Artykuł metodologiczny

Domieszkowanie kationami monowalentnymiCH3, NH,3PbI3 dla wydajnych perowskitowych ogniw słonecznych

17.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55307

⸱

19 marca 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
1Cavendish Laboratory, University of Cambridge, 2Institute of Chemical Sciences and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół do dostosowania właściwości przetworzonego w roztworze CH3NH3PbI3 poprzez włączenie monowalentnych dodatków kationowych w celu uzyskania wysoce wydajnych perowskitowych ogniw słonecznych.

Streszczenie

Tutaj pokazujemy wprowadzanie monowalentnych dodatków kationowych do perowskitu CH3NH3PbI3 w celu dostosowania właściwości optycznych, ekscytonicznych i elektrycznych. Zbadano możliwość domieszkowania poprzez dodanie monowartościowych halogenków kationowych o podobnych promieniach jonowych do Pb2+, w tym Cu+, Na+ i Ag+. Osiągnięto przesunięcie poziomu Fermiego i niezwykły spadek absorpcji optycznej sub-pasma wzbronionego, wraz z niższym zaburzeniem energetycznym w perowskicie. Uzyskano zwiększenie o rząd wielkości ruchomości otworów masowych i znaczne zmniejszenie energii aktywacji transportu w urządzeniu perowskitowym na bazie dodatków. Zbieg wyżej wymienionych ulepszonych właściwości w obecności tych kationów doprowadził do poprawy parametrów fotowoltaicznych perowskitowego ogniwa słonecznego. Osiągnięto wzrost napięcia w obwodzie otwartym o 70 mV dla AgI oraz poprawę gęstości prądu fotologicznego o 2 mA/cm2 dla ogniw słonecznych opartych na NaI i CuBr w porównaniu z nieskazitelnym urządzeniem. Nasze prace torują drogę do dalszych ulepszeń jakości optoelektronicznej perowskituCH3, NH,3PbI3 i kolejnych urządzeń. Wskazuje to na nową drogę badań nad rolą domieszek w krystalizacji i kontroluje gęstość defektów elektronowych w strukturach perowskitowych.

Wprowadzenie

Obecnie, dominująca część światowego zapotrzebowania na energię (tj. 85%) jest dostarczana przez spalanie ropy naftowej, węgla i gazu ziemnego, co ułatwia globalne ocieplenie i ma szkodliwy wpływ na nasze środowisko1. W związku z tym rozwój źródeł energii neutralnych pod względem emisji CO2 ma zasadnicze znaczenie. Fotowoltaika (PV) to idealny proces konwersji energii, który może spełnić ten wymóg. Należy jednak poprawić koszty i efektywność, które są głównymi przeszkodami w powszechnym stosowaniu technologii fotowoltaicznej. Nowe technologie fotowoltaiczne oparte na nowych materiałach, takich jak perowskitowe ogniwa słoneczne (PSC), łączą w sobie niższe koszty i większą wydajność. Osiąga się to dzięki wykorzystaniu tanich materiałów, które są łatwo dostępne, a także dzięki szybkim, łatwym i energooszczędnym ścieżkom przetwarzania w porównaniu z odpowiednikami na bazie krzemu2,3,4. Niezwykła poprawa sprawności konwersji energii (PCE), z 3,8% do ponad 22%, została odnotowana dla hybrydowego organiczno-nieorganicznego perowskitu ołowiowo-halogenkowego od czasu jego pierwszego pojawienia się w architekturze PV5,6,7,8. Tak znakomita wydajność wynika z silnej absorpcji światła z niezwykle ostrą krawędzią pasma, bardzo niskiego zaburzenia energetycznego, słabo związanych ekscytonów, które łatwo dysocjują na wolne nośniki o dużych długościach dyfuzji, oraz zdolności do recyklingu fotonów hybrydowego organiczno-nieorganicznego perowskitu halogenku ołowiu9,10,11,12. Materiały te są klasyfikowane w rodzinie perowskitów, które krystalizują z halogenków organicznych i soli metalohalogenków, tworząc kryształy w strukturze ABX3, gdzie X jest anionem, a A i B są kationami o różnych rozmiarach (A jest większe niż B). Zgłoszone kationy dla miejsca A obejmują metyloamonu (MA), formamidynium (FA) i cez (Cs); Kombinacja tych kationów wykazuje najwyższą wydajność13,14. Ponadto głównym kandydatem na kation dwuwartościowy w miejscu B jest ołów, który można zastąpić cyną; Pasmo wzbronione może być z powodzeniem przesunięte ku czerwieni do ponad 1,000 nm w mieszanym perowskicie ołowiowo-cynowym 15. Podobnie, mieszkańcy miejsca X zostali szeroko przebadani, gdzie mieszanina jodku (I) i bromku (Br) została wprowadzona jako główni kandydaci16,17. W związku z tym wysoce prawdopodobne jest manipulowanie właściwościami strukturalnymi, morfologicznymi i optoelektronicznymi perowskitów poprzez zmianę ich składu chemicznego.

Pomimo faktu, że zwiększona jakość krystaliczna i makroskopowa jednorodność warstwy perowskitu są kluczowymi parametrami do osiągnięcia wydajnych urządzeń18, wpływ granic między domenami polikrystalicznymi, pochodzenie i rola defektów elektronicznych w absorberach perowskitowych oraz rola warstw zbierających ładunek na procesy utraty w perowskitowych ogniwach słonecznych nie są jeszcze dobrze poznane. Jeśli chodzi o naturę defektów elektronicznych w strukturze perowskitu, stwierdzono, że wiele defektów, takich jak wakanse I lub Pb, powoduje stany bardzo bliskie lub w obrębie kontinuum stanów w pasmach przewodzenia i walencyjnego, co może mieć negatywny wpływ elektroniczny na urządzenia fotowoltaiczne19. Ponadto silna interakcja wiązania kowalencyjnego między kationami ołowiu a anionami jodkowymi w płaszczyźnie perowskitu może prowadzić do istnienia wewnętrznych defektów (np. nieskoordynowanych dimerów Pb i trimerów I), które mogą tworzyć miejsca w obrębie pasma, które działają jako centra rekombinacji ładunku podczas pracy urządzenia20.

Tutaj badamy wpływ domieszkowania perowskitu CH3NH3PbI3 monowartościowymi halogenkami kationów, w tym Na+, Cu+ i Ag+, jonami metali o niższej wartościowości niż Pb2+. Dlatego włączamy te kationy poprzez dodanie racjonalnej ilości ich soli na bazie halogenków (np. NaI, CuBr, CuI i AgI) do roztworu prekursora perowskitu. Kationy te mają promienie jonowe podobne do Pb2+, więc prawdopodobne jest domieszkowanie substytucyjne w krysztale. Wykazaliśmy, że obecność tych kationów silnie wpływa zarówno na morfologię, jak i pokrycie warstwy perowskitu. Ponadto obecność tych kationów (np. Na+ i Ag+) została potwierdzona za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS), a istotną zmianę poziomu Fermiego perowskitu zmierzono za pomocą mikroskopii sił sondy Kelvina (KPFM). Poprzez włączenie tych kationów do sekwencyjnie osadzanych perowskitowych ogniw słonecznych, osiągnęliśmy poprawę wydajności fotowoltaicznej PSC (15,6% w porównaniu do 14%). Dlatego bardzo ważne jest wzmocnienie właściwości strukturalnych i optoelektronicznych warstwy absorbera (np. perowskitu) w architekturze ogniw słonecznych, aby zmaksymalizować transport ładunku i pasywację pułapek powierzchniowych w celu osiągnięcia najwyższej wydajności fotowoltaiki.

Protokół

1. Synteza i osadzanie nieskazitelnych i opartych na dodatkach CH3NH3PbI3

UWAGA: Wszystkie roztwory zostały przygotowane w komorze rękawicowej z argonu w warunkach kontrolowanej wilgotności i tlenu (poziom H2O: <1 ppm i poziomO2: <10 ppm).

  1. Rozpuścić 553 mg (1,2 M) PbI2 w 1 ml N,N-dimetyloformamidu (DMF) pod ciągłym mieszaniem w temperaturze 80 °C.
  2. Dodać 0,02 M monowalentnych halogenków kationowych do roztworuPbI2.
  3. Powstały żółty przezroczysty roztwór należy odwirować na podłożu (np. mezoporowatym TiO2) przez 30 s przy 6,500 obr./min z rampą 4,000 obr./min.
  4. Piecz folie na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 30 minut.
  5. Rozpuścić 40 mg jodku metyloamonu (MAI) w 5 ml izopropanolu.
  6. Odwirować wystarczającą ilość roztworu MAI na powstałych warstwach jodku ołowiu za pomocą dwuetapowego protokołu, który obejmuje 45 s czasu ładowania, a następnie 20 s wirowania przy 4,000 obr./min.
  7. Wyżarzać powlekane spinowo folie perowskitowe na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C przez 45 minut.

2. Produkcja ogniw słonecznych

  1. Przygotowanie podłoża
    1. Wzór szkła powlekanego tlenkiem cyny (FTO) domieszkowanym fluorem.
      1. Obszar aktywny szkła FTO pokryć półprzezroczystą taśmą klejącą.
      2. Wlać w proszku (Zn) na odsłonięte obszary podłoży FTO.
      3. Przygotować 2 M kwasu solnego (HCl) w wodzie destylowanej.
      4. Wlać roztwór HCl na część szkła FTO, która jest pokryta proszkiem Zn.
      5. Umyj FTO wodą i usuń taśmę.
    2. Czyszczenie podłoży
      1. Umyj szkło FTO przy użyciu 2% (w/v) detergentu.
      2. Sonikować wytrawione podłoża FTO w acetonie i izopropanolu (IPA) przez 10 minut.
      3. Podłoża FTO należy traktować środkiem czyszczącym ultrafioletowym/O3 przez 15 minut.
  2. Osadzanie się warstwy blokującej otwór
    1. Dodać 0,6 ml bis(acetyloacetonianu) diizoproplenku tytanu (TAA) w 7 ml IPA.
    2. Oczyszczone i wzorzyste podłoża FTO umieścić na płycie grzejnej w temperaturze 450 °C i przykryć powierzchnię styku przed podgrzaniem.
    3. Rozpylić pirolizę roztworu TAA na odsłonięty obszar, używającO2 jako gazu nośnego.
    4. Pozostawić próbki w temperaturze 450 °C na 30 minut.
  3. Osadzanie warstwy transportującej elektrony
    1. Rozcieńczyć komercyjną pastę TiO2 (wielkość cząstek 30 nm) etanolem (2:7, stosunek wagowy).
    2. Homogenizować rozcieńczenie TiO2 przez sonikację przez 30 min.
    3. Rozcieńczony tytan należy obtoczyć wirowo przygotowanymi próbkami zwartymi warstwami TiO2 przez 30 s przy 5 000 obr./min z rampą 2 000 obr./min.
    4. Wyżarzanie folii tytanowych w temperaturze 500 °C przez 30 min.
    5. Powstałe mezoporowate warstwy TiO2 należy traktować w 40 mM roztworze TiCl4 w wodzie destylowanej o temperaturze 70 °C przez 20 minut.
    6. Wyżarzać folie poddane obróbce TiCl4 w temperaturze 450 °C przez 30 min.
  4. Osadzanie warstwy perowskitu
    UWAGA: Podłoża FTO z warstwami tytanu przeniesiono do komory z suchym powietrzem o wilgotności <1% na pozostałą część procesu produkcyjnego.
    1. Przygotowane roztwory jodku ołowiu (z domieszkami i bez) należy wirować na mezoporowatym TiO2 przez 30 s przy 6 500 obr./min z rampą 4 000 obr./min.
    2. Piecz folie na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 30 minut.
    3. Odwiruj wystarczającą ilość roztworu MAI w powstałych warstwach jodku ołowiu za pomocą dwuetapowego protokołu, który obejmuje 45 s czasu ładowania, a następnie wirowanie przez 20 s przy 4,000 obr./min z rampą 2,000 obr./min.
    4. Wyżarzać powlekane spinowo folie perowskitowe na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C przez 45 minut.
  5. Osadzanie warstwy transportowej otworu
    1. Dodać 72,3 mg spiro-OMeTAD do 1 ml chlorobenzenu i wstrząsać, aż roztwór stanie się przezroczysty.
    2. Przygotować roztwór podstawowy bis(trifluorometylosulfonylo)imidu (LiTFSI), dodając 520 mg LiTFSI do acetonitrylu.
    3. Do roztworu spiro-OMeTAD dodać 17,5 μl roztworu podstawowego LiTFSI i 28,8 μl 4-tert-butylopirydyny (TBP).
    4. Wirować powyższy roztwór przez 30 s przy 4 000 obr./min z rampą 2 000 obr./min.
  6. Termiczne odparowanie górnego styku
    1. Zamaskuj próbki i umieść je w komorze próżniowej parownika.
    2. Odparuj 80 nm złota z szybkością 0,01 nm/s.

Wyniki

Do rejestracji obrazów przekroju poprzecznego wykonanych ogniw słonecznych perowskitowych (Rysunek 1) oraz obrazów widoku z góry osadzonych warstw PbI2 i CH3NH3PbI3 (Rysunek 2) wykorzystano skaningową mikroskopię elektronową z emisją polową (FESEM). Do charakterystyki właściwości strukturalnych warstw perowskitowych zastosowano dyfrakcję rentgenowską (XRD) oraz rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS) (Rysunki 3 i 4). Właściwości optyczne i elektryczne warstw perowskitowych badano odpowiednio za pomocą spektroskopii odchylenia fototermicznego (PDS) oraz siłowej mikroskopii sondy Kelvina (KPFM) (Rysunki 5 i 6). Ponadto w urządzeniach perowskitowych przeprowadzono pomiary transportu objętościowego zależne od temperatury w oparciu o prąd ograniczony przestrzenią ładunkową (SCLC) (Rysunek 7). Na koniec wykonano standardowy pomiar fotowoltaiczny wykonanych urządzeń (Rysunek 8 i Tabela 1).

Na podstawie obrazów SEM z widoku z góry dla PbI2 oraz CH3NH3PbI3 osadzonych na mezoporowatej warstwie TiO2 (mp-TiO2), przedstawionych na Rysunku 2, zilustrowano wpływ dodatków na morfologię perowskitu, gdzie w próbce opartej na NaI uzyskano duże kryształy PbI2 o kształcie rozgałęzionym. Doprowadziło to do powstania większych, asymetrycznych kryształów perowskitu. Ponadto dla próbek opartych na CuI i AgI otrzymano jednorodną i pozbawioną dziurek (pinhole-free) warstwę wierzchnią perowskitu (Rysunek 2c i 2e). Aby zbadać wpływ dodatków halogenków kationów jednowartościowych na strukturę krystaliczną CH3NH3PbI3 oraz na konwersję PbI2 do CH3NH3PbI3, przeprowadzono dyfrakcję rentgenowską (Rysunek 3). Chociaż struktura krystaliczna końcowego perowskitu pozostała taka sama dla wszystkich próbek, ewidentne jest, że pik dyfrakcyjny przy 2θ = 12.6, odpowiadający nieprzekształconemu PbI2, został wyeliminowany w obecności dodatków NaI i CuBr. W celu potwierdzenia obecności tych kationów jednowartościowych w filmach perowskitowych CH3NH3PbI3 przeprowadzono analizę XPS, jak pokazano na Rysunku 4. Na podstawie danych XPS wykazano obecność jonów Na i Ag w filmach perowskitowych, podczas gdy stężenia Cu nie udało się oszacować, prawdopodobnie ze względu na bliskość pików jodku (I 3p1/2) i miedzi (Cu 2p1/2).

Wpływ dodatków kationów jednowartościowych na widmo absorpcji perowskitu przedstawiono na Rysunku 5a, który został zmierzony metodą PDS. Wyraźnie widać, że perowskit CH3NH3PbI3 z dodatkami wykazywał niższą absorpcję poniżej przerwy energetycznej w porównaniu z próbką czystą. Ponadto w próbkach opartych na Cu zaobserwowano ogon absorpcji, który wynikał z wewnętrznej absorpcji halogenku miedzi (Rysunek 5b). Chociaż ogon absorpcji potwierdza obecność kationów Cu w końcowych filmach perowskitowych, porównanie PDS dla PbI2 opartego na CuI oraz CH3NH3PbI3 wykazuje, że ich wbudowywanie nie jest całkowite. Dodatkowo oszacowano energię Urbacha (Eu), która jest miarą stopnia nieuporządkowania energetycznego materiału, dla perowskitów czystego oraz opartych na NaI, CuBr, CuI i AgI, a uzyskane wartości wynoszą odpowiednio 15,6, 11,8, 12,8, 13,5 i 15,2 meV (wstawka na Rysunku 5a).

Aby zbadać wpływ wspomnianych dodatków na strukturę elektronową CH3NH3PbI3, przeprowadzono pomiary KPFM, w których mierzono różnicę potencjałów styku (CPD) dla profili liniowych. Odpowiada ona powierzchniowej pracy wyjścia (Φ) perowskitu przedstawionej na Rysunku 6. Wyraźne przesunięcie CPD (tj. 0,1 V) perowskitu z dodatkami w porównaniu do perowskitu czystego wskazuje, że poziom Fermiego perowskitu jest przesunięty w stronę pasma walencyjnego. Zmiana poziomu Fermiego perowskitu może wynikać z podstawnego domieszkowania p (np. zastąpienia Pb2+ kationami jednowartościowymi X+) lub pasywacji powierzchni krystalicznej perowskitu.

Aby zbadać wpływ domieszkowania na gęstość ładunków oraz ich właściwości transportowe w CH3NH3PbI3, przeprowadzono pomiary transportu objętościowego w zależności od temperatury (Rysunek 7a). Następnie oszacowano objętościową ruchliwość nośników (μSCL) na podstawie prądu ograniczonego ładunkiem przestrzennym (SCLC) dla kompletnych urządzeń perowskitowych (czystych oraz z dodatkami), opartych wyłącznie na elektronach i dziurach. Odnotowano znaczący wzrost przewodnictwa oraz ruchliwości zarówno elektronów, jak i dziur, szczególnie w próbkach z NaI i CuBr w porównaniu do czystego perowskitu (Tabela 1). Należy zauważyć, że poprawa ruchliwości ładunków i przewodnictwa jest zgodna ze wzrostem prądu zwarcia (Jsc) i współczynnika wypełnienia (FF) wykonanych ogniw słonecznych, przedstawionych na Rysunku 7b. Ponadto, wykorzystując pomiary transportu objętościowego w funkcji temperatury, oszacowano energię aktywacji transportu ładunku (EA) dla elektronów i dziur, wykazując wyraźny spadek w przypadku perowskitu z dodatkami. Poprawa ta jest przypisana wyższej gęstości nośników wynikającej z domieszkowania oraz wypełniania pułapek transportowych, co prowadzi do znacznego obniżenia bariery transportu.

Wytwarzaliśmy ogniwa słoneczne perowskitowe w oparciu o wspomniane jednowartościowe halki kationowe; odpowiednie krzywe J-V oraz parametry fotowoltaiczne zestawiono na Rysunku 8a i w Tabeli 1. Znaczną poprawę napięcia obwodu otwartego uzyskano dla ogniw słonecznych opartych na CuI- (0,99 V) i AgI- (1,02 V) dzięki optymalnemu pokryciu powierzchni (Rysunek 2c i 2e). Ponadto odnotowano wyraźny wzrost gęstości prądu zwarcia (≈2 mA cm-2) dla ogniw słonecznych opartych na CuBr- i NaI-, co można przypisać pełnej konwersji PbI2 do CH3NH3PbI3. Poprawę tę potwierdzono za pomocą widm sprawności konwersji fotonów na prąd (IPCE) przedstawionych na Rysunku 8b. Ostatecznie uzyskano wyższe poziomy sprawności konwersji energii (PCE) wynoszące odpowiednio 15,2%, 15,6% i 15,3% dla urządzeń opartych na NaI-, CuBr- i CuI-, w porównaniu do wartości 14,0% dla czystego ogniwa słonecznego perowskitowego.

Przekrój przez perowskitowe ogniwo słoneczne pokazujący warstwy: Au, HTM, CH3NH3PbI3, mp-TiO2, c-TiO2, FTO.
Rycina 1: Architektura mezoskopowego perowskitowego ogniwa słonecznego. Mikrografia przekroju SEM kompletnego urządzenia o następującej strukturze: FTO/compact-TiO2/mesoporous-TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au.

Porównanie morfologii powierzchni nanocząstek, obrazy SEM w skali 200 nm, analiza tekstury materiału.
Rycina 2: Analiza morfologiczna struktur jodku ołowiu i perowskitów. Obrazy SEM z widokiem z góry struktur PbI2 (lewa strona) i CH3NH3PbI3 (prawa strona): (a) pierwotne, (b) oparte na CuBr, (c) oparte na CuI, (d) oparte na NaI oraz (e) próbki perowskitów oparte na AgI, osadzone na FTO powlekanym mezoporowatym TiO2. Rycina została powielona z referencji18. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat dyfraktogramu XRD, konwersja perowskitu PbI2 z różnymi halogenkami; CuBr, CuI, NaI, AgI na FTO.
Rycina 3: Wpływ dodatków halogenkowych jednowartościowych kationów na krystaliczność perowskitu. Widma dyfrakcji rentgenowskiej czystego perowskitu CH3NH3PbI3 oraz perowskitu z dodatkami, wyhodowanych na mezoporowatej warstwie TiO2 osadzonej na szkle pokrytym FTO. Rycina została powielona z referencji18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza widm XPS; piki Pb, Na, Cu, Ag; intensywność względem energii wiązania; schemat badawczy.
Rycina 4: Ślady kationów jednowartościowych w strukturze perowskitu CH3NH3PbI3. Analiza XPS nieprzebiegłych oraz opartych na CuBr, CuI, NaI i AgI filmów perowskitowych. Rycina została powielona z referencji18. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres absorbancji w funkcji energii dla materiałów perowskitowych pokazujący energię Urbacha; porównanie analizy widmowej.
Rycina 5: Właściwości optyczne filmów perowskitowych. (a) Widma absorpcyjne filmów perowskitowych otrzymanych z czystych źródeł ołowiu oraz źródeł z dodatkami, zmierzone techniką PDS. Wstawka przedstawia odpowiadające im energie Urbacha dla wszystkich próbek. Słupek błędu jest zdefiniowany przez SD dopasowania ogona Urbacha. (b) Porównanie widm absorpcyjnych PDS czystych i opartych na CuBr filmów jodku ołowiu i perowskitów, a także CuBr naniesionego na ms-TiO2 i samych filmów CuBr. Rycina została powielona z publikacji18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat mikroskopii sondy przewodzącej z wykresem CPD w funkcji pozycji dla CH₃NH₃PbI₃ na złocie.
Rysunek 6: Wpływ dodatków kationów jednowartościowych na potencjał powierzchniowy powłok perowskitowych. Profile liniowe CPD zarejestrowane z czystych powłok perowskitowych oraz powłok z dodatkami przy użyciu KPFM. Obraz topografii AFM przedstawiono na górze. Rysunek został powielony z referencji18. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres krzywych J-V i gęstości prądu światła dla różnych materiałów w badaniu ogniw słonecznych.
Rycina 7: Charakterystyka transportu ładunków w filmach perowskitowych. (a) Charakterystyki J-V urządzeń przewodzących wyłącznie dziury (ITO/PEDOT:PSS/Perowskit/Au), wykorzystane do szacowania ruchliwości dziur SCLC. Należy zauważyć, że gęstość prądu (J) została przeskalowana zgodnie z grubością warstw perowskitu. (b) Trendy dla Jsc, µh oraz µe dla perowskitu czystego oraz z dodatkami. Rycina została powielona z referencji18. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykresy wydajności fotowoltaicznej, Jsc w funkcji napięcia oraz IPCE w funkcji długości fali, przedstawiające CuBr, CuI, NaI, AgI.
Rycina 8: Charakterystyka wydajności fotowoltaicznej. (a) Charakterystyki prądowo-napięciowe urządzeń pod oświetleniem 100 mW/cm2, uzyskane przy zastosowaniu różnych typów halgarków kationów jednowartościowych dodanych do roztworu źródła ołowiu. (b) Widma wydajności konwersji fotonów padających na prąd (IPCE) jako funkcja długości fali światła monochromatycznego dla czystych ogniw słonecznych perowskitowych oraz ogniw opartych na CuBr, CuI, NaI i AgI. Rycina została powielona z referencji18. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rodzaj próbkiJSCVOCFFPCEμeμhEAeEAh
(mA cm⁻¹)-2)(V)(%)(cm2/Vs)(cm2/Vs)(meV)(meV)
Nienaruszony21.030.950.7014.010.020.008135198
CuBr22.920.950.7215.610.050.0488132
CuI21.810.990.7115.250.020.03694157
NaI22.970.90.7315.140.040.0777137
AgI19.241.020.7214.180.0050.006105177

Tabela 1: Parametry fotowoltaiczne i transportu ładunku PSC. Podsumowanie parametrów fotowoltaicznych wyznaczonych z pomiarów J-V oraz ruchliwości ładunków, wraz z energią aktywacji dla czystych i opartych na dodatkach ogniw słonecznych perowskitowych, które wykazały najlepsze parametry i zostały wykonane przy użyciu dwuetapowej metody osadzania. Należy zauważyć, że statystyka parametrów fotowoltaicznych wykazuje ten sam trend, co urządzenia o najwyższej wydajności. Tabela została powielona z referencji18.

Dyskusja

W pracy wykorzystano typową architekturę mezoskopowych perowskitowych ogniw słonecznych, w której szereg materiałów pokryto wirowo między przewodzącym podłożem a termicznie odparowanym metalowym stykiem (ryc. 1). Mezoporowate warstwy TiO2 poddano działaniu TiCl4, który, jak doniesiono, pasywuje pułapki powierzchniowe i poprawia granicę faz między warstwą transportu elektronów a materiałem absorbera21,22. Warstwa perowskitu została następnie zdeponowana przy użyciu sekwencyjnej techniki osadzania dwuetapowego. Pełna konwersja halogenku ołowiu do perowskitu w drugim etapie jest niezbędna do osiągnięcia najwyższej absorpcji światła16,17, a my wykazaliśmy, że monowalentne dodatki halogenków kationów (np. NaI i CuBr) powodują całkowitą konwersję. Co więcej, całkowite pokrycie mezoporowatej warstwy tytanu warstwą wierzchnią perowskitu ma zasadnicze znaczenie dla wyeliminowania potencjalnej rekombinacji między warstwą transportową (np. Spiro OMETAD) a warstwą transportu elektronów (np. mezoporowatym TiO2)23. Zilustrowaliśmy, że dodanie monowalentnych halogenków kationów (np. CuI i AgI) może poprawić pokrycie powierzchni warstwy wierzchniej perowskitu, co prowadzi do wyższego napięcia obwodu otwartego dla urządzenia.

Główną zaletą naszej metody jest etap domieszkowania, w którym włączyliśmy kationy monowartościowe do strukturyCH3NH3PbI3 w celu poprawy gęstości ładunków, transportu ładunku i przewodności warstwy absorbera. Jak stwierdzono w poprzednim rozdziale, wspomniane domieszki znacznie zwiększyły ruchliwość zarówno elektronów, jak i. Ponadto dzięki domieszkowaniu kationów monowalentnych uzyskano znaczny spadek energii aktywacji transportu ładunku, a także zaburzenia energetycznego warstwy perowskitowej.

W niniejszej pracy zademonstrowaliśmy metodę domieszkowania CH3NH3PbI3 jako warstwy absorbera w mezoskopowej strukturze perowskitowych ogniw słonecznych. Monowalentne halogenki kationowe użyto do dostrojenia właściwości morfologicznych, optycznych i elektrycznych folii perowskitowej CH3NH3PbI3 w celu zwiększenia wydajności fotowoltaicznej. Dlatego włączyliśmy trzy różne kationy jednowartościowe (tj. Na+, Cu+ i Ag+), które mają podobne promienie jonowe do Pb2+, w źródle ołowiu w sekwencyjnym dwuetapowym osadzaniu CH3NH3PbI3. W rezultacie, w obecności tych dodatków nastąpiła znaczna poprawa właściwości strukturalnych i optoelektronicznych CH3NH3PbI3, co doprowadziło do wyższych PCE dla wytwarzanych ogniw słonecznych. Dlatego nasza praca zwraca uwagę na łatwy sposób domieszkowania CH3NH 3PbI3 jako warstwy absorbującej, która może być stosowana we wszystkich innych konfiguracjach perowskitowych ogniw słonecznych (np. architektura płaska) w celu dalszej poprawy jakości elektronicznej cienkich warstw perowskitu.

Dane leżące u podstaw niniejszego opracowania są dostępne pod adresem: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

M. Abdi-Jalebi dziękuje Nava Technology Limited za stypendium doktoranckie. M.I. Dar i M.Grätzel dziękują Miastu Nauki i Technologii Króla Abdulaziza (KACST) oraz Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki (SNSF) za wsparcie finansowe. Autorzy chcieliby podziękować dr Pierre'owi Mettraux z Centrum Charakterystyki Materiałów Molekularnych i Hybrydowych, EPFL, za przeprowadzenie pomiarów XPS. A.Sadhanala z wdzięcznością dziękuje za wsparcie finansowe ze strony indyjsko-brytyjskiego projektu APEX. S.P. Senanayak dziękuje Towarzystwu Królewskiemu w Londynie za stypendium Newton Fellowship. R.H. Friend, M. Abdi-Jalebi i A. Sadhanala pragną podziękować za wsparcie ze strony EPSRC.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Szkło powlekane tlenkiem cyny (FTO) domieszkowanym fluoremSigma-Aldrich 735264-1EARezystywność i asymp; 13 Ω/sq
w proszkuSigma-Aldrich 96454Masa cząsteczkowa 65,39 
Kwas solny Sigma-Aldrich 84415≥ 37 % wag.
detergent Hellmanex Sigma-Aldrich Z805939-1EAopakowanie 1 L 
Diizoproptlenek tytanu bis(acetyloacetonian) Sigma-Aldrich 32525275 % wag. w izopropanolu
Pasta TitaniaDYESOLMS00230030 NR-D Przezroczysta pasta z tytanu
Jodek ołowiu(II)Sigma-Aldrich21116899 % wag. %
N,N-dimetyloformamid Sigma-Aldrich 437573odczynnik ACS, ≥ 99,8%
Jodek metyloamonuDYESOLMS101000Powder 
SpiroMeOTADSigma-Aldrich 79207199% (HPLC)
Bis(trifluorometan)sulfonimid sól litowaSigma-Aldrich 54409499,95% na bazie metali śladowych 
4-tert-ButylopirydynaSigma-Aldrich 142379Czystość: 96%
ChlorobenzenSigma-Aldrich284513bezwodny, 99,8%
2-Propanol (IPA)Sigma-Aldrich 278475bezwodny, 99,5% 
AlkoholSigma-Aldrich2860, bez dodatku, ≥ 99,8%
bezalkoholowy

Bibliografia

  1. Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307(2016).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
  3. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
  4. Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
  5. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  6. Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591(2012).
  7. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
  8. Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
  9. Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
  10. Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
  11. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  12. Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
  13. Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
  14. Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
  15. Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
  16. Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358(2016).
  17. Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
  18. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472(2016).
  19. Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
  20. Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
  21. Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
  22. Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
  23. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Perowskit CH3NH3PbI3kationowe dodatki halogenkoweobjętościowa ruchliwość dziurredukcja nieładu energetycznegozwiększenie napięcia obwodu otwartegopoprawa gęstości prądu fotogenerowanegometoda przetwarzania z roztworumezoskopowa struktura ogniwa słonecznego
Domieszkowanie kationami monowalentnymiCH3, NH,3PbI3 dla wydajnych perowskitowych ogniw słonecznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.