Domieszkowanie kationami monowalentnymi_CH3, NH,₃PbI3 dla wydajnych perowskitowych ogniw słonecznych

Ogólnym celem niniejszej procedury jest poprawa właściwości optoelektronicznych perowskitów halogenkowych ołowiu poprzez domieszkowanie kationami jednowartościowymi w celu wytworzenia wysoce wydajnych ogniw słonecznych perowskitowych. Wprowadzenie kationów jednowartościowych do perowskitów halogenkowych ołowiu znacząco poprawia jakość półprzewodnikową oraz charakterystykę efektu fotoelektrycznego tego materiału. Dodanie odpowiedniej ilości niskokosztowych domieszek kationów jednowartościowych do materiałów perowskitowych zwiększa ruchliwość ładunków i redukuje nieuporządkowanie energetyczne o rząd wielkości.

Aby rozpocząć porównywanie podłoża, należy użyć półprzezroczystej akrylowej taśmy klejącej, aby zakryć 2/3 przewodzącej strony szkiełka szklanego powleczonego FTO. Następnie niezakryte obszary należy pokryć proszkiem cynkowym. Na szkiełko należy nalać roztwór 2 molarnego kwasu solnego w wodzie destylowanej w celu trawienia podłoża.

Za pomocą patyczka higienicznego należy usunąć pozostałości z odsłoniętych sekcji szkiełka. Wytrawione podłoże FTO należy wypłukać wodą destylowaną, a następnie usunąć taśmę. Powierzchnię po trawieniu należy umyć w 2% (masowo-objętościowo) roztworze alkalicznego koncentratu detergentu w płynie i wody.

Poddaj podłoże FTO sonikacji przez 10 minut kolejno w kąpielach z acetonem i izopropanolami. Poddaj podłoże FTO działaniu czyszczarki plazmowej tlenowej przez 15 minut, aby dokończyć czyszczenie trawionego podłoża. Aby osadzić kompletną, zwartą warstwę blokującą z tlenku tytanu, najpierw umieść trawione i oczyszczone podłoże FTO na płycie grzewczej w temperaturze 450 °C.

Natychmiast przykryj obszar styku dociętym szkiełkiem przedmiotowym i pozwól podłożu rozgrzać się do 450 stopni Celsjusza. Wymieszaj 0,6 ml TAA z 7 ml izopropanolu. Gdy podłoże osiągnie temperaturę 450 stopni Celsjusza, nanieś roztwór TAA na podłoże metodą pirolizy rozpylnej, używając powietrza jako gazu nośnego.

Próbkę należy pozostawić w temperaturze 450 °C przez 30 minut. Następnie należy pozwolić próbce ostygnąć do temperatury pokojowej. Po ostygnięciu podłoża należy zdjąć szklaną osłonę.

Aby nanieść warstwę transportującą elektrony, należy najpierw rozcieńczyć pastę z tlenku tytanu o stężeniu 30 nanomolar w etanolu w stosunku masowym 2:7. Zawiesinę należy poddać sonikacji przez 30 minut. Następnie nanosi się zawiesinę na próbkę metodą spin-coatingu przez 30 sekund przy prędkości 5 000 RPM i tempie narastania 2 000 RPM na sekundę.

Wyżarz film tytanowy w temperaturze 500 °C przez 30 minut, aby uzyskać mezoporowaty film tlenku tytanu. Następnie zanurz próbkę w 40 mM roztworze chlorku tytanu w wodzie destylowanej. Inkubuj próbki w temperaturze 70 °C przez 20 minut.

Próbkę traktowaną chlorkiem tytanu poddać wyżarzaniu w temperaturze 450 °C przez kolejne 30 minut. Przenieść próbkę do komory rękawicowej wypełnionej azotem o wilgotności poniżej 1%. W obojętnej atmosferze o niskiej zawartości wody i tlenu dodać 1 mL DMF do 553 mg jodku ołowiu. Podgrzewać mieszaninę do 80 °C przy ciągłym mieszaniu, aż jodek ołowiu zostanie rozpuszczony.

Następnie przygotuj 0,02 M roztwór wybranego halogenku kationu jednowartościowego w roztworze jodku ołowiu. Nanieś 80 µL roztworu halogenku kationu jednowartościowego w jodku ołowiu na podłoże. Poddaj podłoże powlekaniu rotacyjnemu przez 30 sekund przy prędkości 6 500 RPM i tempie przyspieszania 4 000 RPM/s.

Wypiecz otrzymaną cienką warstwę w temperaturze 80 °C przez 30 minut. Następnie rozpuść 40 mg jodku metyloamoniowego w 5 ml izopropanolu. Umieść podłoże pokryte jodkiem ołowiu w wirówce do nanoszenia warstw i nanieś 120 µL roztworu MAI.

Pozostaw roztwór na podłożu przez 45 sekund, a następnie poddaj podłoże powlekaniu wirowemu z użyciem MAI przez 20 sekund przy 4, 000 RPM. Wygrzej film perowskitowy w temperaturze 100 °C przez 45 minut. Aby osadzić pełną warstwę transportową, najpierw dodaj 1 ml chlorobenzenu do 72,3 mg spiro-methoxyTAD.

Wstrząsaj mieszaniną, aż roztwór stanie się przezroczysty. Przygotuj roztwór stokowy 520 mg TFSI litu w 1 ml acetonitrylu. Następnie wymieszaj 17,5 µl roztworu TFSI litu w 28,8 µl 4-tert-butylpirydyny z roztworem spiro-methoxyTAD.

Nanieś tę mieszaninę na próbkę metodą spin-coatingu przez 30 sekund przy prędkości 4 000 RPM i szybkości narastania 2 000 RPM na sekundę. Przykryj próbkę maską wzoru dla górnych kontaktów ogniwa słonecznego. Naniesienie 80 nanometrowej warstwy złota na próbkę z prędkością 0,01 nanometra na sekundę, aby zakończyć proces wytwarzania ogniwa słonecznego.

Cienkie warstwy czystych perowskitów oraz perowskitów z dodatkami porównano z odpowiadającymi im warstwami jodku ołowiu. W przypadku zastosowania jodku sodu jako dodatku, w obrazowaniu FESEM zaobserwowano duże kryształy jodku ołowiu o kształcie rozgałęzionym wraz z dużymi, asymetrycznymi kryształami perowskitu. Po zastosowaniu jodku miedzi i jodku srebra jako dodatków zaobserwowano jednorodne, pozbawione mikroporów warstwy perowskitu.

Dyfrakcja rentgenowska wykazała, że domieszkowanie kationami nie miało wpływu na strukturę krystaliczną perowskitu. Nie zaobserwowano żadnego piku odpowiadającego nieprzereagowanemu jodkowi ołowiu w przypadku zastosowania jodku sodu lub bromku miedzi jako dodatku. Sonda Kelvina w mikroskopii siłowej wykazała, że poziomy Fermiego domieszkowanego perowskitu przesunęły się w stronę pasma walencyjnego.

Próbki domieszkowane wykazały zwiększoną przewodność w zakresie ruchliwości elektronów i całkowitej ruchliwości, szczególnie w przypadku próbek jodku sodu i bromku miedzi. Wzrosty zaobserwowano również w odniesieniu do prądu zwarcia oraz współczynnika wypełnienia. Większy wzrost prądu zwarcia w ogniwach opartych na bromku miedzi i jodku sodu przypisano pełnej konwersji jodku ołowiu oraz poprawie ruchliwości ładunków.

Odnotowano poprawę napięcia obwodu otwartego w ogniwach słonecznych opartych na jodku miedzi i jodku srebra, co prawdopodobnie wynika z ich jednorodnych powierzchni pozbawionych mikrootworów. Sprawności konwersji energii ogniw słonecznych opartych na jodku sodu, bromku miedzi i jodku miedzi były wszystkie wyraźnie wyższe niż w przypadku czystego ogniwa perowskitowego. Zaprezentowaliśmy prostą metodę domieszkowania, która jest kompatybilna z przetwarzaniem w roztworze perowskitu halogenkowego ołowiu i metyloamoniu jako warstwy absorbującej w mezoskopowej strukturze ogniwa słonecznego z perowskitem.

Właściwości optoelektroniczne i strukturalne materiałów perowskitowych na bazie halidków ołowiu można dostrajać poprzez kontrolę ilości domieszek kationów jednowartościowych, co może prowadzić do uzyskania lepszych parametrów fotowoltaicznych. Nasza metoda utorowała drogę badaczom z dziedziny fotowoltaiki do zbadania tej techniki w innych konfiguracjach ogniw słonecznych perowskitowych w celu dalszej poprawy jakości elektronicznej cienkich warstw perowskitowych.