Одновалентного катиона легирование CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Для эффективного перовскита солнечных батарей

Mojtaba Abdi-Jalebi; M. Ibrahim Dar; Aditya Sadhanala; Satyaprasad P. Senanayak; Michael Grätzel; Richard H. Friend

doi:10.3791/55307

Методическая статья

Одновалентного катиона легирование CH

17.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55307

⸱

19 марта 2017 г.

Mojtaba Abdi-Jalebi¹ , M. Ibrahim Dar² , Aditya Sadhanala¹ , Satyaprasad P. Senanayak¹ , Michael Grätzel² , Richard H. Friend¹

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы приводим протокол для регулирования свойств раствора обработанным CH ₃ NH ₃ PbI ₃ за счет включения одновалентного катиона добавок для достижения высокоэффективных перовскита солнечных батарей.

Аннотация

Здесь мы демонстрируют добавление одновалентного катиона добавок в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскита для регулировки оптической, ЭКСИТОННЫМ и электрические свойства. Возможность легирования исследовалась путем добавления одновалентного катиона галогениды с аналогичными ионных радиусов в Pb ^2+, в том числе Cu ^+, Na ⁺ и Ag ^+. Сдвиг уровня Ферми и заметное снижение к югу от ширины запрещенной зоны оптического поглощения, наряду с более низким энергетического беспорядка в перовскита, была достигнута. Повышение порядка от величины в объемной подвижности дырок и значительному уменьшению энергии активации транспорта в аддитивной на основе перовскита устройства была достигнута. Стечение упомянутых выше улучшенными свойствами в присутствии этих катионов привело к повышению в параметрах фотогальванических перовскита солнечных батарей. Увеличение 70 мВ напряжения холостого хода для AgI и 2 мА / см ² импrovement в фототока плотности для солнечных батарей NaI- и CuBr основе были достигнуты по сравнению с нетронутым устройством. Наша работа открывает путь для дальнейших улучшений в оптоэлектронной качества CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскита и последующих устройств. Это выдвигает на первый план новые возможности для исследований о роли легирующих примесей в кристаллизации и контролирует электронную плотность дефектов в перовскита структурах.

Введение

В настоящее время доминирует часть потребности в энергии в мире (то есть 85%) подается за счет сжигания нефти, угля и природного газа, что способствует глобальному потеплению и оказывает разрушительное воздействие на нашу окружающую среду ^1. Таким образом, развитие СО ₂ -нейтральное источников энергии первостепенный интерес. Фотоэлектрические (PV) представляет собой идеальный процесс преобразования энергии, который может выполнить это требование. Тем не менее, стоимость и эффективность, в качестве основных препятствий на пути широкого внедрения технологии PV, должна быть улучшена. Возникающие фотоэлектрические технологии, основанные на новых материалах, таких, как перовскит солнечных элементов (PSC), имеют сочетание низкой стоимости и более высокой эффективности. Это достигается за счет использования дешевых материалов, которые легко доступны, а также через быстро, легкий и обработки маршрутов низкоэнергетических по сравнению с кремниевыми аналогами ^{^2,} ^{^3,}^4. Значительное улучшение эффективности преобразования энергии (PCE), с 3,8% до более чем 22%, сообщается на гибридных органо-неорганических свинца галоидных перовскита с момента своего первого появления в PV архитектуры ^{^5,} ^{^6,} ^{^7,} ^8. Такая превосходная производительность происходит от сильного поглощения света с чрезвычайно острым зонной края, очень низкий энергичный расстройства, слабо связанные экситоны, которые легко диссоциируют на свободных носителей с большими длинами диффузии, а также возможность переработки Фотон гибридных органо-неорганических свинца галогенид перовскита ^{^9,} ^{^10,} ^{^11,} ^12. Эти материалы подразделяются на семейства перовскита, которые кристаллизуют из органических галогенидов и галогенидов металлов солей с образованием кристаллов в ABX ₃ Структура, где Х представляет собой анион, и А и В являются катионы различных размеров (A быть больше, чем B). Отмеченные катионы для A сайта включают метиламмония (MA), formamidinium (FA) и цезий (Cs); сочетание этих катионов показывает самую высокую производительность ^{^13,} ^14. Кроме того, главным кандидатом на двухвалентного катиона в участке B является свинец, который может быть заменен на олове; ширина запрещенной зоны может быть успешно красное смещение до более чем 1000 нм в свинцово-оловянного смешанного перовскита ^15. Точно так же, жители Х-сайте были изучены, где смесь йодид (I) и бромида (Br) , были введены в качестве основных кандидатов ^{^16,} ^17. Таким образом, весьма вероятно, манипулировать структурных, морфологических и оптико-электронные свойства перовскитов путем изменения их химического состава.

Несмотря на то, что усиленный Crystaкачество lline и макроскопическая однородность перовскита пленки являются ключевыми параметрами для достижения эффективных устройств ^18, влияние границ между поликристаллических доменами, происхождения и роли электронных дефектов в перовскита поглотителей, а также роль слоев сбора заряда при процессы потери в перовскита солнечных батарей еще не до конца изучены. Что касается характера электронных дефектов в структуре перовскита, было сообщено, что многие из дефектов, таких как I или Pb вакансий, в результате состояний, которые очень близки к или в пределах континуума состояний в зоне проводимости и валентной, которые может оказать негативное воздействие на электронное фотогальванических устройств ^19. Кроме того, сильная ковалентная связь взаимодействия между свинцовыми катионов и анионов йодида в перовскитном плоскости может привести к существованию собственных дефектов (например, при скоординированы Pb димеры и тримеры I), которые могли бы создающихе участки в пределах полосы-ребра , которые действуют как центры рекомбинации заряда во время работы устройства ^20.

Здесь мы исследуем влияние легирования CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскита с одновалентных катионов галогениды, включая Na ^+, Cu ⁺ и Ag ^+, ионов металлов ниже валентности , чем Pb ^2+. Поэтому мы включать эти катионы за счет добавления рационального количества их галоидных на основе солей (например, NaI, CuBr, CuI, и AGI) в раствор предшественника перовскита. Эти катионы имеют ионные радиусы , подобный Pb ^2+, поэтому допингом в пределах замещения кристалла вероятен. Мы показали, что присутствие этих катионов сильно влияет как на морфологию и покрытие слоя перовскита. Кроме того, присутствие этих катионов (например, Na ⁺ и Ag ⁺⁾ была подтверждена с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и significanизменение т на уровне Ферми перовскита измеряли с помощью зонда Кельвина-силовой микроскопии (KPFM). Объединив эти катионы в текущем последовательно осажденных перовскита солнечных элементов, мы добились улучшения в эффективности фотоэлектрического ПСХ (15,6% по сравнению с 14%). Поэтому очень важно , чтобы усилить структурные и оптико - электронные свойства поглощающий слой (например, типа перовскита) в архитектуре солнечных батарей , чтобы максимизировать перенос заряда и для пассивации поверхности ловушки, чтобы достичь максимальной производительности PV.

Протокол

1. Синтез и осаждение нетронутых и добавок на основе CH ₃ NH ₃ PbI ₃

ПРИМЕЧАНИЕ: Все растворы готовили внутри перчаточного ящика аргона под влаго- и кислорода контролируемых условиях (H ₂ O уровень: <1 промилле и O ₂ уровень: <10 частей на миллион).

Растворить 553 мг (1,2 М) PbI ₂ в 1 мл N, N - диметилформамид (ДМФ) при постоянном перемешивании при температуре 80 ° C.
Добавить 0,02 М одновалентных катионов галогенидов к раствору PbI _2.
Спин-пальто полученный желтый прозрачный раствор наносят на подложку (например, мезопористый-TiO ₂₎ в течение 30 с при 6500 оборотов в минуту с рампой 4000 оборотов в минуту.
Выпекать фильмы на плитке при 80 ° С в течение 30 мин.
Растворите 40 мг йодида метиламмония (МАИ) в 5 мл изопропанола.
Спин-пальто достаточное количество раствора MAI на полученных пленок свинца йодида с использованием двухступенчатой protocола, который включает в себя 45 с загрузки с последующим 20 с формованием при 4000 оборотах в минуту.
Прокалить спиновые покрытием перовскита пленок на плитке при 100 ° С в течение 45 мин.

2. солнечных батарей Изготовление

подготовка основания
1. Узор фтором, легированного оксида олова (FTO) -покрытие стекло.
  1. Накройте активную область стекла FTO с полупрозрачной клейкой лентой.
  2. Налейте цинка (Zn) порошка на непокрытых областях подложки FTO.
  3. Приготовьте 2 М соляной кислоты (HCl) в дистиллированной воде.
  4. Налейте раствор HCl на части стекла FTO, которая покрыта цинком порошком.
  5. Промыть FTO водой и удалите ленту.
2. Очистка подложки
  1. Промыть стекло FTO с использованием 2% (вес / объем) моющего средства.
  2. Разрушать ультразвуком протравленных подложках FTO в ацетоне и изопропаноле (IPA) в течение 10 мин.
  3. Относитесь к субстраты FTO с ultraviolet / O ₃ уборщик в течение 15 мин.
Отложение блокирующего отверстия слоя
1. Добавить 0,6 мл титана diisopropoxide бис (ацетилацетонат) (ТАА) в 7 мл IPA.
2. Положите очищенные и узорных подложки FTO на плитке при 450 ° С и покрывают площадь контакта перед нагреванием.
3. Спрей пиролиз раствора ТАА на непокрытые области с помощью O ₂ в качестве газа - носителя.
4. Оставьте образцы при 450 ° С в течение 30 мин.
Отложение транспорта электронов слоя
1. Развести коммерческой TiO ₂ пасты (30-нм размер частиц) с этанолом (2: 7, весовое соотношение).
2. Перемешать разбавление TiO ₂ путем обработки ультразвуком в течение 30 мин.
3. Спин-пальто из диоксида титана на разведение приготовленных образцов с компактными TiO ₂ слоя в течение 30 секунд при 5000 оборотах в минуту с трапа 2000 оборотов в минуту.
4. Прокалить оксид титана пленки при 500 ° С в течение 30 минутминимум
5. Treat результирующие мезопористые TiO ₂ фильмы в 40 мМ раствора TiCl ₄ в дистиллированной воде при 70 ° С в течение 20 мин.
6. Прокалить -обработанной пленки TiCl ₄ при 450 ° С в течение 30 мин.
Отложение слоя перовскита
Примечание: В качестве подложек FTO с титаноксидных слоями были переданы в коробку сухого воздуха с влажностью <1% для остальной части процесса изготовления.
1. Спин-пальто подготовленные йодида свинца растворы (с и без легирующих примесей) на мезопористого TiO ₂ в течение 30 с при 6500 оборотах в минуту с рампой 4000 оборотов в минуту.
2. Выпекать фильмы на плитке при 80 ° С в течение 30 мин.
3. Спин-пальто достаточное количество раствора MAI в результате пленок свинца йодида с использованием протокола двухступенчатый, который включает в себя 45 с загрузки с последующим спиннинг в течение 20 с при 4000 оборотов в минуту с трапа 2000 оборотов в минуту.
4. Прокалить спин-покрытием перовскита пленок на hotplaт.е при 100 ° С в течение 45 мин.
Осаждение отверстия транспортного слоя
1. Добавить 72,3 мг спиро-OMeTAD до 1 мл хлорбензола и трясти до тех пор, пока раствор не станет прозрачным.
2. Получением концентрированного раствора бис (trifluoromethylsulphonyl) имида (LiTFSI) путем добавления 520 мг LiTFSI в ацетонитриле.
3. Добавить 17,5 мкл исходного раствора LiTFSI и 28,8 мкл 4 - трет - -butylpyridine (ТБФ) к раствору спиро-OMeTAD.
4. Спин-Coat выше раствора в течение 30 с при 4000 оборотов в минуту с трапа 2000 оборотов в минуту.
Термическое испарение верхнего контакта
1. Маска образцы и поместить их в вакуумной камере испарителя.
2. Выпаривают 80 нм золота со скоростью 0,01 нм / с.

Результаты

Полевая эмиссия сканирующей электронной микроскопии (FESEM) использовали для записи обоих поперечного сечения изображения сфабрикованных перовскита солнечных элементов (рисунок 1) и сверху изображения осажденных PbI ₂ и CH ₃ NH ₃ PbI ₃ фильма (рисунок 2). Рентгеновской дифракции (XRD) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) были использованы для характеристики структурных свойств перовскита пленок (3 и 4). Фототермический прогиб спектроскопии (ПДС) и зонда Кельвина - силовой микроскопии (KPFM) были использованы для исследования оптических и электрических свойств пленок перовскита, соответственно (рисунки 5 и 6). Кроме того, измерения массовых грузов в зависимости от температуры на основе пространственного заряда ограниченным током (МРЛ) проводили на перовскита устройств (рисунок 7). И, наконец, стандартный photovoltaIC измерение изготавливаемых устройств была выполнена (рисунок 8 и таблица 1).

На основе верхней точки зрения SEM образы PbI ₂ и CH ₃ NH ₃ PbI ₃ осаждается на мезопористого TiO ₂ слоя (МП-TiO ₂₎ , показанной на рисунке 2, влияние добавок на морфологии перовскита было показано , где большая ветвь образный кристаллы PbI ₂ были достигнуты в Най основе образца. Это привело к образованию более крупных асимметричных кристаллов перовскита. Кроме того, мы получили единую и обскура свободных перовскита укупорки слой для образцов CuI- и AgI основе (рис 2с и 2е). Для того, чтобы исследовать влияние одновалентного катиона галоидных добавок на кристаллическую структуру CH ₃ NH ₃ PbI ₃ и на превращении PbI ₂ в CH ₃ NH ₃ PbI_3, рентгеновской дифракции проводили (рисунок 3). Хотя кристаллическая структура конечного перовскита оставалась одинаковой для всех образцов, то очевидно , что дифракционный пик при 2 = 12,6, что соответствует непрореагировавшего PbI _2, было устранено в присутствии NaI и CuBr добавок. Для того чтобы подтвердить наличие этих одновалентных катионов в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскитовых пленки, мы провели анализ XPS, как показано на рисунке 4. На основании данных XPS, мы показали наличие ионов Na и Ag в пределах перовскита пленок, в то время как концентрация меди не может быть оценена, вероятно, из-за близости йодид (I 3P1 / 2) и меди (Cu 2p1 / 2) пики.

Эффект одновалентного катиона добавок на спектре поглощения перовскита показано на рисунке 5а, которое было измерено с помощью PDS.Очевидно , что добавка на основе CH ₃ NH ₃ PbI ₃ имели более низкое поглощение суб немаг- по сравнению с нетронутым образцом. Кроме того, наблюдался хвост поглощения для Cu на основе образцов, которые произошли из собственного поглощения меди галогенида (5б). Хотя хвост поглощения подтверждает наличие катионов меди в конечных перовскита пленках, то очевидно, основано на сравнении между ПДС Кюи на основе PbI ₂ и СН ₃ NH ₃ PbI _3, что их включение не является полным. Кроме того, энергия Урбаха (ЕС), который является мерой степени энергетического расстройства материала, была оценена в нетронутом, NaI-, CuBr-, CuI- и AgI, на основе перовскита, а значения 15,6, 11,8, 12,8, 13,5, и 15,2 мэВ, соответственно (вставка фиг.5А).

Для того, чтобы исследовать влияние вышеупомянутых добавок на ЭлектрОНИК структура CH ₃ NH ₃ PBI _3, мы провели KPFM, где была измерена разность контактный потенциал (CPD) профилей линий. Это соответствует поверхностной работе (Ф) перовскита , показанном на фиг.6. Явный сдвиг в НПР (т.е. 0,1 В) добавки на основе перовскита по сравнению с нетронутым один показывает , что перовскита уровень Ферми смещается в сторону валентной зоны. Это изменение уровня Ферми перовскита можно отнести либо замещающего р-легирования (например, замена Pb ²⁺ с одновалентных катионов X ⁺⁾ или пассивации поверхности на кристаллических поверхностях перовскита.

Для того, чтобы исследовать влияние легирования на плотности зарядов и их транспортных свойств в CH ₃ NH ₃ PbI _3, мы провели объемные измерения транспортных зависящих от температуры (рис 7а ). Затем мы оценили подвижность балкер (μ _SCL) на основе пространственного заряда ограниченный ток (МРЛ) полного электрона и перовскита устройств дырочного только нетронутые и присадка на основе. Замечательным увеличение проводимости и в обоих электронов и дырок были достигнуты, в частности , для образцов NaI и CuBr по сравнению с девственной перовскита (таблица 1). Следует отметить , что улучшение подвижности зарядов и проводимости согласуются с усилением в ток короткого замыкания (J _SC) и коэффициент заполнения (FF) из сфабрикованных солнечных элементов , показанных на рисунке 7b. Кроме того, мы оценили энергию активации переноса заряда (Е _А) как для электрона и дырки с использованием объемных измерений транспортных зависящих от температуры, где явное снижение было достигнуто за добавку на основе перовскита. Это улучшение связано с более высокой плотности носителей из-за легирования и заправочной гое транспортные ловушки, что приводит к существенному снижению транспортного барьера.

Мы сфабрикованы перовскита солнечных элементов на основе вышеуказанных одновалентного катиона галогены, соответствующими кривыми СП, а также параметров фотогальванических, которые показаны на рисунке 8а и в таблице 1. Значительное улучшение напряжения холостого хода была достигнута для обоих CuI- (0,99 V) и AgI- (1,02 V) на основе солнечных батарей из-за идеальной поверхности покрытия (рис 2с и 2е). Кроме того, значительное увеличение тока короткого замыкания (≈2 мА см ^-2) для CuBr- и солнечных элементов на основе NaI была достигнута, что можно приписать полной конверсии PbI ₂ в CH ₃ NH ₃ PBI _3. Это улучшение было подтверждено спектрами падающего фотона к току КПД преобразования (IPCE) , показанной на рисунке 8б. И, наконец, чэффективность преобразования мощности igher (PCE) уровни 15,2%, 15,6% и 15,3% были достигнуты NaI-, CuBr- и устройства НПИ на основе, соответственно, по сравнению с величиной 14,0% для нетронутого перовскита солнечных батарей.

figure-results-1
Рисунок 1: Мезоскопическая перовскита архитектура солнечных батарей. СЭМ микрофотография поперечного сечения полного устройства со следующей структурой: FTO / компактный TiO ₂ / мезопористый-TiO ₂ / CH ₃ NH ₃ PbI ₃ / Спиро-OMeTAD / Au.

figure-results-2
Рисунок 2: Морфологический анализ йодида свинца и перовскита структур. Вид сверху СЭМ изображения PbI ₂ (левая сторона) и CH ₃ NH ₃ PBI ₃ (правая сторона) структуры: (а) нетронутые, ( Rong> б) CuBr-, (с) CuI-, (d) NaI-, и (е) AgI на основе перовскитовых образцы , осажденные на мезопористого TiO ₂ -покрытие FTO. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3: Влияние одновалентного катиона галоидных добавок на перовскита кристалличности. Рентгеноструктурный спектры нетронутых и аддитивной на основе CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскита , который выращивается на мезопористого TiO ₂ пленки, который нанесен на стекло FTO покрытием. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18.т = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4: Трассировка одновалентных катионов в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ со структурой перовскита. XPS анализ нетронутых, CuBr-, CuI-, NaI- и AgI на основе перовскита пленок. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 5: Оптические свойства пленок перовскита. (А) Спектры поглощения перовскита пленок , полученных из нетронутых и добавок на основе свинца источников измеряется с использованием метода ПДС.вставке показаны соответствующие энергии Урбах для всех образцов. Строка ошибки определяется СД в установке урбаховского хвоста. (Б) Сравнение спектров поглощения PDS девственных и йодида свинца CuBr на основе и перовскита пленок, а также CuBr , осажденный на MS-TiO ₂ и CuBr-только фильмов. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-6
Рисунок 6: Влияние одновалентного катиона добавок на поверхности потенциала перовскита пленок. профили CPD линии, записанные из нетронутых и добавок на основе перовскита пленок с использованием KPFM. Рельеф изображения АФМ показан на вершине. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ¹⁸ , Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-7
Рисунок 7: Charge транспортные характеристики перовскитоподобных пленок. (А) СП характеристики дырочных только устройств (ITO / PEDOT: PSS / перовскита / Au), используемых для оценки ГКЗК подвижности дырок. Следует отметить, что плотность тока (J), масштабируется с толщиной слоев перовскита. (Б) тенденции в _СБН J, ц _ч, ц _е для нетронутых и присадок на основе перовскита. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

т "ВОК: Keep-together.within-страница =" 1 "> figure-results-8

Рисунок 8: Фотоэлектрические характеристики. (А) вольт-амперные характеристики устройств под освещенности 100 мВт / см ^_2, полученные с использованием различных типов одновалентных катионов галогенидов добавленных к раствору свинца источника. (Б) падающего фотона к эффективности тока (IPCE) спектры в зависимости от длины волны монохроматического света для нетронутых, CuBr-, CuI-, NaI- и AgI , на основе перовскита солнечных элементов. Эта цифра была воспроизведена со ссылкой ^18. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Тип образца	J _SC	V _OC	FF	PCE	μ _е	μ _ч	E _А ^{^}	E _A ^ч
	(мА · см ^-2)	(V)		(%)	(см ² / Vs)	(см ² / Vs)	(мэВ)	(мэВ)
нетронутый	21,03	0,95	0,70	14.01	0,02	0.008	135	198
CuBr	22.92	0,95	0,72	15.61	0,05	0,04	88	132
CuI	21,81	0,99	0,71	15.25	0,02	0.036	94	157
NaI	22.97	0,9	0,73	15.14	0.04	0,07	77	137
AgI	19,24	1,02	0,72	14.18	0.005	0.006	105	177

Таблица 1: Фотоэлектрические и заряда транспортные параметры PSC. Краткое описание параметров, полученных из фотогальванических измерений СП и заряда подвижностей, наряду с энергией активации нетронутых и добавок на основе перовскита солнечных батарей, которые показывают лучшую производительность и были Fabricated с использованием метода осаждения из двух этапов. Следует отметить, что статистика фотогальванических параметров следуют той же тенденции, что и самые эффективные устройства. Эта таблица была воспроизведена со ссылкой ^18.

Обсуждение

Типичная архитектура мезоскопиче- перовскита солнечных батарей был использован в этой работе, где ряд материалов были спин-покрытием между подложкой и термически испаряемого металлического контакта (рисунок 1). Мезопористого TiO ₂ слоя обрабатывают TiCl _4, который , как сообщается, пассивации поверхности ловушки и улучшения взаимодействия между переноса электронов слоем и поглощающим материалом ^{^21,} ^22. Перовскитоподобная слой затем осаждают с использованием техники последовательного осаждения из двух этапов. Полное превращение свинца галогенида в перовскита на второй стадии имеет важное значение для достижения максимально поглощения света ^{^16,} ^17, и мы показали , что в качестве галогенида добавки одновалентного катиона (например, NaI и CuBr) приводит к полной конверсии. Кроме того, полное покрытие мезопористого диоксида титана слоя шIth перовскита над слоем имеет жизненно важное значение для устранения потенциальной рекомбинации между отверстием транспортного уровня (например, Спиро OMETAD) и переноса электронов слоя (например, мезопористого TiO ₂₎ ^23. Мы показано , что добавление одновалентного катиона галогениды (например, CuI и AgI) может улучшить охват поверхности перовскита укупорки слоя, что приводит к увеличению напряжения холостого хода для устройства.

Основное преимущество нашего метода является стадия легирования, где мы включили одновалентных катионов в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ структуры для повышения плотности зарядов, перенос заряда и проводимость слоя поглотителя. Как было указано в предыдущем разделе, вышеупомянутые легирующие значительно расширены как электрон и дырок. Кроме того, значительное снижение энергии активации переноса заряда, а также в энергетическом расстройством Перовскоготе пленки, было достигнуто за счет легирования одновалентного катиона.

В этой работе мы продемонстрировали метод Dope CH ₃ NH ₃ PBI ₃ в качестве поглотителя слоя в мезоскопическом структуре перовскита солнечных батарей. Одновалентного катиона галогениды были использованы для настройки морфологические, оптические и электрические свойства CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскита пленки с целью повышения эффективности фотоэлектрической. Таким образом, мы включили три различных одновалентных катионов (т.е., Na ^+, Cu ⁺ и Ag ^+), которые имеют сходные ионные радиусы для Pb ^2+, в ведущем источнике в последовательном двухступенчатого осаждения CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , В результате значительное улучшение в структурных и оптико - электронных свойств CH ₃ NH ₃ PbI ₃ происходило в присутствии таких добавок, что приводит к более высоким ПХЭ для изготавливаемых солнечных батарей. Таким образом, наша работа приветghlights легкий путь легирования CH ₃ NH ₃ PBI ₃ как поглощающий слой, который может быть использован во всех других конфигураций перовскита солнечных элементов (например, плоская архитектура) с целью дальнейшего улучшения качества электронного перовскита тонких пленок.

Данные, лежащие в основе этого документа доступны по адресу: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

М. Абди-Jalebi благодаря Нава Technology Limited для доктора философии науки. М. И. Дар и M.Grätzel поблагодарить короля Абдель Азиза науки и техники (ЦНТ) и Швейцарский национальный научный фонд (SNSF) за финансовую поддержку. Авторы хотели бы поблагодарить д-р Пьер Mettraux в молекулярной и гибридных характеристик материалов Центр, EPFL для проведения измерений XPS. A.Sadhanala с благодарностью отмечает финансовую поддержку со стороны проекта индо-UK APEX. ИП Senanayak признает Королевское общество Лондона для Newton Fellowship. RH Друг, М. Абди-Jalebi, и А. Sadhanala хотел бы отметить поддержку со стороны EPSRC.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Стекло, легированное фтором оксидом олова (FTO) Sigma-Aldrich		735264-1EA	Удельное сопротивление≈ 13 Ω/sq
Цинковый порошок	Sigma-Aldrich	96454	Молекулярная масса 65,39
Соляная кислота	Сигма-Олдрич	84415	≥ 37 мас. %
Хеллманекс моющее средство	Сигма-Олдрич	Z805939-1 шт	1 л&nb.л;
Диизопропоксид титана бис(ацетилацетонат)	Сигма-Олдрич	325252	75 масс. % в изопропаноловой
титановой пасте	DYESOL	MS002300	30 NR-D прозрачной титановой пасты
Lead(II) йодид	Sigma-Aldrich	211168	99 масс. %
N,N-диметилформамид	Сигма-Олдрич	437573	реагент ACS, ≥ 99,8%
Метиламмония йодид	ДИЕСОЛ	MS101000	порошок
SpiroMeOTAD	Sigma-Aldrich	792071	99% (ВЭЖХ)
Bis(трифторметан)сульфонимид литиевая соль	Sigma-Aldrich	544094	99,95% микропримесей металлов
4-tert-Бутилпиридин	Sigma-Aldrich	142379	Чистота: 96%
Хлорбензол	Сигма-Олдрич	284513	безводный, 99,8%
2-пропанол (IPA)	Сигма-Олдрич	278475	безводный, 99,5%
Этанол	Sigma-Aldrich	2860	абсолютный спирт, без присадок, ≥ 99,8%

Ссылки

Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307(2016).
Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
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).
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).
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).
Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).