CH의 일가 양이온 도핑

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.