Одновалентного катиона легирование CH

Общая цель данной процедуры заключается в улучшении оптоэлектронных свойств галогенидного перовскита свинца путем легирования одновалентными катионами для создания высокоэффективных перовскитных солнечных элементов. Внедрение одновалентных катионов в галогенидный перовскит свинца значительно повышает качество полупроводника и фотоэффект данного материала. Добавление рационального количества недорогих легирующих одновалентных катионов в перовскитные материалы увеличивает подвижность зарядов и снижает энергетический беспорядок на порядок.

Для начала сравнения подложки используйте полупрозрачную акриловую клейкую ленту, чтобы закрыть 2/3 проводящей стороны предметного стекла с покрытием FTO. Затем покройте открытые участки цинковым порошком. Для травления подложки залейте стекло раствором 2 молярной соляной кислоты в дистиллированной воде.

С помощью ватного тампона удалите остатки вещества с открытых участков предметного стекла. Промойте травленый субстрат FTO дистиллированной водой, после чего снимите ленту. Промойте травленую поверхность в 2% (по массе к объему) растворе концентрированного щелочного жидкого моющего средства и воды.

Поместите подложку FTO в ультразвуковые ванны с ацетоном и изопропанолом последовательно на 10 минут в каждой. Обработайте подложку FTO в очистителе с кислородной плазмой в течение 15 минут, чтобы завершить очистку протравленной подложки. Для нанесения сплошного блокирующего компактного слоя оксида титана сначала поместите протравленную и очищенную подложку FTO на нагревательную плитку при температуре 450 °C.

Сразу накройте область контакта предварительно вырезанным предметным стеклом и нагрейте подложку до 450 °C. Смешайте 0,6 мл TAA с 7 мл изопропанола. При температуре подложки 450 °C нанесите раствор TAA на подложку методом струйного пиролиза, используя воздух в качестве газа-носителя.

Выдержите образец при температуре 450 °C в течение 30 минут. Затем дайте образцу остыть до комнатной температуры. Снимите стеклянную крышку после того, как подложка остынет.

Для нанесения электронно-транспортного слоя сначала разбавьте пасту оксида титана с концентрацией 30 нМ этанолом в весовом соотношении 2:7. Обработайте суспензию ультразвуком в течение 30 минут. Затем нанесите суспензию на образец методом центрифугирования (spin-coating) в течение 30 секунд при скорости 5 000 об/мин с темпом разгона 2 000 об/мин в секунду.

Проведите отжиг титановой пленки при 500 °C в течение 30 минут для получения мезопористой пленки оксида титана. Затем погрузите образец в 40 мM раствор хлорида титана в дистиллированной воде. Выдержите образцы при 70 °C в течение 20 минут.

Прокалите образец, обработанный хлоридом титана, при 450 °C еще в течение 30 минут. Перенесите образец в перчаточный бокс, заполненный азотом, при влажности менее 1%. В инертной атмосфере с низким содержанием воды и кислорода добавьте 1 мл DMF к 553 мг иодида свинца. Нагревайте смесь до 80 °C при непрерывном перемешивании до полного растворения иодида свинца.

Затем приготовьте 0,02 М раствор выбранного галогенида одновалентного катиона в растворе иодида свинца. Нанесите 80 µL раствора галогенида одновалентного катиона в растворе иодида свинца на подложку. Выполните центрифугирование подложки в течение 30 секунд при 6 500 RPM со скоростью разгона 4 000 RPM в секунду.

Запекайте полученную тонкую пленку при 80 °C в течение 30 минут. Затем растворите 40 mg йодида метиламмония в 5 mL изопропанола. Поместите подложку, покрытую йодидом свинца, в центрифугу (спин-коатер) и нанесите 120 µL раствора MAI.

Оставьте раствор на подложке на 45 секунд, затем нанесите MAI на подложку методом центрифугирования в течение 20 секунд при 4, 000 RPM. Отжгите перовскитную пленку при 100 °C в течение 45 минут. Для нанесения всего транспортного слоя сначала добавьте 1 мл хлорбензола к 72.3 мг spiro-methoxyTAD.

Встряхивайте смесь до тех пор, пока раствор не станет прозрачным. Приготовьте основной раствор, растворив 520 milligrams лития TFSI в 1 milliliter ацетонитрила. Затем смешайте 17.5 microliters раствора лития TFSI в 28.8 microliters 4-трет-бутилпиридина с раствором spiro-methoxyTAD.

Нанесите данную смесь на образец методом центрифугирования в течение 30 секунд при 4 000 RPM с итоговой скоростью набора 2 000 RPM в секунду. Накройте образец маской для формирования верхних контактов солнечного элемента. Нанесите на образец слой золота толщиной 80 nanometer со скоростью 0.01 nanometer в секунду, чтобы завершить изготовление солнечного элемента.

Тонкие пленки чистого и модифицированного добавками перовскита сравнивали с соответствующими пленками иодида свинца. При использовании иодида натрия в качестве добавки методом FESEM были обнаружены крупные кристаллы иодида свинца древовидной формы, а также крупные асимметричные кристаллы перовскита. При использовании в качестве добавок иодида меди и иодида серебра наблюдались однородные, бездефектные слои перовскита.

Рентгеновская дифракция показала, что легирование катионами не повлияло на кристаллическую структуру перовскита. При использовании йодида натрия или бромида меди в качестве добавок пиков, соответствующих не вступившему в реакцию йодиду свинца, обнаружено не было. Метод силовой микроскопии кельвиновского зонда показал, что уровни Ферми легированного перовскита сместились в сторону валентной зоны.

Легированные образцы продемонстрировали повышенную проводимость по электронам и общую подвижность, особенно в образцах с иодидом натрия и бромидом меди. Также наблюдалось увеличение тока короткого замыкания и коэффициента заполнения. Более значительный рост тока короткого замыкания в ячейках на основе бромида меди и иодида натрия был обусловлен полным превращением иодида свинца и улучшенной подвижностью заряда.

Улучшение напряжения разомкнутой цепи наблюдалось для солнечных элементов на основе иодида меди и иодида серебра, что, вероятно, обусловлено их однородными поверхностями без микропор. Эффективность преобразования энергии солнечных элементов на основе иодида натрия, бромида меди и иодида меди была заметно выше, чем у чистого перовскитного элемента. Мы продемонстрировали простой метод легирования, совместимый с жидкофазным нанесением перовскита на основе метиламмония и галогенида свинца в качестве поглощающего слоя в структуре мезоскопического перовскитного солнечного элемента.

Оптоэлектронные и структурные свойства перовскитных материалов на основе галогенидов свинца можно настраивать путем контроля количества допантов — одновалентных катионов, что может привести к повышению эффективности фотоэлектрических преобразователей. Наш метод открыл исследователям в области фотовольтаики путь к изучению данной техники в других конфигурациях перовскитных солнечных элементов для дальнейшего улучшения электронного качества перовскитных тонких пленок.