Name: Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 38 s
Description: Poznaj wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na strukturę krystaliczną, gęstość stanów i wydajność ogniw słonecznych. Badanie pokazuje, jak techniki przygotowania warstw cienkich determinują ich właściwości fizyczne i optymalizację energetyczną.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować za wsparcie finansowe kraju związkowego Nadrenia Północna-Westfalia poprzez projekt PERO-BOOST (EFRE, kod projektu NW-1-1-040a). Podziękowania kierujemy do Azar Jahanbakhsh i Ines Schmidt (oboje z Uniwersytetu w Kolonii) za pomoc w wytworzeniu i scharakteryzowaniu warstw perowskitu przetworzonych w 2-etapowym roztworze, dr Jürgena Scheltera (Uniwersytet w Kolonii) za syntezę materiału MAI oraz prof. dr Riedla i Nedy Pourdavoud (obie z Uniwersytetu w Wuppertalu) za pomiary XRD.

1. Podłoża ITO
UWAGA: Dla lepszego kontaktu z próbką i uniknięcia zwarcia urządzeń, podłoża szklane powlekane ITO muszą być wzorowane za pomocą litografii i trawienia. Nakładanie się elektrody górnej i dolnej określa obszar aktywny wytwarzanych ogniw słonecznych.
<ol>
	<li>Wytnij szklaną płytę pokrytą tlenkiem indu i cyny (ITO) za pomocą noża do szkła, aby uzyskać podłoże o wymiarach 2,5 cm na 2,5 cm.</li>
	<li>Przyklej okrągłą etykietę (średnica = 1,6 cm) na środku podłoża pokrytego ITO.</li>
	<li>Wytrawić ITO, umieszczając podłoża w chlorowodorowym roztworze 1 M FeCl3 w temperaturze 60 °C na 10 minut.</li>
	<li>Podłoża czyścić sekwencyjnie chloroformem, acetonem i roztworem mydła (2%) w kąpieli ultradźwiękowej.</li>
	<li>Spłukać jeszcze raz wodą destylowaną i wysuszyć pod strumieniemN2.</li>
</ol>
2. Ozonowanie substratów ITO
UWAGA: W celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych, podłoża ITO muszą zostać ozonowane. Aktywuje to powierzchnię tlenkową i zwiększa właściwości zwilżające podłoża, co ma kluczowe znaczenie dla powtarzalnego osadzania się kolejnych warstw.
<ol>
	<li>Zamontuj podłoża ITO na uchwycie na próbkę i umieść ją w komorze ozonowania.</li>
	<li>Oświetlać przez 10 minut pod (atmosferycznym) tlenem, lampą ultrafioletową (20 W), która wytwarza ozon.</li>
</ol>
3. Osadzanie styku do zbierania otworów PEDOT:PSS
UWAGA: Warstwa poli(3,4-etylenodioksytiofen)-poli(styrenosulfonianu) (PEDOT:PSS) jest osadzana przez wirowanie z zawiesiny wodnej w warunkach otoczenia (25 do 40% wilgotności względnej). Warstwa ta służy jako styk zbierający otwory i charakteryzuje się wysoką funkcją pracy, redukuje otwory i prowadzi do zwiększenia powtarzalności urządzeń.
<ol>
	<li>Umieścić 150 μL PEDOT:PSS w zawiesinie wodnej (1,5%) za pomocą strzykawki na podłożu po przefiltrowaniu przez filtr 0,45 μm.</li>
	<li>Wirowanie płaszcza z prędkością obrotową 2 500 obr./min przez 25 s bezpośrednio, a następnie 4 000 obr./min przez 5 s z przyspieszeniem 4 000 obr./min każdy. Ta procedura prowadzi do uzyskania folii PEDOT:PSS o grubości od 40 do 45 nm.</li>
	<li>Usunąć resztki wody z folii poprzez wyżarzanie termiczne podłoży na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez 10 minut w powietrzu.</li>
</ol>
4. Osadzanie warstw perowskitu
Uwaga: Jodek ołowiu (PbI2) jest wysoce toksyczny dla ludzi. Nawet niewielkie ilości są niezwykle niebezpieczne dla układu nerwowego, krwiotwórczego, nerkowego i wątrobowego. Z roztworami zawierającymi ołów należy obchodzić się ostrożnie. 
UWAGA: Warstwy perowskitowe badane w tym artykule są otrzymywane pięcioma różnymi metodami przy użyciu PbI2 i CH3NH 3I (MAI) jako materiałów prekursorowych. Aby uniknąć degradacji15, wytwarzanie folii i urządzeń oraz ich charakteryzacja muszą być przeprowadzane w atmosferze obojętnej, np. w komorze rękawicowej wypełnionejN2 (przetwarzanie roztworu) lub w próżni (osadzanie z fazy gazowej).
<ol>
	<li>Przetwarzanie roztworu
	<ol>
		<li>Osadzanie sekwencyjne
		<ol>
			<li>Umieścić substrat na powlekarce wirowej i upuścić 150 μl PbI2 rozpuszczonego w N,N-dimetyloformamidzie, DMF (400 mg/ml) za pomocą pipety na podłoże.</li>
			<li>Wirować płaszcz natychmiast z prędkością 3 000 obr./min przez 30 s.</li>
			<li>Zanurzyć foliePbI2 w MAI rozpuszczonym w izopropanolu (10 mg/ml) na 40 s lub wrzucić roztwór MAI na wysuszoną folię PbI2 i pozostawić tam na 40 s.</li>
			<li>Odwiruj pozostały roztwór MAI z prędkością 3,000 obr./min przez 30 s od podłoża.</li>
			<li>Podgrzewać przez 15 minut w temperaturze 100 °C, umieszczając podłoże na płycie grzejnej.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Współrozwiązanie:
		<ol>
			<li>Rozpuścić zarównoPbI2, jak i MAI w pożądanym stosunku (najlepiej 1:1 molowym) w DMF, aby utworzyć roztwór prekursorowy o stężeniu 250 mg/ml.</li>
			<li>Mieszać roztwór prekursora w temperaturze 50 °C przez co najmniej 5 godzin.</li>
			<li>Podgrzej podłoża pokryte PEDOT:PSS w temperaturze 50 °C przez 5 minut na płycie grzejnej.</li>
			<li>Aby zagwarantować zwiększoną powtarzalność w całej serii urządzeń, należy stworzyć atmosferę toluenu, wlewając niewielką ilość rozpuszczalnika (200 μl) do miski powlekarki wirowej podczas wirowania warstwy perowskitu.</li>
			<li>Umieścić 150 μl roztworu prekursora (z 4.1.2.1) na podłożu.</li>
			<li>Warstwy perowskitu należy wirować z prędkością 3 000 obr./min przez 30 s z tego roztworu prekursora. Powij wirowanie jednej warstwy materiału perowskitowego na podłoże.</li>
			<li>Powstałe warstwy perowskitu podgrzewać przez 30 s w temperaturze 110 °C na płycie grzejnej.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Dodatek molekularny:
		<ol>
			<li>Współrozpuścić NH4Cl (18-20 mg/ml) w roztworze do powlekania wirowego (jak opisano w 4.1.2.1), aby zapewnić lepsze tworzenie filmu. Postępuj jak poprzednio. 
			UWAGA: Jest to alternatywa dla dodania współroztworu z 4.1.2.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Osadzanie próżniowe
	<ol>
		<li>Procedura ogólna
		<ol>
			<li>Załaduj oczyszczone podłoża do systemu próżniowego i opróżnij.</li>
			<li>Po osiągnięciu ciśnienia 10-7 mbar należy przenieść próbki do komory parowania i osłonić ją przed źródłami parowania za pomocą przesłony.</li>
			<li>Podgrzać dwa źródła, które zawierają materiały prekursorowe, do około 330 °C dlaPbI2 i 140 °C dla MAI. Należy pamiętać, że ciśnienie w komorze wzrośnie do około 10-4 mbar ze względu na lotny charakter MAI.</li>
			<li>Skalibruj szybkość parowania dla dwóch materiałów za pomocą jednego monitora kwarcowego (QCM) umieszczonego blisko źródła, podczas gdy drugi znajduje się w pozycji próbki. Podgrzej materiał do temperatury parowania i jednocześnie zapisz odpowiednie grubości pokazane na obu QCM. Oblicz współczynnik oprzyrządowania na podstawie stosunku tych dwóch wartości. Do obliczenia grubości należy użyć 6,16 i 1,23 g/cm-3 odpowiednio dla PbI2 i MAI.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Współparowanie
		<ol>
			<li>Dostosuj szybkościPbI2 do MAI do około 1:2, zwiększając lub zmniejszając temperaturę źródeł, aby uzyskać stechiometrycznie poprawną warstwę perowskitu.</li>
			<li>Otwórz przesłonę przed próbką, aby rozpocząć osadzanie. Po osiągnięciu zamierzonej grubości zamknij żaluzję i włącz ogrzewanie źródeł.</li>
			<li>Podgrzewać folie przez 1 godzinę w temperaturze 70 °C w komorze próżniowej w celu usunięcia lotnych związków i całkowitego utworzenia filmu.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Sekwencyjne odparowywanie
		<ol>
			<li>Ponownie obniżyć temperaturę źródła MAI poniżej punktu parowania (ok. 100 °C) i ogrzewać źródło PbI2 aż do rozpoczęcia parowania; wprowadzić 50 nm czystego PbI2.</li>
			<li>Następnie schłodzić źródło PbI2 i podobnie odparować 50 nm MAI. W przypadku większych grubości powtórzyć kroki 4.2.3.1 i 4.2.3.2 naprzemiennie.</li>
			<li>Podgrzewać folie przez 1 godzinę w temperaturze 70 °C w komorze próżniowej w celu usunięcia lotnych związków i całkowitego utworzenia filmu.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Przygotowanie ogniw słonecznych
<ol>
	<li>Rozpuścić akceptor estru metylowego kwasu fenylo-C60-masłowego (PC60BM) w chlorobenzenie w stężeniu 20 mg/ml i mieszać przez co najmniej jeden dzień na płycie grzejnej w temperaturze 50 °C.</li>
	<li>Przygotować warstwę perowskitu (proces współtworzenia z dodatkiem), jak pokazano wcześniej (patrz 4.1.3).</li>
	<li>Schłodzić podgrzane warstwy perowskitu przez 30 s na metalowej płytce do temperatury pokojowej.</li>
	<li>Umieścić 150 μl roztworu PC60BM na podłożu</li>
	<li>Wirowanie PC60BM z prędkością 2 000 obr./min przez 30 s na wierzchu folii perowskitowej, co daje warstwy o grubości 50 nm.</li>
	<li>Umieść całkowicie pokryte podłoża w uchwycie na próbkę i przykryj maską cienia, aby odparować kontakty na wierzchu warstw aktywnych.</li>
	<li>Zarysuj jeden z styków skalpelem w celu nawiązania kontaktu z anodą ITO.</li>
	<li>Przenieść do komory próżniowej w celu osadzenia górnego styku katody.</li>
	<li>Osadzaj aluminium 10 nm przy maksymalnym ciśnieniu p = 3 x 10-6 mbar z szybkością 0,5 A / s, mierzoną przez monitor kwarcowy. Po pierwszych 10 nm szybkość można zwiększyć do 2,5 A/s, aż do osiągnięcia grubości warstwy 100 nm.</li>
	<li>Wykonaj pomiary gęstości prądu w funkcji napięcia (JV) ogniw słonecznych za pomocą źródłowej jednostki pomiaru w zakresie napięcia od -0,5 do 1,5 V (kroki = 0,02 V). Aby upewnić się, że w charakterystyce JV nie pojawia się histereza, zmierz również odwrotny kierunek skanowania, przesuwając odchylenie od 1,5 do -0,5 V. Użyj symulatora solarnego (100 mW cm²) skalibrowanego za pomocą certyfikowanej fotodiody krzemowej.</li>
</ol>

<ol><li>Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+perovskite+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">The emergence of perovskite solar cells.</a> Nat. Photonics. 8, 506-514 (2014).</li>
<li>Stoumpos, C. C., Malliakas, C. D., Kanatzidis, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Semiconducting+Tin+and+Lead+Iodide+Perovskites+with+Organic+Cations%3A+Phase+Transitions%2C+High+Mobilities%2C+and+Near-Infrared+Photoluminescent+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22Inorg.+Chem%22%5BJournal%5D)">Semiconducting Tin and Lead Iodide Perovskites with Organic Cations: Phase Transitions, High Mobilities, and Near-Infrared Photoluminescent Properties.</a> Inorg. Chem. 52, 9019-9038 (2013).</li>
<li>Saba, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlated+electron-hole+plasma+in+organometal+perovskites%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+commun%22%5BJournal%5D)">Correlated electron-hole plasma in organometal perovskites.</a> Nat. commun. 5, 5049(2014).</li>
<li>Nie, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+solution-processed+perovskite+solar+cells+with+millimeter-scale+grains%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains.</a> Science. 347, 522-525 (2015).</li>
<li>Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201302090/abstract">Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells.</a> Adv. Funct. Mater. 24, 151-157 (2014).</li>
<li>Li, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1566119916301045">Efficient lead acetate sourced planar heterojunction perovskite solar cells with enhanced substrate coverage via one-step spin-coating.</a> Org. Electron. 33, 194-200 (2016).</li>
<li>Zuo, C., Ding, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+80.11%25+FF+record+achieved+for+perovskite+solar+cells+by+using+the+NH4Cl+additive%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">An 80.11% FF record achieved for perovskite solar cells by using the NH4Cl additive.</a> Nanoscale. 6, 9935-9938 (2014).</li>
<li>EL-Henawey, M. I., Gebhardt, R., El-Tonsy, M. M., Chaudhary, S. <a target="_blank" href="Organic solvent vapor treatment of the lead iodide layer in the two-step sequential deposition of CH3NH3PbI3-based perovskite solar cells.">Organic solvent vapor treatment of the lead iodide layer in the two-step sequential deposition of CH3NH3PbI3-based perovskite solar cells.</a> J. Mater. Chem. A. , (2015).</li>
<li>Yang, L., Barrows, A. T., Lidzey, D. G., Wang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+and+challenges+of+organometal+halide+perovskite+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Reports+Prog.+Phys.+79%22%5BJournal%5D)">Recent progress and challenges of organometal halide perovskite solar cells.</a> Reports Prog. Phys. 79. 79, 026501(2016).</li>
<li>Jeon, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compositional+engineering+of+perovskite+materials+for+high-performance+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells.</a> Nature. , (2015).</li>
<li>Im, S. H., Heo, J. -H., Han, H. J., Kim, D., Ahn, T. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/EE/c5ee00120j#!divAbstract">18.1 % hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells.</a> Energy Environ. Sci. , (2015).</li>
<li>Kim, B. -S., Choi, M. -H., Choi, M. -S., Kim, J. -J. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta00168h#!divAbstract">Composition-controlled organometal halide perovskite via CH 3 NH 3 I pressure in vacuum co-deposition process.</a> J. Mater. Chem. A. 4, 5663-5668 (2016).</li>
<li>Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+planar+heterojunction+perovskite+solar+cells+by+vapour+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition.</a> Nature. 501, 395-398 (2013).</li>
<li>Chen, Q., Zhou, H. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controllable+Self-Induced+Passivation+of+Hybrid+Lead+Iodide+Perovskites+toward+High+Performance+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Controllable Self-Induced Passivation of Hybrid Lead Iodide Perovskites toward High Performance Solar Cells.</a> Nano Lett. 14, 4158-4163 (2014).</li>
<li>Yamamoto, K., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.7567/JJAP.55.04ES07/meta">Degradation mechanism for planar heterojunction perovskite solar cells.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 07, (2016).</li>
<li>Emara, J., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503406/abstract">Impact of Film Stoichiometry on the Ionization Energy and Electronic Structure of CH3NH3PbI3 Perovskites.</a> Adv. Mater. 28, 553-559 (2016).</li>
<li>Olthof, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4960112">The electronic structure of hybrid perovskite layers and their energetic alignment in devices.</a> APL Mater. 4, 091502(2016).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wykazaliśmy, że warunki przetwarzania mają istotny wpływ na morfologię i stopień pokrycia filmu. Jest to powód, dla którego wiele grup badawczych publikuje odmienne wyniki dotyczące wydajności ogniw słonecznych i potencjału jonizacji dla tych samych materiałów perowskitowych.
Aby zapewnić powtarzalność, kluczowe jest przeprowadzenie wszystkich etapów przetwarzania i metod charakterystyki w atmosferze obojętnej (lub w próżni), aby uniknąć degradacji spowodowanej wilgocią. Ważną rolę odgrywają również czystość i dostawca substratów (nie badano tego w niniejszej pracy). Niezaprzecznale warstwy perowskitów naniesione metodą naparowania próżniowego charakteryzują się wysoką krystalicznością filmów; jednak w porównaniu z nimi filmy otrzymywane z roztworów mogą być wytwarzane z większą wydajnością.
W naszym badaniu zastosowanie NH4Cl jako dodatku do roztworu prekursora oraz atmosfery toluenu w misie spin-coatera pozwoliło na otrzymanie najbardziej powtarzalnych i gładkich filmów perowskitowych. Z kolei procesy dip-coatingu i drop-coatingu prowadziły do powstania dość chropowatych powierzchni i nie były dalej rozważane pod kątem zastosowań w urządzeniach. Z kolei warstwy otrzymane metodą próżniową charakteryzowały się ogólnie mniejszym rozmiarem kryształów (~100 nm), lecz wysokim stopniem pokrycia całego filmu i gładszymi powierzchniami. Z serii próbek o zmiennym stosunku prekursorów dowiedzieliśmy się, że skład ma również istotny wpływ na formowanie filmu. Jednak podczas badania tych warstw za pomocą XRD (Rysunek 2) wszystkie filmy wykazały wysoki stopień krystaliczności i podobną tetragonalną strukturę krystaliczną, na co wskazywały refleksy przy 14,11° i 28,14° reprezentujące płaszczyzny (110) i (220), choć niektóre z warstw wydawały się nieco bardziej nieuporządkowane, co było widoczne poprzez pojawienie się słabych refleksów (002) i (004). Nie zaobserwowano jednak znaczącego poszerzenia piku dyfrakcyjnego XRD. Co ciekawe, nie stwierdzono obecności oddzielnych faz PbI2 przy 12,63°, nawet w przypadku większych nadmiarów wbudowanego PbI2. Wskazuje to, że PbI2 jest wbudowany nie jako oddzielna faza lub wyspy nanokrystaliczne, lecz jako rozproszone domieszki interstycjalne, co czyni go niewykrywalnym za pomocą XRD. Zatem zastosowanie XRD jest ograniczone.
Z drugiej strony, XPS potwierdza obecność dodatkowych ilości PbI2 lub MAI (w zależności od metody wytwarzania) w filmie, co wynika z różnic w stosunku ołowiu do azotu. Interstycjalne defekty te z kolei mają istotny wpływ na strukturę elektronową filmu, o czym wspomniano wcześniej. Obecnie połączenie wyników XPS z obserwacją różnic w energiach jonizacji ujawnionych przez UPS pozwala skorelować te dwa zjawiska. Rycina 6 przedstawia wspólny wykres, na którym zmierzona wartość IE jest przedstawiona jako funkcja składu filmu (stosunku ołowiu do azotu) odpowiadającego filmu.
<img alt="Wykres energii jonizacji w funkcji stosunku Pb/N; metody roztworowe i z fazy par; analiza residuów; badanie perowskitów." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Wyekstrahowane punkty pomiarowe dla pełnego zestawu danych obejmującego 40 filmów perowskitowych. Zależność energii jonizacji od stosunku pierwiastkowego Rexp zawartości ołowiu do azotu (wyznaczonego metodą XPS); linia ciągła przedstawia dopasowanie liniowe do danych, a linie przerywane oznaczają odchylenie standardowe ±0,12 eV. Na dole przedstawiono residua dopasowania. Przedrukowano za zgodą z referencji16. Copyright 2015 Wiley-VCH. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Stwierdzamy wyraźną korelację liniową między tymi dwiema wartościami. Nasze wyniki wskazują zatem, że film perowskitowy z nadmiarem MAI wykazuje niższą IE, podczas gdy warstwa bogata w PbI2 zwiększa IE. Dla optymalnego stosunku molowego Rexp = 1 otrzymujemy IE wynoszącą 6,05 ± 0,10 eV, co jest wartością znacznie wyższą niż często publikowana IE na poziomie 5,4 eV. Ta rozbieżność prawdopodobnie nie wynika z warunków przetwarzania, ponieważ taką wartość odnotowaliśmy dla wielu różnie przygotowanych filmów perowskitowych. Jest ona raczej wynikiem różnic w ocenie danych, gdzie zastosowane tutaj nachylenie liniowej gęstości stanów prowadzi do wyższych wartości odczytu. Szeroką dyskusję na ten temat można znaleźć w referencji17. Należy zaznaczyć, że nie stwierdzono zmian w optycznej przerwie energetycznej tych filmów (Eg = 1,60 ± 0,02 eV, dane nie przedstawiono), co oznacza, że wraz ze zmianą stosunku nie następuje jedynie przesunięcie IE, ale jednocześnie przesuwa się energia aktywacji (EA).
Maksymalną sprawność ogniwa słonecznego odnotowano dla stosunku molowego R wynoszącego 1,02 (PbI2 do MAI), przy sprawności konwersji mocy na poziomie 9,6%, co potwierdza doniesienia literaturowe14, zgodnie z którymi filmy z lekką nadwyżką PbI2 wykazują poprawione właściwości nośników ładunku dzięki pasywacji filmu perowskitowego przez PbI2 na granicach ziaren. Zaobserwowano spadek napięcia obwodu otwartego o 200 meV wraz ze wzrostem zawartości PbI2. Ponieważ nie występuje zmiana przerwy energetycznej materiału perowskitowego, spadek VOC nie może być wyjaśniony jednoczesnym zmniejszeniem przerwy fotowoltaicznej, lecz raczej niewystarczającym blokowaniem dziur na granicy faz perowskitu i PCBM (IEPCBM = 6,2 eV) z powodu wzrostu IE perowskitu. Jednocześnie dla R &gt;1,05 wartość FF spada z 0,8 do 0,7, co potwierdza te wnioski.
Podsumowując, przedstawiliśmy obszerne badanie filmów perowskitowych wykonanych za pomocą różnych metod przygotowania i stwierdziliśmy, że występują znaczne różnice w formowaniu filmu, strukturze elektronicznej oraz parametrach pracy urządzeń. Szczególnie interesująca jest możliwość regulacji IE perowskitu poprzez celowe wprowadzenie atomów interstycjalnych MAI lub PbI2, co może zostać wykorzystane do optymalizacji interfejsu w nowoczesnych architekturach urządzeń. Przyszłe badania skupią się na bardziej zaawansowanych technikach przygotowania, które mają na celu uzyskanie większych powierzchni urządzeń. Obejmują one metody takie jak doctor blading, techniki natryskowe oraz druk wielkoformatowy, które są obecnie wdrożone w naszej placówce w COPT.centre (COPT = centrum technologii produkcji organicznej).

Technologie cienkowarstwowe fotowoltaiczne przyciągnęły znaczną uwagę w badaniach nad zastosowaniami ogniw słonecznych ze względu na ich niskie zużycie materiału i możliwość zastosowania na elastycznych podłożach. Przede wszystkim organiczne/nieorganiczne halogenkowe materiały perowskitowe okazały się żywotnymi warstwami aktywnymi w urządzeniach z ogniwami słonecznymi, co prowadzi do wysokiej wydajności. Perowskity charakteryzują się korzystnymi właściwościami, takimi jak wysoki współczynnik absorpcji1, wysoka ruchliwość nośnika ładunku2 i niska energia wiązania ekscytonów3. Warstwy perowskitu można wytwarzać różnymi metodami wytwarzania opartymi na roztworze lub fazie gazowej przy użyciu tanich materiałów prekursorowych, takich jak jodek ołowiu(II) (PbI2) i jodek metyloamonu (MAI). W ten sposób można łatwo przygotować folie o wysokiej krystaliczności przy użyciu niskich temperatur produkcji w porównaniu z dostępnymi na rynku krzemowymi ogniwami słonecznymi.
Wykazano, że kilka parametrów ma silny wpływ na wydajność perowskitowych ogniw słonecznych, w szczególności morfologia filmu, ponieważ wpływa na długość dyfuzji ekscytonów i ruchliwość nośnika ładunku. Nie i wsp. wykazali, że poprawiając morfologię warstw perowskitowych, w odniesieniu do pokrycia i średniej wielkości kryształów, wydajność ogniw słonecznych wzrasta4,5. Wykazano, że na morfologię wpływu mają (i) wybór materiału prekursorowego (np. zastosowanie octanu ołowiu6), (ii) dodatki molekularne (takie jak NH4Cl)7, (iii) wybór rozpuszczalnika, (iv) wyżarzanie termiczne w atmosferze rozpuszczalnika (np. toluen lub chlorobenzen8), a w szczególności (v) wybór metody przygotowania9. Procesy oparte na roztworach, takie jak jednoetapowe lub dwuetapowe powlekanie wirowe, skutkują powstawaniem ogniw słonecznych o sprawności przekraczającej 17%4,10,11,12, podczas gdy osadzane próżniowo perowskitowe ogniwa słoneczne dają wydajność 15,4%13.
Wykazano, że nadmiar PbI2 w warstwach perowskitu jest korzystny dla wydajności ogniw słonecznych ze względu na poprawę równowagi nośników poprzez pasywację warstwy perowskitu przez PbI2 na granicach ziaren14. Jednak niewiele pracy wykonano, aby zrozumieć rolę wpływu stechiometrii na materiały z powłok perowskitowych.
W tym artykule prezentujemy obszerne badanie szerokiej gamy różnie przygotowanych warstw perowskitowych i pokazujemy, jak metody przygotowania i stechiometria prekursorów wpływają na morfologię, krystaliczność, gęstość stanów, skład filmu i wydajność ogniw słonecznych. Przedstawiono całościowy przegląd, począwszy od produkcji, przez charakterystykę filmu, aż po wydajność urządzenia.

<table><tbody><tr><td>ITO</td><td>Rose</td><td></td><td>< 15 &Omega;/sq</td></tr><tr><td>PEDOT:PSS</td><td>Heraeus Clevios</td><td>P VP . Al&nbsp; 4083</td><td></td></tr><tr><td>MAI</td><td></td><td></td><td>Syntetyzowany zgodnie z literaturą</td></tr><tr><td>PbI2</td><td>Alfa Aesar</td><td>44314</td><td>99,999% metali śladowych na podstawie, -10 kulek siatkowych</td></tr><tr><td>NH4Cl</td><td>Suprapure</td><td>101143</td><td>99,995%</td></tr><tr><td>PCBM</td><td>Nano C</td><td></td><td>99,9%</td></tr><tr><td>Chlorobenzen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>270644</td><td>Chromasolv do HPLC (99,9%)</td></tr><tr><td>N,N-dimetyloformamid</td><td>Acros Chemicals</td><td>&nbsp; 348430010</td><td>Ekstra suchy, przechowywany na sitach molekularnych (99,8%)</td></tr><tr><td>Toluen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>244511</td><td>bezwodny</td></tr></tbody></table>

wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Hybrydowe organiczno-nieorganiczne perowskity halogenkowe były ostatnio przedmiotem dużego zainteresowania w dziedzinie zastosowań ogniw słonecznych, z potencjałem do osiągnięcia wydajności urządzeń przewyższającej inne technologie urządzeń cienkowarstwowych. Odnotowuje się jednak duże różnice w wydajności urządzenia i podstawowych właściwościach fizycznych. Wynika to z niezamierzonych zmian podczas obróbki filmu, które do tej pory nie zostały wystarczająco zbadane. W związku z tym przeprowadziliśmy szeroko zakrojone badania morfologii i struktury elektronowej dużej liczby perowskitówCH3, NH,3, PbI, 3, w których pokazujemy, w jaki sposób metoda przygotowania, a także stosunek mieszania eduktów jodku metyloamonu i jodku ołowiu(II) wpływają na właściwości takie jak tworzenie filmu, struktura krystaliczna, gęstość stanów, poziomy energii, i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Aby uzyskać całościowy obraz różnych metod wytwarzania filmów perowskitowych, ważne jest połączenie charakterystyki strukturalnej, elektronicznej oraz charakterystyki urządzeń. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) pozwala na dobrą ocenę morfologii. W związku z tym zbadano wszystkie filmy otrzymane za pomocą różnych metod wytwarzania. Reprezentatywny podzbiór cienkich filmów perowskitowych przedstawiono na Rysunku 1, który obrazuje znaczący wpływ metody przygotowania na morfologię filmu.
W przypadku urządzeń pożądanym jest uzyskanie filmu gładkiego i pozbawionego mikrootworów. Jak widać, dotyczy to filmów naniesionych metodą naparowania (f, g), filmów naniesionych metodą dip-coatingu (d, e) oraz filmów przygotowanych z ko-roztworu z dodatkiem NH4Cl w atmosferze toluenu (a1 do a5) przy różnym stosunku R PbI2 do MAI w zakresie od 0,6 do 1,4. W przeciwieństwie do nich, filmy bez dodatku (h), a także filmy naniesione metodą dip-coatingu (d, e) i drop-coatingu (b, c) wykazują duże pustki, struktury igłowate lub dużą chropowatość powierzchni, przez co nie nadają się do zastosowań w urządzeniach.
<img alt="Obrazy mikroskopowe morfologii kryształów, zmienne wartości R (0,6-1,4), analiza strukturalna, SEM." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Obrazy SEM filmu perowskitowego przygotowanego różnymi metodami przetwarzania. (a1 - a5) Metoda współrozpuszczalnika z dodatkiem i w atmosferze toluenu przy różnych stosunkach PbI2 do MAI (R), (b) metoda nakładania kropelkowego (drop-coating) z czasem ładowania 40 s, (c) metoda nakładania kropelkowego (drop-coating) z czasem ładowania 120 s, (d) powlekanie zanurzeniowe (dip coating) (czas ładowania 10 s), (e) powlekanine zanurzeniowe (dip coating) (czas ładowania 3 600 s), (f) współodparowywanie, (g) odparowywanie sekwencyjne, (h) metoda współrozpuszczalnika bez dodatku. Paski skali wskazują długość 1 µm. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Na koniec, Rysunek 1 a1-a5 przedstawia zmienność stosunku mieszania R PbI2 do MAI w zakresie od 0,6 do 1,4, z wykorzystaniem przygotowania współroztworu z dodatkiem i w atmosferze toluenu. Zmiany w stopniu pokrycia powierzchni oraz rozmiarze kryształów wskazują, że tutaj również pojawiają się różne morfologie filmu.
Chociaż SEM jest dobrym narzędziem do wizualizacji morfologii i pokrycia cienkich warstw oraz pozwala uzyskać ogólne wyobrażenie o chropowatości filmu, nie dostarcza ono jednak informacji strukturalnych.
W związku z powyższym, w celu dalszej charakterystyki cienkich warstw perowskitowych, zastosowano dyfrakcję rentgenowską (XRD). Przy użyciu tej techniki z anodą Cu Kα (λ = 1.54056 Å) monitorowano i charakteryzowano fazy krystaliczne w zakresie 2θ od 10° do 40° (krok 0.00836°). W wielu publikacjach XRD jest wykorzystywane do określania jakości warstw perowskitowych.
Rycina 2 przedstawia pomiary XRD dla podzbioru próbek o sześciu różnych stosunkach mieszania PbI2 do MAI, co odpowiada obrazom SEM na Rycini 1a1-a5. Dodatkowo pokazano widmo czystego PbI2. Na tej podstawie badano wpływ stechiometrii roztworu prekursora na jakość warstw perowskitowych, w tym występowanie różnych faz, i.e. włączenie dodatkowych faz PbI2 oraz MAI. Widma wykazują tetragonalną strukturę krystaliczną, a refleksy zostały zindeksowane zgodnie z odpowiadającymi im płaszczyznami krystalograficznymi. Co zaskakujące, w filmach nie stechiometrycznych nie zaobserwowano dodatkowych faz MAI ani PbI2.
<img alt="Wykres dyfrakcji rentgenowskiej, intensywność względem kąta, analiza faz struktury krystalicznej." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Dyfraktogram XRD czystego PbI2 oraz próbek perowskitowych przygotowanych metodą współrozpuszczania (z NH4Cl i w atmosferze toluenu) przy użyciu różnych stosunków molowych prekursorów (stosunki określone liczbami po prawej stronie). W celu zapewnienia porównywalności krzywe zostały znormalizowane do piku przy 14,11° i przesunięte pionowo. Przedrukowano za zgodą z referencji16. Copyright 2015 Wiley-VCH. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Ponieważ XRD nie dostarczyło informacji o składzie filmu, zastosowano spektroskopię fotoelektronów rentgenowskich (XPS), która umożliwia bezpośredni pomiar stechiometrii filmu. Do tego pomiaru użyto źródła wzbudzenia Mg Kα (hν = 1252.6 eV) z energią przepustową 10 eV (rozdzielczość energii = 800 meV). Dla każdego mierzonego oddzielnie pierwiastka należy uwzględnić względne czynniki czułości (RSF). W związku z tym istotna jest kalibracja RSF dla naszego systemu pomiarowego (źródło Mg Kα, kąt między źródłem promieni rentgenowskich a analizatorem 50.0°). Do kalibracji piku jodu wykorzystano szereg małych cząsteczek, w tym tris-(4-jodofenyl)-aminę (C18H12I3N), a Pb skalibrowano za pomocą PbI2. Węgiel służy jako odniesienie, zatem z RSF(C1s) = 1; w konsekwencji czynniki RSF dla poszczególnych pierwiastków wynoszą: RSF(N1s) = 1.8, RSF(I3d5/2) = 32.8 oraz RSF(Pb4f7/2) = 16.5.
Rysunek 3 przedstawia reprezentatywne widmo XPS filmu osadzonego z fazy gazowej, z zaznaczonymi na górnym podrysunku charakterystycznymi pikami poziomów rdzeniowych. Na dolnych podrysunku pokazano piki I3d5/2 (619.6 eV), N1s (402.7 eV), C1s (286.6eV) oraz Pb4f7/2 (138.6 eV). Wszystkie sygnały można dopasować za pomocą pojedynczego mieszanego piku Gaussa/Lorentza; jedynie w przypadku jodu typowo obserwuje się niewielki sygnał przy wyższych energiach wiązania, który jest jednak pikiem shake-up, a zatem nie jest związany z faktycznym dodatkowym stanem wiązania. Jesteśmy w stanie wyznaczyć względny skład filmu wszystkich przygotowanych warstw perowskitowych poprzez całkowanie natężenia sygnału i normalizację go za pomocą odpowiednich RSF16. W niektórych filmach stwierdzono duże odchylenia od idealnej stechiometrii filmu C:N:Pb:I wynoszącej 1:1:1:3; np. stosunek ołowiu do azotu wahał się od 0,4 do 1,5. Dotyczyło to szczególnie filmów osadzonych z fazy gazowej, gdzie współparowanie jest trudne do kontrolowania i powtórzenia. Z kolei w przypadku próbek otrzymanych metodą roztworową, rzeczywiste i zamierzone stosunki mieszania prekursorów bardzo dobrze zgadzały się z końcowym składem filmu określonym za pomocą XPS.
<img alt="Widmo XPS; analiza chemiczna; widmo przeglądowe; piki ołowiu, azotu i węgla; dane wykresu." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Reprezentatywne widma XPS. Powyżej przedstawiono pełny skan XPS, poniżej zaprezentowano szczegółowe pomiary XPS zintegrowanych pików. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Aby zbadać, w jaki sposób te różnice w składzie filmu wpływają na gęstość stanów, zastosowano spektroskopię fotoelektronów UV (UPS). Do pomiarów UPS użyto lampy wyładowczej helu (He I przy 21,22 eV, napięcie próbki -8 V), z energią przejścia 2 eV i rozdzielczością energetyczną 110 meV (wyznaczoną na podstawie szerokości krawędzi Fermiego). Dla wszystkich próbek najpierw zmierzono pełne widmo, a następnie, stosując większą aperturę analizatora w celu zwiększenia stosunku sygnału do szumu, przeprowadzono szczegółowy skan pasma walencyjnego (VB) o wyższej rozdzielczości. W widmach UPS, a konkretnie w skanie obszaru VB, piki satelitarne wynikające z polichromatycznego promieniowania He I zostały skorygowane numerycznie podczas analizy danych.
Rycina 4 przedstawia krzywe UPS dla pełnego zestawu wszystkich badanych próbek, obejmującego zarówno odparowanie równoczesne i sekwencyjne (jasnoczerwony), jak i różne metody przetwarzania roztworów (ciemnoczerwony). Chcemy jedynie podkreślić, że zaobserwowano znaczące różnice w energiach jonizacji (IE), co jest widoczne po przesunięciach pozycji odcięcia wysokiej energii wiązania na lewym wykresie na Rycina 4. Zmiany te wynikają z różnic w przetwarzaniu i składzie filmu, co prowadzi do możliwości regulacji IE w zakresie od 5.67 do 6.4 eV. Bardziej szczegółową dyskusję można znaleźć w referencji16.
<img alt="Widma z procesu z fazy gazowej i z roztworu; intensywność w funkcji przesuniętej energii; wykres właściwości materiałów." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Skanowania UPS dla reprezentatywnego podzbioru badanych próbek. Panele po lewej stronie przedstawiają odcięcie wysokich energii wiązania (HBEC) oraz obszar pasma walencyjnego, natomiast po prawej stronie znajduje się powiększenie o wysokiej rozdzielczości początku pasma walencyjnego (VB onset) dla filmów perowskitowych naniesionych z fazy gazowej (jasnoczerwone linie) oraz z roztworu (ciemnoczerwone linie). Wszystkie krzywe zostały przesunięte wzdłuż osi x, aby wyrównać je do charakterystycznego punktu przy około 3 eV. Przedrukowano za zgodą z odniesienia16. Copyright 2015 Wiley-VCH. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Ponieważ z poprzednich eksperymentów dowiedzieliśmy się, że filmy perowskitowe przygotowane z różnych stosunków mieszania prekursorów prowadzą do zmian w strukturze elektronicznej bez zaburzenia struktury krystalicznej filmu, chcieliśmy zbadać wpływ stosunku prekursorów na wydajność ogniwa słonecznego. W związku z tym przygotowano ogniwa słoneczne ITO/PEDOT:PSS/perowskit/PC60BM/Al, wykorzystując warstwy perowskitowe naniesione metodą współrozpuszczalnikową (z dodatkiem i w atmosferze toluenu), stosując stosunki PbI2 do MAI w zakresie od 0,7 do 1,2. Rysunek 5 przedstawia wpływ stechiometrii filmu (zamierzony stosunek R) na charakterystyki ogniwa słonecznego: sprawność konwersji energii (PCE), gęstość prądu zwarcia (JSC), napięcie obwodu otwartego (VOC) oraz współczynnik wypełnienia (FF). Najwyższą sprawność na poziomie 9,6% odnotowano dla zamierzonego stosunku molowego 1,02, i.e. bliskiego idealnemu składowi perowskitu.
<img alt="Wydajność perowskitowych ogniw słonecznych w zależności od stosunku PbI2/MAI; wykresy PCE, Jsc, Voc, FF." src="/files/ftp_upload/55084/55084fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Wartości charakterystyczne PCE, JSC, VOC oraz FF. Wartości te zostały wyznaczone z pomiarów ogniw słonecznych niezależnie od zamierzonego stosunku mieszania Rint PbI2 do MAI zastosowanego podczas przygotowywania filmu. Przedrukowano za zgodą z referencji16. Copyright 2015 Wiley-VCH. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55084/55084fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Prezentujemy obszerne badanie na temat efektów różnych metod wytwarzania organicznych/nieorganicznych cienkich warstw perowskitu, porównując struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energii i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

Ogólnym celem niniejszego kompleksowego badania jest przedstawienie wpływu różnych metod wytwarzania cienkich warstw organiczno-nieorganicznych perowskitów na struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energetyczne oraz wydajność ogniw słonecznych. Badanie to może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie hybrydowych perowskitów organiczno-nieorganicznych, a w szczególności w kwestii tego, jak metody przygotowania mogą wpływać na różne właściwości cienkich warstw. Nasze podejście polega na kategoryzacji warstw perowskitowych wytworzonych w różny sposób przy użyciu takich metod jak spektroskopia fotoelektronów oraz skaningowa mikroskopia elektronowa, w celu monitorowania składu, morfologii i lub gęstości stanów filmu.Wizualna demonstracja etapów przetwarzania i charakteryzacji, ponieważ nawet niewielkie różnice w procesie wytwarzania filmu mogą mieć znaczący wpływ na jakość cienkiej warstwy. Procedurę zaprezentują Ines Schmidt, Tobias Schnier i Jennifer Emara – promotor oraz dwoje doktorantów z mojej grupy. Ines i Tobias koncentrują się na przetwarzaniu z roztworu, podczas gdy Jenny bada warstwy nanoszone metodą naparowania próżniowego.Aby przygotować przewodzący materiał anody do użycia w качестве styku dolnego, najpierw należy wytrawić, oczyścić i ozonować kawałki szkła pokrytego tlenkiem indu i cyny o wymiarach 2,5 na 2,5 centymetra kwadratowego. Następnie do strzykawki należy pobrać co najmniej 150 µL 1,5% PEDOT:PSS w wodzie. Do końcówki strzykawki należy przymocować filtr 0,45 µm.Zamocuj podłoże ze szkła ITO na powlekarce rotacyjnej w powietrzu o wilgotności względnej od 30 do 50%. Nanieś 150 µL przefiltrowanej zawiesiny PEDOT:PSS na powierzchnię podłoża. Wykonaj powlekanie rotacyjne podłoża z prędkością 2 500 RPM przez 25 sekund oraz 4 000 RPM przez pięć sekund, przy przyspieszeniu 4 000 RPM/s. Podgrzej powleczone podłoże w temperaturze 150 °C na płycie grzejnej przez 10 minut, aby usunąć resztkową wodę z filmu PEDOT:PSS.Aby przygotować podłoże pokryte perowskitem metodą osadzania z fazy gazowej, najpierw umieść podłoże pokryte PEDOT:PSS w komorze próżniowej urządzenia i odessaj powietrze z komory. Gdy ciśnienie w komorze osiągnie 10⁻⁷ mbar, przenieś podłoże do komory odparowywania. Upewnij się, że migawka próbki jest zamknięta, a następnie przesuń kwarcową mikrowagę narzędziową przed pozycję próbki.Podgrzej źródło jodku ołowiu do 320 °C, a źródło jodku metyloamoniowego (MAI) do 190 °C. Monitoruj wzrost ciśnienia w komorze spowodowany odparowaniem MAI. Następnie dla każdego źródła nanieś warstwę na QCM umieszczony w pobliżu próbki, jednocześnie rejestrując grubości wyświetlane na QCM źródła i próbki.Na tej podstawie oblicz współczynniki narzędziowe dla ołowiu, jodku i MAI. Aby przeprowadzić współparowanie, dostrój temperatury źródeł tak, aby stosunek szybkości osadzania jodku ołowiu do MAI wynosił w przybliżeniu jeden do dwóch. Następnie otwórz migawkę próbki i osadź warstwę perowskitu.Alternatywnie, aby przeprowadzić odparowywanie sekwencyjne, należy dostosować temperatury źródeł tak, aby podgrzewać wyłącznie źródło jodku ołowiu. Otwórz migawkę próbki, nanieś 50 nanometrową warstwę jodku ołowiu na podłoże, a następnie zamknij migawkę próbki. Po naniesieniu warstwy jodku ołowiu obniż temperaturę źródła jodku ołowiu i podgrzej źródło MAI do temperatury odparowywania.Nanieś warstwę MAI o grubości 50 nanometrów na wcześniej pokryty podłoże. Naprzemiennie osadzaj warstwy jodku ołowiu i MAI, aż do osiągnięcia zamierzonej grubości. Gdy film osiągnie zamierzoną grubość jedną z metod, zamknij migawkę i wyłącz grzałki źródła.Przenieś próbkę na stolik grzewczy w komorze próżniowej i wygrzewaj film w temperaturze 70 °C przez jedną godzinę, aby usunąć substancje lotne i dokończyć proces tworzenia perowskitu. Aby wytworzyć perowskit metodą sekwencyjnej depozycji, najpierw umieść podłoże pokryte PEDOT:PSS w wirówce do nanoszenia warstw (spin coater) w komorze rękawicowej wypełnionej azotem. Za pomocą pipety nanieś na podłoże 150 µL roztworu jodku ołowiu w DMF o stężeniu 400 mg/mL.Poddaj podłoże powlekaniu wirowemu z prędkością 3 000 RPM przez 30 sekund. Następnie nanieś 150 µL roztworu MAI w izopropanolu o stężeniu 10 mg/mL na powierzchnię podłoża i pozostaw na 40 sekund lub zanurz podłoże w roztworze MAI na 40 sekund. Usuń nadmiar roztworu z podłoża poprzez powlekanie wirowe przez 30 sekund przy 3 000 RPM.Wygrzewaj podłoże na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C przez 15 minut, aby zakończyć proces sekwencyjnego osadzania. Aby osadzić film perowskitowy metodą współroztworu, w komorze rękawicowej wypełnionej azotem rozpuść odpowiednią ilość jodku ołowiu i MAI w pożądanym stosunku w DMF, aby uzyskać roztwór prekursor o stężeniu 250 mg/ml. Jeśli wymagany jest dodatek molekularny, dodaj odpowiednią ilość chlorku amonu, aby uzyskać stężenie od 18 do 20 mg/ml w roztworze prekursora.Mieszaj roztwór prekursora w temperaturze 50 °C przez pięć godzin. Następnie wstępnie podgrzej podłoże powlekone PEDOT:PSS przez pięć minut na płycie grzejnej w temperaturze 50 °C. Umieść podgrzane podłoże w wirówce do nanoszenia warstw (spin coater).Do misy powlekarki rotacyjnej dodaj 200 µL toluenu, aby stworzyć atmosferę toluenu podczas procesu powlekania. Nanieś pipetą 150 µL roztworu prekursora na podłoże, a następnie przeprowadź powlekanie rotacyjne przy 3 000 RPM przez 30 sekund. Podgrzewaj powleczone podłoże przez 30 sekund na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C, aby zakończyć proces współroztwarzania.Jakość filmu perowskitowego można ocenić wizualnie na podstawie połysku powierzchni. Aby przystąpić do wykonania ogniwa słonecznego, w rękawicy laboratoryjnej wypełnionej azotem, przygotuj roztwór 60 PCBM w chlorobenzenie w stężeniu 20 mg/mL, który będzie pełnił rolę materiału akceptora. Mieszaj roztwór w temperaturze 50 °C przez co najmniej 24 godziny.Następnie umieść świeżo wyżarzone termicznie podłoże pokryte perowskitem na metalowej płytce na 30 sekund, aby schłodzić je do temperatury pokojowej. Zamocuj schłodzone podłoże w wirówce do nanoszenia warstw. Nanieś 150 µL roztworu 60 PCBM na podłoże, a następnie wykonaj spin coating przy 2 000 RPM przez 30 sekund, aby utworzyć warstwę akceptora.Następnie umieść podłoże w uchwycie do próbek do osadzania z fazy gazowej i przykryj podłoże maską cieniującą. Wydrap skalpelem jedno z odsłoniętych miejsc styku, aby odsłonić warstwę ITO. Następnie umieść zamaskowane podłoże w komorze próżniowej i przygotuj się do osadzania aluminium z fazy gazowej.Nanieś 10 nm aluminium z prędkością maksymalnie 0,5 Å/s przy ciśnieniu nieprzekraczającym 3 × 10⁻⁶ mbar. Następnie zwiększ prędkość do 2,5 Å/s i kontynuuj nanoszenie, aż warstwa aluminium osiągnie grubość 100 nm, aby utworzyć górny kontakt katody aluminiowej. Przenieś ogniwo do układu symulatora słonecznego i wykonaj pomiar w zakresie od -0,5 V do +1,5 V w krokach co 0,02 V.Następnie wykonaj skanowanie w kierunku odwrotnym, aby sprawdzić występowanie histerezy. Cienkie warstwy perowskitu przygotowano każdą z opisanych metod, stosując różne proporcje jodku ołowiu do MAI. Skaningowa mikroskopia elektronowa warstw osadzonych z fazy gazowej oraz warstw przygotowanych z co-roztworu z dodatkiem wykazała pożądaną, gładką powierzchnię bez mikroporów.Zaobserwowano zmienność morfologii wraz ze zmianami molowego stosunku jodku ołowiu do MAI. Filmy przygotowane z roztworu mieszanego bez dodatku, a także filmy przygotowane metodą dip coating i drop coating, wykazały mniej pożądane pustki, chropowatość powierzchni oraz struktury igłowate. Dyfrakcja rentgenowska sześciu próbek z roztworu mieszanego o różnych molowych stosunkach jodku ołowiu do MAI we wszystkich przypadkach wykazała typową tetragonalną strukturę krystaliczną.Nie zaobserwowano dodatkowych faz MAI ani jodku ołowiu, co wskazuje, że metody dyfrakcji rentgenowskiej nie mogły dostarczyć informacji o składzie filmu. Do oceny odpowiednio stechiometrii i energii jonizacji cienkich filmów wykorzystano spektroskopię fotoelektronową rentgenowską (XPS) oraz ultrafioletową (UPS). we wszystkich metodach zaobserwowano tendencję wzrostu energii jonizacji wraz ze zwiększeniem zawartości jodku ołowiu, co wskazuje, że efekt ten jest niezależny od metody przygotowania.Oceniono właściwości ogniw słonecznych wykonanych z cienkich warstw o różnych stosunkach molowych jodku ołowiu do MAI. Najwyższą sprawność zaobserwowano przy stosunku molowym 1,02, który jest najbliższy stechiometrycznemu składowi perowskitu. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę w dziedzinie perowskitów hybrydowych napotykają trudności, ponieważ formowanie warstwy jest bardzo wrażliwe na zastosowaną metodę przygotowania.Szeroki zakres różnych sprawności urządzeń, morfologii, a zwłaszcza wartości poziomów energetycznych opisanych w literaturze, przyciągnął naszą uwagę i zmotywował do podjęcia niniejszej pracy. Kluczowe jest zapewnienie wysokiego stopnia powtarzalności. Wszystkie etapy przetwarzania i metody charakteryzacji powinny być przeprowadzane w atmosferze obojętnej, aby uniknąć degradacji perowskitu w wyniku ekspozycji na wodę.Należy również pamiętać, że praca z jodkiem ołowiu może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tych procedur zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak praca w komorze rękawicowej. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat wpływu różnych metod przygotowania perowskitów na struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energetyczne, a w konsekwencji na wydajność ogniw słonecznych. Naszym celem jest dostarczenie wglądu w korelacje między przygotowaniem filmu z jednej strony a właściwościami fizycznymi z drugiej, aby ostatecznie wpłynąć na wydajność ogniw słonecznych.Szczególnie interesująca jest możliwość regulacji energii jonizacji filmów perowskitowych poprzez celowe wprowadzenie MAI lub interstityali jodku ołowiu. Może to zostać wykorzystane do optymalizacji interfejsu w nowatorskich architekturach urządzeń. Przyszłe prace skupią się na bardziej zaawansowanych technikach przygotowania, zmierzających do uzyskania dużych powierzchni urządzeń, w tym na metodach takich jak powlekanie slot-die, techniki natryskowe oraz druk wielkoskalowy.

influence-hybrid-perovskite-fabrication-methods-on-film-formation

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Metoda dla w pełni drukowalnych, wolnych od fulerenów, wysoce stabilnych, masowo-heterozłączowych ogniw słonecznych opartych na alkoholanach Ti jako akceptorze elektronów i produkcji polimeru oddając elektrony jest opisana tutaj. Ponadto opisano metodę kontrolowania morfologii warstwy fotoaktywnej poprzez masowość molekularną jednostek Ti-alkoxidian.

Kontrola morfologii dla w pełni drukowalnych organiczno-nieorganicznych ogniw słonecznych z heterozłączami masowymi na bazie tytanowo-alkoksydowego i polimeru półprzewodnikowego

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

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

Tutaj prezentujemy protokół syntezy prekursorów CH3NH 3 I i CH3NH 3Br oraz późniejszego tworzenia bezotworkowych, ciągłych cienkich warstw CH3NH3PbI3-xBrx do zastosowania w wysokowydajnych ogniwach słonecznych i innych urządzeniach optoelektronicznych.

Proces niskociśnieniowego roztworu wspomaganego parą wodną do przestrajalnych warstw perowskitowych z halogenku metyloamonowo-ołowiowego bez otworków

Ta praca dostarcza szczegółowej procedury eksperymentalnej do osadzania Sb2S3 na mezoporowatej warstwie TiO2 przy użyciu roztworu kompleksu 3-tiomocznika SbCl do zastosowań w ogniwach słonecznych uczulonych na Sb2S 3. W artykule tym określono również kluczowe czynniki rządzące procesem osadzania.

Kluczowe czynniki wpływające na wydajność ogniw słonecznych uczulonych naSb 2S 3 podczas osadzania Sb2S 3 za pomocą SbCl Przetwarzanie roztworu kompleksu 3-tiomocznika

Przedstawiono protokół syntezy hybrydowych perowskitowych atramentów kropek perowskitowych z nieorganiczno-ołowiowo-halogenkowym do druku atramentowego oraz protokół przygotowania i drukowania atramentów z kropkami kwantowymi w drukarce atramentowej z technikami postcharakteryzacji.

Druk atramentowy Wszystkie nieorganiczne atramenty perowskitowe halogenkowe do zastosowań fotowoltaicznych

Ta praca demonstruje łatwą syntezę w temperaturze pokojowej koloidalnych, ograniczonych kwantowo nanopłytek perowskitu halogenku ołowiu metodą wspomaganą przez ligand. Zsyntetyzowane nanopłytki krwi wykazują spektralnie wąskie cechy optyczne i ciągłą dostrajalność widmową w całym zakresie widzialnym poprzez zmianę składu i grubości.

Łatwa synteza koloidalnych nanopłytek perowskitu halogenku ołowiu poprzez recypitację wspomaganą ligandem

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Opisujemy metodę wyżarzania w podczerwieni używaną do syntezy perowskitów i mezoskopowych warstw TiO2. Parametry wyżarzania są zróżnicowane i zoptymalizowane pod kątem obróbki na szkle z tlenku cyny (FTO) domieszkowanym fluorem i politereftalanu etylenu pokrytym tlenkiem indu cyny (ITO PET), co w efekcie zapewnia urządzeniom sprawność konwersji mocy &gt;20%.

Błyskawiczne wyżarzanie w podczerwieni do przetwarzania perowskitowych ogniw słonecznych

Poznaj wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na strukturę krystaliczną, gęstość stanów i wydajność ogniw słonecznych. Badanie pokazuje, jak techniki przygotowania warstw cienkich determinują ich właściwości fizyczne i optymalizację energetyczną.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Przeglądaj więcej filmów