시 사용할뿐만 아니라 관통 빠르다 재료, 및 저 에너지 처리 경로의 이용을 통해 달성된다4. 22 % 이상 3.8 %의 전력 변환 효율 (PCE)에서 현저한 개선은 PV 아키텍처 5, 6, 7, 8에 처음 등장 보낸 하이브리드 유기 - 무기 리드 할라이드 페 로브 스카이 트에 대해보고되었다. 이러한 뛰어난 성능은 매우 날카로운 밴드 에지에 강한 광 흡수에서 유래, 매우 낮은 에너지 장애, 쉽게 큰 확산 길이를 갖는 자유 캐리어에 해리 약하게 결합 된 여기자, 하이브리드 유기 - 무기의 광자 재활용 기능 9, 10, 11, 12 리드 페 로브 스카이 할라이드. 이들 재료는 ABX (3)에 결정을 형성하는 유기 할라이드 및 금속 할라이드 염을 결정화하는 페 로브 스카이 트 가족에 분류 </sub&gt; X는 음이온 인 구조, 및 B는 서로 다른 크기의 양이온은 (A가 B보다 크다 임)이다. 는 A 사이트에 대한보고 양이온은 methylammonium (MA), 포름 (FA), 세슘 (세슘)을 포함한다; 이들 양이온의 조합 (14), 최고의 성능 (13)을 도시한다. 또한, B 사이트에 2가 양이온의 주요 후보 주석으로 대체 될 수 리드이고; 밴드 갭이 성공적으로 붉은 이동 15 페 로브 스카이 트 혼합 납 - 주석에서 1,000 nm의 수 있습니다. 요오드 (I) 브로마이드와 (BR)의 혼합물을 주요 후보 (16), (17)로 도입 된 위치 마찬가지로 X 사이트 명은 광범위하게 연구되어왔다. 따라서, 화학적 조성을 변화시켜 페 로브 스카이 트 (perovskite)의 구조적, 형태 학적 및 광전자 속성을 조작하는 것이 매우 타당하다. 사실에도 불구하고 그 개선 로브 Šlline 품질 및 페 로브 스카이 트 필름의 거시적 균일 효율적인 장치 (18)를 달성하는 중요한 파라미터이고, 결정질 도메인, 원점 및 페 로브 스카이 트 흡수제 전자 결함의 역할을하고, 전하 수집 층의 역할을 할 때의 경계의 영향 페 로브 스카이 트 태양 전지의 손실 프로세스는 아직 잘 이해되지 않습니다. 페 로브 스카이 트 구조의 전자 결함의 특성에 관해서, 그것은 나 전도 및 가전 자 대역 상태의 연속체 내의 매우 가까운 상태에서 발생 등 I 또는 납 공극 같은 결함이 많은 것으로보고 된 태양 광 장치 (19)에 부정적인 전자 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 리드 양이온과 페 로브 스카이 트 평면 요오드 음이온 사이의 강력한 공유 결합 상호 작용은 본질적 결함의 존재의 원인 (예를 들면, 납 이량 체 및 삼량 체 I를 코디 언더)과 creat 수있는장치 (20)의 동작 중에 전하의 재결합 센터로서 작용 대역 에지 내의 전자 사이트. 여기서, 우리는 도핑 CH (3)의 영향을 조사 NH 3 + PBI 나, 구리 +, Ag로 + (PB) 2+ 이하 가의 금속 이온을 포함 가의 양이온 할라이드 3 페 로브 스카이 트. 따라서 우리는 페 로브 스카이 트 전구체 용액에 자신의 할라이드 기반 염 합리적인 금액 (예를 들어,의 NaI,의 CuBr, 및 CuI 및 AgI를)의 추가를 통해 이러한 양이온을 통합합니다. 결정은 가능성 내에서 이러한 양이온은 납 2+ 유사한 이온 반경, 그래서 치환 도핑있다. 우리는 이러한 양이온의 존재가 강하게 형태와 페 로브 스카이 트 층의 범위 모두에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 또한, 이들 양이온 (예, 나트륨 +와의 Ag +)의 존재는 X 선 광전자 분광법 (XPS), 및 significan 인증 한페 로브 스카이 트 (perovskite)의 페르미 준위의 변화는 t 켈빈 프로브 현미경 (KPFM)로 측정 하였다. 순차적으로 증착 된 페 로브 스카이 트 (perovskite)의 태양 전지에서 이러한 양이온을 도입함으로써, 우리는 (15.6 %, 14 %와 비교) PSC 광전지 효율의 향상을 달성했다. 따라서, 전하 수송을 최대화하고 최대 PV 성능을 달성하기 위해, 표면 트랩을 패시베이션하기 위해 태양 전지의 구조에 흡수체 층 (예를 들면, 페 로브 스카이 트 (perovskite))의 구조 및 광전 특성을 향상시키는 것이 매우 중요하다.

<table><tbody><tr><td>불소 도핑된 산화주석(FTO) 코팅 유리</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>735264-1EA</td><td>비저항 및 점근; 13 & 오메가;/sq</td></tr><tr><td>아연 가루</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>96454</td><td>분자량 65.39&nbsp;</td></tr><tr><td>염산&nbsp;</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>84415</td><td>&ge; 37 wt.</td></tr> <tr><td>%Hellmanex 세제&nbsp;</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>Z805939-1EA</td><td>패키지 1 L&nbsp;</td></tr><tr><td>티타늄 디 이소 프로폭 사이드 비스 (아세틸 아세토 네이트)&nbsp;</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td></td><td>325252 이소프로판올 중 75&nbsp;wt. %</td></tr><tr><td></td><td>DYESOL</td><td>MS002300</td><td>30 NR-D 투명 티타니아 페이스트</td></tr><tr><td>리드(II) 요오드화물</td><td>시그마-알드리치</td><td>211168</td><td>99 wt. %</td></tr><tr><td>N,N-Dimethylformamide&nbsp;</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>437573</td><td>ACS 시약, &ge; 99.8%</td></tr><tr><td>요오드화 메틸암모늄</td><td>염료</td><td>MS101000</td><td>분말&nbsp;</td></tr><tr><td>SpiroMeOTAD</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>792071</td><td>99% (HPLC)</td></tr><tr><td>Bis(trifluoromethane)sulfonimide 리튬 염</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>544094</td><td>99.95% 미량 금속 기준&nbsp;</td></tr><tr><td>4-tert-부틸피리딘</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>142379</td><td>순도: 96%</td></tr><tr><td>클로로벤젠</td><td>시그마-알드리치</td><td>284513</td><td>무수, 99.8%</td></tr><tr><td>2-프로판올 (IPA)</td><td>시그마-알드리치&nbsp;</td><td>278475</td><td>무수, 99.5%&nbsp;</td></tr><tr><td>에탄올</td><td>시그마-알드리치</td><td>2860</td><td>절대 알코올, 첨가제 없음, &ge; 99.8%</td></tr></tbody></table>

ch의 일가 양이온 도핑<sub&gt; 3</sub&gt; nh<sub&gt; 3</sub&gt; pbi<sub&gt; 3</sub&gt; 효율적인 페 로브 스카이 트 태양 전지에 대한

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

여기서는 광, 엑시톤을 조정하기 위해, 전기적 특성 CH 3 NH 3 PBI 3 페 로브 스카이 트에 가의 양이온 첨가제의 혼입을 보여준다. 도핑 가능성의 Cu +, 나트륨 +, Ag로 포함 + 납 2+ 유사한 이온 반경과 일가 양이온 할라이드를 첨가하여 조사 하였다. 페르미 준위의 변화와 페 로브 스카이 트에서 낮은 에너지 장애와 함께 서브 밴드 갭 광 흡수의 현저한 감소는 달성했다. 벌크 정공 이동성 및 첨가제 계 페 로브 스카이 장치 내 반송 활성화 에너지의 상당한 감소 중요도 순서 향상을 도모 하였다. 이들 양이온의 존재 하에서 전술 한 개선 된 특성의 합류는 페 로브 스카이 트 (perovskite) 형 태양 전지의 광전 변환 파라미터 향상되었다. AgI를위한 개방 회로 전압의 70 MV의 증가와 2mA / cm 2 꼬마 도깨비NaI-과의 CuBr 기반 태양 전지에 대한 광전류 밀도 rovement는 자연 그대로의 장치와 비교하여 달성되었다. 우리의 작업은 CH 3 NH 3 PBI 3 페 로브 스카이 트 및 후속 장치의 광전자 품질을 더욱 향상을위한 길을 불법 체류자. 그것은 결정화 도펀트 불순물의 역할을 조사하기위한 새로운 수단을 하이라이트 및 페 로브 스카이 트 구조의 전자 결함 밀도를 제어한다.

전계 방출 주사 전자 현미경 (FESEM)을 제조 페 로브 스카이 태양 전지의 양 단면 영상을 기록하는 (도 1)와 증착 PBI 2 및 CH 3 NH 3 PBI 3 막의 상면 화상 (도 2)를 사용 하였다. X 선 회절 (XRD) 및 X 선 광전자 분광법 (XPS)은 페 로브 스카이 트 필름의 구조적 특성 특성화하기 위해 사용 하였다 (도 3 및도 4). 광열 편향 스펙트로 스코피 (PDS) 및 켈빈 프로브 현미경 (KPFM)는 (도 5 및 6) 각각 페 로브 스카이 트 필름의 광학적 및 전기적 특성을 조사하는데 사용되었다. 또한, 공간 전하 제한 전류 (SCLC)에 기초하여 온도에 따라 벌크 전송 측정은 페 로브 스카이 트 장치 (도 7)상에서 수행 하였다. 마지막으로, 표준 photovolta제작 된 소자의 IC 측정 (도 8 및 표 1)을 실시 하였다. 상단 도면에 기초하여 PBI 2 및 CH 3 NH 3 PBI 3은도 2에 도시 된 메조 포러스 이산화 티탄 층 (MP-티오 2) 상에 증착, 페 로브 스카이 트의 형태의 첨가제의 효과는 여기서 도시 하였다 SEM 이미지 PBI 2의 큰 가지 모양의 결정은의 NaI 기반의 샘플에서 달성했다. 이것은 페 로브 스카이 트의 큰 비대칭 결정이 형성되었다. 또한, 우리는 CuI-과 AgI를 기반 샘플에 대한 균일하고 핀홀이없는 페 로브 스카이 트 캡 층 획득 (그림 2C 및 2E). CH 3 NH 3 PBI 3 PBI (2)의 전환에 CH 3 NH 3에 PBI의 결정 구조에 가의 양이온 할라이드 첨가제의 효과를 조사(3) X 선 회절 (도 3)을 행 하였다. 최종 페 로브 스카이 트의 결정 구조는 모든 샘플에 대해서도 동일하게 남아 있지만 2θ에서의 회절 피크 = 12.6, 비 전환 PBI (2)에 대응하고,의 NaI와의 CuBr 첨가제의 존재 하에서 제거되었음을 알 수있다. 도 4에 나타낸 바와 같이 CH (3) 내의 이들 가의 양이온의 존재를 확인하기 위해 3 NH 3 PBI 막의 페 로브 스카이 트 (perovskite), 우리는 XPS 분석을 수행 하였다. 구리의 농도를 추정 할 수없는 반면, XPS 데이터에 기초하여, 우리는 아마도 요오드 (I 3p1 / 2) 구리의 근접성 (구리 2p1에, 페 로브 스카이 트 막 내의 나 Ag로 이온의 존재를 입증 / 2) 봉우리. 페 로브 스카이 트의 흡수 스펙트럼 가의 양이온 첨가제의 효과를 측정 하였다 PDS도 5a에 도시된다.이 첨가제 기반 CH 3 NH 3 PBI 3은 자연 그대로의 시료에 비해 낮은 서브 밴드 갭 흡수 있었다는 것을 알 수있다. 또한, 흡수 꼬리 구리 할라이드 (도 5b)의 고유 흡수에 유래 Cu- 기 샘플에 대해 관찰 하였다. 흡수 꼬리 최종 페 로브 스카이 트 막에 구리 양이온의 존재를 확인하고 있지만, 그것의 PDS의 비교에 기초하여, 명백한 및 CuI 계 그들의 결합이 완료되지 않는다는 PBI 2 및 CH 3 NH 3 PBI 3. 또한, 재료의 에너지 장애 정도의 척도이다 Urbach 에너지 (EU)는, 원시, NaI-, CuBr-, CuI- 및 AgI를 계 페 로브 스카이 트에 대해 추정하고, 값은 15.6이다하고, 11.8, 12.8, 13.5, 15.2 meV 인 각각 (도 5a의 삽입). ELECTR에 상기 첨가제의 영향을 탐색하려면CH 3 NH 3 PBI 3 onic 구조, 우리는 광고 정보의 접촉 전위차 (CPD)를 측정 하였다 KPFM을 수행 하였다. 이는도 6에 도시 된 페 로브 스카이 트의 표면 일 함수 (Φ)에 해당한다. 의 CPD (즉, 0.1 V)의 명확한 변화 깨끗한 하나는 페 로브 스카이 트 페르미 레벨이 가전 자대으로 이동 것을 알 수에 비해 페 로브 스카이 트 첨가제 기반. 페 로브 스카이 트 (perovskite)의 페르미 준위의 변화는 치환 형 p 형 도핑 하나에 기인 할 수있다 (예를 들면, 일가 양이온 X + 2 + 납으로의 대체) 페 로브 스카이 트의 결정 표면에서 또는 표면 보호막. PBI (3) 전하의 밀도와 CH 3 NH 3에서의 전송 특성에 도핑의 영향을 조사하기 위해, 우리는 온도에 따라 벌크 전송 측정을 수행 (도 7a </str옹&gt;). 우리는 완전한 전자 및 정공 만 원시 첨가제 계 페 로브 스카이 장치의 공간 전하 제한 전류 (SCLC)에 기초하여 (μ SCL), 벌크 캐리어 이동도를 평가했다. 도전율 양쪽 전자 및 정공 이동도에서 현저한 증가는 특히 원시 페 로브 스카이 트 (perovskite) (표 1)에 비해의 NaI 및 샘플의 CuBr 달성 하였다. 또한, 전하 이동도 및 전도성의 향상이 단락 전류 (J 캐롤라이나)의 향상과 일치하고,도 7b에 도시 된 태양 전지의 제작 인자 (FF)를 채우는 것을 주목할 만하다. 더욱이, 우리는 전자 및 명확한 감소가 첨가제 계 페 로브 스카이 트에 대해 달성 된 온도에 따라 벌크 전송 측정을 이용한 정공 모두 전하 수송 (E A)에 대한 활성화 에너지를 추정 하였다. 이러한 개선으로 인해 충전 도핑 제의 캐리어의 고밀도화에 기인반송 배리어의 상당한 감소를 초래 전자 수송 트랩. 우리는 상술 가의 양이온 할라이드 해당 JV 곡선, 및도 8a 및 표 1에 요약되어 광전지 파라미터에 기초하여 페 로브 스카이 트 (perovskite) 태양 전지를 제조. 개방 회로 전압이 크게 개선 CuI- (0.99 V) 및 AgI- (1.02 V)으로 인해 이상적인 표면 커버리지 계 태양 전지 (도 2C 및 2E) 모두 달성되었다. 또한 CuBr-과의 NaI 계 태양 전지 단락 전류 (≈2 mA의 cm -2)에서 현저한 증가가 달성되었다 CH 3 NH 3 PBI 3에 PBI (2)의 전체 변환 기인 될 수있다. 이러한 개선은도 8b에 도시 된 입사 광자 - 전류 변환 효율 (IPCE) 스펙트럼에 의해 확인되었다. 마지막으로, 시간igher 전력 변환 효율 (PCE) 15.2 %, 15.6 % 및 15.3 %의 수준 NaI-, CuBr- 달성하고, 및 CuI 기반 디바이스는 각각 원시 페 로브 스카이 트 (perovskite) 형 태양 전지에 대해 14.0 %의 값을 비교한다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig1.jpg" /> 그림 1 : 중시 페 로브 스카이 트 태양 전지 구조. 다음과 같은 구조의 완전한 장치의 SEM 단면 현미경 사진 : FTO / 컴팩트 이산화 티탄 / 메조 포러스 - 티오 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / 스피로 - OMeTAD / 금. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig2.jpg" /> 그림 2 : 리드 요오드화 페 로브 스카이 트 구조의 형태 학적 분석. PBI 2 (왼쪽)과 CH 3 NH 3 PBI (3)의 상위 뷰 SEM 이미지 (오른쪽) 구조 (가) 원시 ( <st<html> 룽&gt; b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI- 및 메조 포러스 이산화 티탄에 증착 (E) AgI를 계 페 로브 스카이 샘플을 FTO - 코팅. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig3.jpg" /> 그림 3 : 페 로브 스카이 트 결정에 가의 양이온 할로겐 첨가제의 효과. 원시 첨가제 계 CH (3)의 X 선 회절 스펙트럼은 NH 3 PBI 3 즉 FTO 코팅 유리 위에 증착되는 메조 이산화 티탄 막, 페 로브 스카이 트 상에 성장된다. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다.t = &quot;_ 빈&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig4.jpg" /> 그림 4 : CH 3 NH 3 PBI 3 페 로브 스카이 트 구조의 일가 양이온의 추적. 자연 그대로의, CuBr-, CuI-, NaI- 및 AgI를 기반 페 로브 스카이 트 필름의 XPS 분석. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig5.jpg" /> 그림 5 : 페 로브 스카이 트 필름의 광학 특성. (a) 깨끗한 첨가제 계 Pb 소스로부터 유도되는 페 로브 스카이 트 필름의 흡수 스펙트럼은 PDS 기술을 사용하여 측정 하였다. 그만큼삽입 된 모든 샘플에 대한 대응 Urbach 에너지를 보여줍니다. 오차 막대는 Urbach 꼬리 피팅의 SD에 의해 정의된다. (b)의 CuBr 및 원시 계 Pb 요오드화 페 로브 스카이 트 막뿐만 아니라, PDS의 CuBr의 흡수 스펙트럼의 비교는 MS-2의 CuBr 티오 전용 필름 상에 침착. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig6.jpg" /> 그림 6 : 페 로브 스카이 트 필름의 표면 전위에 가의 양이온 첨가제의 효과. KPFM를 사용하여 자연 그대로의 첨가제 기반의 페 로브 스카이 트 영화에서 기록 된 CPD 라인 프로필. 강자성 지형 화상 상단에 도시되어있다. 이 그림은 참조 (18)에서 재현 할 수 있습니다<html> . <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig7.jpg" /> 그림 7 : 페 로브 스카이 트 필름의 전하 수송 특성. (a)에 구멍 전용 장치 (ITO / PEDOT : PSS / 페 로브 스카이 트 / 금)의 JV 특성 SCLC를 정공 이동도를 추정하기 위해 사용. 전류 밀도 (J)가 페 로브 스카이 트 층의 두께와 크기를 조절할합니다. (b)는 J 사우스 캐롤라이나의 경향은, 원시 및 첨가제 기반의 페 로브 스카이 트에 대한 시간 및 μ 전자 μ. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> t &quot;FO : 유지-together.within 페이지 =&quot;1 &quot;&gt; <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig8.jpg" /> 그림 8 : 태양 광 성능 특성. (a) 100 mW의 / cm 2의 조명 하에서 디바이스 전류 - 전압 특성은 소스 리드 용액에 첨가 가의 양이온 할라이드의 다른 유형을 사용하여 획득. 깨끗한, CuBr-, CuI-, NaI- 및 AgI를 페 로브 스카이 트 (perovskite) 계 태양 전지 단색광의 파장의 함수로서 (B) 사고 광자 - 전류 효율 (IPCE) 스펙트럼. 이 수치는 기준 (18)에서 재현 할 수 있습니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 샘플의 종류 </td><td>J의 SC </td><td> V OC </td><td> FF </td><td> PCE </td><td> μ 전자 </td><td> μ의 시간 </td><td> E 전자 </td><td> E 시간 </td></tr><tr><td></td><td> (mA의 cm -2) </td><td> (V) </td><td></td><td> (%) </td><td> (cm 2 / 대) </td><td> (cm 2 / 대) </td><td> (meV 인) </td><td> (meV 인) </td></tr><tr><td> 본래의 </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> 의 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> 및 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> 의 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> AgI를 </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> 표 1 : PSC의 태양 광과 전하 수송 매개 변수를 설정합니다. 최고의 성능을 보여 깨끗한 첨가제 페 로브 스카이 트 (perovskite) 계 태양 전지의 활성화 에너지와 함께 JV 측정과 전하 이동도에 유래하는 광전지 파라미터 f를 요약했다두 단계 증착법 abricated. 태양 광 매개 변수의 통계는 최고의 성능 장치와 같은 추세를 따르는 것이 주목할 만하다. 이 테이블은 참조 (18)에서 재현 할 수 있습니다.

여기서는 고효율 태양 전지 페 로브 스카이 트를 달성하기 위해 가의 양이온 첨가제의 혼입을 통해 용액 처리 CH 3 NH 3 PBI (3)의 특성을 조정하는 프로토콜을 제시한다.

CH의 일가 양이온 도핑<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; 효율적인 페 로브 스카이 트 태양 전지에 대한

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

이 실험 절차의 전반적인 목표는 일가 양이온 도핑을 통해 납 할라이드 페로브스카이트의 광전자 특성을 향상시켜 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제작하는 것입니다. 납 할라이드 페로브스카이트에 일가 양이온을 도입하면 이 물질의 반도체 품질과 광효과 거동이 크게 개선됩니다. 페로브스카이트 물질에 적절한 양의 저비용 일가 양이온 도펀트를 첨가하면 전하 이동도가 향상되고 에너지 무질서도가 한 자릿수(an order of magnitude) 감소합니다.기판 비교를 시작하려면, 반투명 아크릴 접착 테이프를 사용하여 FTO 코팅 유리 슬라이드의 전도성 면 2/3를 덮습니다. 그다음, 덮이지 않은 영역에 아연 분말을 도포합니다. 기판을 식각하기 위해 증류수에 용해된 2 molar 염산 용액을 슬라이드 위에 붓습니다.면봉을 사용하여 슬라이드의 노출된 부분에서 잔여물을 닦아냅니다. 식각된 FTO 기판을 증류수로 헹군 후 테이프를 제거합니다. 식각된 표면을 알칼리성 액체 세제 농축액과 물의 2% w/v 용액으로 세척합니다.FTO 기판을 아세톤과 이소프로판올 배스에서 각각 10분 동안 순차적으로 초음파 세척합니다. 식각된 기판의 세척을 마무리하기 위해 FTO 기판을 산소 플라스마 세척기에서 15분 동안 처리합니다. 전체 차단 조밀 티타늄 산화물 층을 증착하기 위해, 먼저 식각 및 세척된 FTO 기판을 450 °C의 핫플레이트 위에 올립니다.미리 잘라둔 유리 슬라이드로 접촉 부위를 즉시 덮고 기판을 450 °C까지 가열합니다. TAA 0.6 mL와 이소프로판올 7 mL를 혼합합니다. 기판이 450 °C가 되면, 공기를 운반 가스로 사용하여 스프레이 열분해 방식으로 TAA 용액을 기판에 도포합니다.시료를 450 °C에서 30분 동안 유지하십시오. 그 후 시료를 실온까지 식히십시오. 기판이 식으면 유리 덮개를 제거하십시오.전자 수송층을 증착하려면, 먼저 30 nanomolar 이산화티타늄 페이스트를 에탄올과 2:7의 중량비로 희석합니다. 이 현탁액을 30분 동안 초음파 처리합니다. 그런 다음, 초당 2,000 RPM의 가속도로 5,000 RPM에서 30초 동안 해당 현탁액을 샘플에 스핀 코팅합니다.티타늄 박막을 500 °C에서 30분 동안 어닐링하여 메조다공성 산화 티타늄 박막을 생성합니다. 그 후, 시료를 40 mM의 염화 티타늄 수용액(증류수)에 침지시킵니다. 해당 시료를 70 °C에서 20분 동안 처리합니다.염화티타늄으로 처리한 샘플을 450 °C에서 30분 동안 추가로 열처리합니다. 습도가 1% 미만인 질소 충전 글로브 박스로 샘플을 옮깁니다. 수분과 산소가 적은 불활성 분위기에서, 요오드화납 553 mg에 DMF 1 mL를 첨가합니다. 요오드화납이 완전히 용해될 때까지 계속해서 교반하며 혼합물을 80 °C로 가열합니다.그 다음, 선택한 일가 양이온 할라이드를 요오드화 납 용액에 넣어 0.02 molar 용액으로 준비합니다. 요오드화 납 용액에 혼합된 일가 양이온 할라이드 80 microliters를 기판에 도포합니다. 초당 4, 000 RPM의 가속도로 6, 500 RPM에서 30초 동안 기판을 스핀 코팅합니다.결과물인 박막을 80 °C에서 30분 동안 가열합니다. 다음으로, 5 mL의 이소프로판올에 40 mg의 메틸암모늄 아이오다이드를 녹입니다. 요오드화 납이 코팅된 기판을 스핀 코터에 놓고 MAI 용액 120 µL를 도포합니다.용액을 기판 위에 45초 동안 그대로 둔 다음, 4,000 RPM에서 20초 동안 MAI로 기판을 스핀 코팅합니다. 페로브스카이트 박막을 100 °C에서 45분 동안 열처리합니다. 전체 전송층을 증착하려면, 먼저 72.3 mg의 spiro-methoxyTAD에 1 mL의 클로로벤젠을 첨가합니다.용액이 투명해질 때까지 혼합물을 흔들어 줍니다. acetonitrile 1 milliliter에 lithium TFSI 520 milligrams를 녹여 스톡 용액을 준비합니다. 그 다음, 4-tert-butylpyridine 28.8 microliters와 lithium TFSI 용액 17.5 microliters를 혼합하여 spiro-methoxyTAD 용액과 함께 섞습니다.초당 2,000 RPM의 램프 속도로 4,000 RPM에서 30초 동안 이 혼합물을 사용하여 샘플을 스핀 코팅합니다. 태양전지의 상부 전극을 위한 마스크 패턴으로 샘플을 덮습니다. 초당 0.01 nm의 속도로 샘플 위에 80 nm 두께의 금 층을 증착하여 태양전지 제작을 완료합니다.순수 페로브스카이트 및 첨가제 기반 페로브스카이트 박막을 각각의 요오드화 납 박막과 비교하였습니다. 요오드화 나트륨을 첨가제로 사용했을 때, FESEM 분석 결과 거대하고 비대칭적인 페로브스카이트 결정과 함께 가지 모양의 거대한 요오드화 납 결정이 관찰되었습니다. 요오드화 구리와 요오드화 은을 첨가제로 사용했을 때는 핀홀이 없는 균일한 페로브스카이트 층이 관찰되었습니다.X선 회절 분석 결과, 양이온 도핑이 페로브스카이트 결정 구조에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 요오드화 나트륨 또는 브롬화 구리를 첨가제로 사용했을 때 미변환 요오드화 납에 해당하는 피크는 관찰되지 않았습니다. 켈빈 프로브 힘 현미경 분석 결과, 도핑된 페로브스카이트의 페르미 준위가 가전자대 쪽으로 이동했음을 확인하였습니다.도핑된 샘플들은 전자 및 전체 이동도에서 전도성이 증가한 것을 보였으며, 특히 요오드화 나트륨과 브롬화 구리 샘플에서 이러한 경향이 두드러졌습니다. 충전율의 단락 전류에서도 증가가 관찰되었습니다. 브롬화 구리와 요오드화 나트륨 기반 셀에서 단락 전류 증가 폭이 더 컸던 것은 요오드화 납의 완전한 전환과 전하 이동도 향상에 기인한 것으로 분석되었습니다.요오드화 구리 및 요오드화 은 기반 태양전지에서 개방 회로 전압의 개선이 관찰되었으며, 이는 표면이 핀홀 없이 균일하기 때문인 것으로 보입니다. 요오드화 나트륨, 브롬화 구리 및 요오드화 구리 기반 태양전지의 전력 변환 효율은 모두 순수 페로브스카이트 전지보다 현저히 높았습니다. 본 연구에서는 메조스코픽 페로브스카이트 태양전지 구조의 흡수층으로서 메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트의 용액 공정과 호환되는 간편한 도핑 방법을 입증하였습니다.납 할라이드 페로브스카이트 재료의 광전자 및 구조적 특성은 일가 양이온 도펀트의 양을 조절함으로써 조정될 수 있으며, 이는 우수한 광전지 성능으로 이어질 수 있습니다. 본 방법은 광전지 분야의 연구자들이 페로브스카이트 박막의 전자적 품질을 더욱 향상시키기 위해 다른 구성의 페로브스카이트 태양전지에 이 기술을 탐색할 수 있는 길을 열어주었습니다.

monovalent-cation-doping-ch3nh3pbi3-for-efficient-perovskite-solar

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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CH의 일가 양이온 도핑

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