Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

تأثير الهجين طرق Perovskite التصنيع على تشكيل السينمائي، التركيب الإلكتروني، وأداء الخلايا الشمسية

Published: February 27, 2017 doi: 10.3791/55084
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry, University of Cologne

Summary

نقدم دراسة موسعة عن آثار طرق تصنيع مختلفة ل/ غير العضوية الأغشية الرقيقة perovskite العضوية بمقارنة هياكل الكريستال، كثافة الحالات، ومستويات الطاقة، وأداء الخلايا الشمسية في نهاية المطاف.

Abstract

تم الهجينة العضوية perovskites هاليد / غير العضوية في الآونة الأخيرة موضوعا للاهتمام كبير في مجال تطبيقات الخلايا الشمسية، مع القدرة على تحقيق الكفاءة جهاز تتجاوز تقنيات جهاز رقيقة أخرى. ومع ذلك، ويتم الإبلاغ عن تغيرات كبيرة في كفاءة الجهاز والخصائص الفيزيائية الأساسية. ويرجع ذلك إلى اختلافات غير مقصودة أثناء معالجة الفيلم، الذي لم يتم التحقيق فيها بشكل كاف حتى الآن هذا. لذا، أجرينا دراسة موسعة من التشكل والتركيب الإلكتروني من عدد كبير من CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite حيث تبين لنا كيف أن طريقة التحضير فضلا عن نسبة خلط من يوديد educts methylammonium والرصاص (II) خصائص تأثير يوديد مثل تشكيل الفيلم، التركيب البلوري، كثافة الحالات، ومستويات الطاقة، وأداء الخلايا الشمسية في نهاية المطاف.

Introduction

وقد اجتذبت التقنيات فيلم الضوئية رقيقة اهتماما كبيرا في البحث عن تطبيقات الخلايا الشمسية نظرا لاستهلاك المواد منخفضة، وتطبيق على ركائز مرنة. أبرزها، وقد أثبتت المواد perovskite العضوية / غير العضوية هاليد أن تكون طبقات نشطة قابلة للحياة في أجهزة الخلايا الشمسية، مما يؤدي إلى كفاءة عالية. Perovskites تتميز خصائص مفيدة مثل ارتفاع معامل الامتصاص 1، تهمة عالية الناقل التنقل 2، وانخفاض الأكسيتون الطاقة 3 ملزمة. طبقات Perovskite يمكن أن تنتج عن طريق حل مختلف أو مرحلة على أساس أساليب تصنيع البخار باستخدام منخفضة مواد السلائف تكلفة مثل الرصاص (II) يوديد (PBI 2) ويوديد methylammonium (MAI). بهذه الطريقة يسمح لإعداد سهل من الأفلام التبلور عالية باستخدام درجات حرارة تصنيع منخفضة مقارنة مع خلايا السليكون الشمسية المتوفرة تجاريا.

فقد كان SHOسفل أن العديد من المعلمات لديها تأثير قوي على أداء الخلايا الشمسية perovskite، وأبرزها التشكل الفيلم، كما أنه يؤثر على طول الانتشار الأكسيتون والتنقل تهمة الناقل. نيه وآخرون. أظهر ذلك عن طريق تحسين التشكل من الأفلام perovskite، بخصوص التغطية ومتوسط حجم الكريستال، والطاقة الشمسية زيادة أداء الخلية 4، 5. وقد تبين مورفولوجية أن تتأثر (ط) اختيار مادة أولية (مثل استخدام خلات الرصاص 6)، (ب) المضافة الجزيئية (مثل NH 4 الكلورين) 7، (ج) اختيار المذيب، (د) الحرارية الصلب في جو من المذيبات (مثل التولوين أو الكلوروبنزن 8)، وعلى وجه الخصوص (ت) اختيار طريقة تحضير 9. العمليات القائمة على حل مثل خطوة واحدة أو خطوتين نتيجة تدور طلاء في الخلايا الشمسية مع الكفاءات تتجاوز 17٪ 4 </ سوب>، 10، 11، 12 بينما الخلايا الشمسية perovskite المودعة فراغ ينتج كفاءات 15.4٪ 13.

وقد تبين أن زيادة PBI 2 في طبقات perovskite هو مفيد لأداء الخلايا الشمسية بسبب وجود رصيد الناقل محسن من قبل التخميل من الفيلم perovskite من PBI 2 في حدود الحبوب 14. ومع ذلك، فقد تم القيام به القليل من العمل لفهم دور آثار العناصر المتفاعلة على مواد بلاستيكية perovskite.

في هذه الورقة نقدم دراسة موسعة على مجموعة واسعة من الأفلام perovskite أعدت بشكل مختلف، وإظهار كيف أن أساليب إعداد والنفوذ السلائف رياضيات الكيمياء التشكل، التبلور، كثافة الحالات، تكوين الفيلم، وأداء الخلايا الشمسية. ويقدم لمحة شاملة، بدءا من تلفيق لتصوير characteriاإلثيوبية كل وسيلة لأداء الجهاز.

Protocol

1. ايتو ركائز

ملاحظة: للحصول على تحسين الاتصال عينة وتجنب التقليل من الأجهزة، وركائز الزجاج ايتو المغلفة يجب أن تكون على نمط باستخدام الطباعة الحجرية والحفر. تداخل القطب العلوي والسفلي يحدد منطقة نشطة للخلايا الشمسية المنتجة.

  1. قطع أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) المغلفة لوحة من الزجاج مع قطع الزجاج لانتاج 2.5 سم في 2.5 سم ركائز.
  2. الغراء تسمية على شكل دائري (قطر = 1.6 سم) في وسط لايتو مغطاة الركيزة.
  3. حفر ايتو عن طريق وضع ركائز في الهيدروكلوريك 1 M FeCl 3 الحل عند 60 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  4. تنظيف بالتتابع ركائز مع الكلوروفورم، والأسيتون ومحلول الصابون (2٪) في حمام بالموجات فوق الصوتية.
  5. شطف مرة أخرى مع الماء المقطر والجافة تحت N 2 التدفق.

2. المعالجة بالأوزون من ركائز ايتو

ملاحظة: من أجل إزالة الشوائب العضوية، ركان ايتو ركائز يجب أن تكون ozonized. هذا ينشط سطح مؤآسدة ويزيد من خصائص ترطيب الركيزة، وهو أمر حاسم بالنسبة لترسب استنساخه من طبقات لاحقة.

  1. جبل ايتو ركائز على صاحب العينة ووضعه في غرفة المعالجة بالأوزون.
  2. تضيء لمدة 10 دقيقة تحت (الغلاف الجوي) الأكسجين مع مصباح الأشعة فوق البنفسجية (20 W) الذي يولد الأوزون.

3. ترسب من PEDOT: PSS هول لجمع الاتصال

ملاحظة: فيلم بولي (3،4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) وأودعتها طلاء تدور من تعليق مائي في ظل الظروف المحيطة (25-40٪ الرطوبة النسبية). وتستخدم هذه الطبقة كما حفرة جمع الاتصال وميزات وظيفة عمل عالية، ويقلل من الثقوب، ويؤدي إلى زيادة استنساخ الأجهزة.

  1. وضع 150 ميكرولتر من PEDOT: جهاز الأمن الوقائي في تعليق الماء (1.5٪) مع حقنة على الركيزة بعد تصفية ترولاف مرشح 0.45 ميكرون.
  2. تدور معطف باستخدام سرعة دوران 2500 دورة في الدقيقة لمدة 25 ق وجاء مباشرة من 4000 دورة في الدقيقة لمدة 5 ق مع تسارع من 4000 دورة في الدقيقة / ثانية لكل منهما. هذا الإجراء يؤدي إلى 40-45 نانومتر PEDOT سميكة: الأفلام جهاز الأمن الوقائي.
  3. إزالة المياه المتبقية من الفيلم والصلب حراريا ركائز على موقد في 150 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة في الهواء.

4. ترسب طبقات Perovskite

الحذر: يؤدي يوديد (PBI 2) شديد السمية للإنسان. حتى كميات صغيرة خطيرة للغاية بالنسبة للأنظمة العصبي، والمكونة للدم، الكلى، والكبد. التعامل مع قيادة تحتوي على حلول الرعاية.
ملاحظة: يتم إعداد الأفلام perovskite التحقيق في هذه الورقة من قبل خمس طرق مختلفة باستخدام PBI 2 و CH 3 NH 3 I (MAI) كمواد السلائف. من أجل تجنب تدهور 15، تلفيق الأفلام والأجهزة وتوصيف لها أن بالبريد تتم تحت جو خامل، على سبيل المثال في N 2 شغل في علبة القفازات (معالجة الحل) أو في ظل فراغ (ترسيب البخار).

  1. تجهيز الحل
    1. ترسب متسلسل
      1. وضع الركيزة على المغطي تدور وإسقاط 150 ميكرولتر PBI 2 الذائبة في N، N-ثنائي ميثيل الفورماميد، DMF (400 ملغ / مل) مع ماصة على الركيزة.
      2. تدور معطف على الفور في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية.
      3. تراجع PBI 2 الأفلام في MAI حلت في الأيسوبروبانول (10 ملغ / مل) لمدة 40 ثانية أو حل انخفاض MAI على PBI 2 فيلم المجفف وتترك هناك لمدة 40 ق.
      4. معطف تدور حل MAI المتبقية في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية قبالة الركيزة.
      5. الحرارة لمدة 15 دقيقة في 100 درجة مئوية عن طريق وضع الركيزة على موقد.
    2. شارك في حل:
      1. حل كل من PBI 2 و MAI في نسبة المطلوبة (مثالي 1: 1 نسبة الرحى) في DMF لتكوين محلول السلائف مع تركيز 250 ملغ/ مل.
      2. اثارة حل السلائف عند 50 درجة مئوية لمدة 5 ساعة على الأقل.
      3. ركائز سخن مغطاة PEDOT: جهاز الأمن الوقائي في 50 درجة مئوية لمدة 5 دقائق على موقد.
      4. لضمان زيادة التكاثر في جميع أنحاء سلسلة جهاز واحد، وخلق جو التولوين التي تتساقط كمية صغيرة من المذيب (200 ميكرولتر) داخل وعاء المغطي تدور في حين تدور طلاء طبقة perovskite.
      5. وضع 150 ميكرولتر حل السلائف (من 4.1.2.1) على الركيزة.
      6. تدور معطف طبقات perovskite في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية من هذا الحل السلائف. تدور معطف طبقة واحدة من المواد perovskite في الركيزة.
      7. تسخين طبقات perovskite مما أدى لمدة 30 ثانية في 110 درجة مئوية على موقد.
    3. مضافة الجزيئي:
      1. شارك في حل NH 4 الكلور (18-20 ملغ / مل) في حل تدور طلاء (كما هو موضح في 4.1.2.1) لضمان تشكيل أفضل فيلم. المضي قدما كما كان من قبل.
        ملاحظة: هذا هو بديل لإضافة المشارك ذلكlution من 4.1.2.
  2. فراغ ترسب
    1. الإجراء العام
      1. تحميل ركائز تنظيفها في النظام فراغ واخلاء منازلهم.
      2. بعد أن يتم التوصل إلى الضغط من 10 -7 م بار، بنقل العينات الى غرفة التبخير ويحمي تشغيله من مصادر التبخير مع مصراع.
      3. تسخين المصدران التي تحتوي على مواد السلائف إلى حوالي 330 درجة مئوية لمدة PBI 2 و 140 درجة مئوية لمدة MAI. كن على علم بأن الضغط في غرفة سيرتفع الى حوالي 10 -4 ميليبار بسبب الطبيعة المتقلبة للMAI.
      4. معايرة معدلات التبخر لاثنين من المواد باستخدام أحد رصد الكوارتز الكريستال (QCM) وضعه على مقربة من مصدر في حين أن الآخر هو في موقف العينة. تسخين المادة إلى درجة حرارة التبخر والكتابة في وقت واحد أسفل سمك كل منها هو مبين على حد سواء QCMs. حساب معامل الأدوات من قبل نسبةمن القيمتين. لحساب سماكة استخدام 6.16 و 1.23 جم / سم -3 لPBI 2 و MAI، على التوالي.
    2. شارك في التبخر
      1. ضبط معدلات PBI 2 إلى MAI إلى ما يقرب من 1: 2 عن طريق زيادة أو خفض درجة حرارة المصادر لتحقيق فيلم perovskite الصحيح stoichiometrically.
      2. فتح مصراع أمام العينة لبدء الترسيب. بعد الوصول إلى سمك المقصود، إغلاق مصراع الكاميرا وبدوره التدفئة من المصادر.
      3. تسخين الأفلام لمدة 1 ساعة عند 70 درجة مئوية داخل فراغ الغرفة لإزالة مركبات طيارة وتشكيل الفيلم الكامل.
    3. تبخر متسلسل
      1. خفض درجة الحرارة من مصدر MAI مرة أخرى دون نقطة التبخر (حوالي 100 درجة مئوية). وتسخين مصدر PBI 2 حتى يبدأ التبخر. إيداع 50 نانومتر من الذهب الخالص PBI 2.
      2. بعد ذلك، تهدئة PBI 2مصدر وتتبخر 50 نانومتر من MAI بالمثل. للسمك أكبر كرر الخطوات 4.2.3.1 و4.2.3.2 بدلا من ذلك.
      3. تسخين الأفلام لمدة 1 ساعة عند 70 درجة مئوية داخل فراغ الغرفة لإزالة مركبات طيارة وتشكيل الفيلم الكامل.

5. إعداد خلايا شمسية

  1. حل متقبل فينيل-C 60 -butyric استر حمض الميثيل (PC 60 BM) في الكلوروبنزن بتركيز 20 ملغ / مل ويحرك المزيج لمدة يوم واحد على الأقل على موقد عند 50 درجة مئوية.
  2. إعداد طبقة perovskite (عملية المشارك حل مع المضافات) كما هو موضح من قبل (انظر 4.1.3).
  3. تهدئة طبقات perovskite ساخنة لمدة 30 ثانية على لوحة معدنية لدرجة حرارة الغرفة.
  4. وضع 150 ميكرولتر من الكمبيوتر 60 BM حل على الركيزة
  5. تدور معطف PC 60 BM في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية على رأس الفيلم perovskite مما أدى إلى 50 طبقات سميكة نانومتر.
  6. وضع ركائز المغلفة بالكاملفي صاحب العينة والغطاء مع قناع الظل لتتبخر اتصالات على أعلى طبقات نشطة.
  7. خدش واحد من الاتصالات مع مشرط من أجل اقامة اتصال إلى القطب الموجب ايتو.
  8. نقل إلى فراغ الغرفة لترسب القطب السالب أعلى للإتصال به.
  9. إيداع 10 نانومتر الألومنيوم في أقصى قدر من الضغط من ع = 3 × 10 -6 م بار بمعدل 0.5 A / S، مقاسا شاشة الكريستال الكوارتز. بعد نانومتر 10 أول معدل يمكن زيادة تصل إلى 2.5 A / S حتى يتم التوصل إلى سماكة طبقة من 100 نانومتر.
  10. أداء الكثافة الحالية مقابل الجهد (JV) قياسات الخلايا الشمسية باستخدام وحدة القياس مصدر في مجموعة من الجهد -0.5 إلى 1.5 V (خطوات = 0.02 V). لضمان عدم التباطؤ يظهر في خصائص المشروع المشترك، وقياس الاتجاه العكسي المسح كذلك، من خلال تجتاح التحيز من 1.5 إلى -0.5 V كذلك. استخدام جهاز محاكاة الشمسية (100 ميغاواط سم ²) معايرة باستخدام الضوئي السيليكون شهادة.

Representative Results

من أجل الحصول على نظرة شمولية على طرق تصنيع مختلفة للأفلام perovskite، فمن المهم أن الجمع بين الهيكلي، والإلكترونية، وتوصيف الجهاز. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ويعطي انطباعا جيدا من التشكل. لذلك، تم التحقيق في جميع الأفلام التي تنتجها طرق التصنيع المختلفة. ويرد فرعية ممثلة من الأغشية الرقيقة perovskite في الشكل 1، والذي يتصور تأثير كبير في طريقة التحضير على التشكل الفيلم.

من الناحية المثالية، هو المطلوب الفيلم مجانا على نحو سلس ودبوس حفرة للأجهزة. كما يمكن أن يرى، وهذا هو الحال بالنسبة لأفلام بخار المودعة (و، ز)، وتراجع المغلفة منها (د، ه)، والأفلام المحضرة من شارك في حل مع المضافات NH 4 Cl و الجو التولوين (A1 لA5) مع تفاوت نسبة R من PBI 2 إلى MAI من 0،6-1،4. على النقيض من ذلك، فإن الأفلام witho التحرير المضافة (ح)، فضلا عن تراجع مغلف بالمطاط (د، ه) وتلك المغلفة إسقاط (ب، ج) تظهر فراغات كبيرة، إبرة مثل الهياكل، أو خشونة سطح كبيرة، وبالتالي فهي ليست مفيدة لتطبيقات الجهاز.

شكل 1
الشكل 1: صور SEM من الأفلام perovskite من طرق المعالجة المختلفة التي أعدت. (A1 - A5) المشارك حل مع المضافات والغلاف الجوي التولوين مع نسبة مختلفة من PBI 2 إلى MAI (R) و (ب) إسقاط طلاء مع 40 ق وقت التحميل، (ج) إسقاط طلاء مع 120 ق وقت التحميل، ( د) طلاء تراجع (10 ثانية وقت التحميل) و (ه) طلاء تراجع (3600 ق وقت التحميل) و (و) شارك في التبخر، (ز) التبخر متتابعة، (ح) شارك في الحل دون المضافة. وتشير القضبان على نطاق ويبلغ طوله 1 ميكرون.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وأخيرا، الشكل 1 عرض A1-A5 الاختلافات في نسبة الخلط R من PBI 2 إلى MAI 0،6-1،4 باستخدام إعداد المشارك حل مع المضافات والغلاف الجوي التولوين. الاختلافات في التغطية السطحية والكريستال حجم المعرض أن تظهر الأشكال التضاريسية الفيلم هنا مختلفة أيضا.

على الرغم من أن وزارة شؤون المرأة هو وسيلة جيدة لتصور مورفولوجيا وتغطية الأغشية الرقيقة وللحصول على انطباع على خشونة الفيلم، وتعطى ولكن ليس لديه معلومات الهيكلية.

ولذلك، من أجل مزيد من تميز الأفلام perovskite، تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD). مع هذه التقنية باستخدام النحاس K α الأنود (λ = 1.54056 أ) مراحل وضوح الشمس في حدود 2θ بين 10 6؛ ورصدت 40 (حجم خطوة من 0.00836 °) درجة، وتميزت. في العديد من المنشورات ويستخدم حيود الأشعة السينية لتحديد نوعية الأفلام perovskite.

ويبين الشكل 2 قياسات حيود الأشعة السينية من مجموعة فرعية من العينات وجود ست نسب خلط مختلفة من PBI 2 إلى MAI، وبالتالي يتوافق مع الصور ووزارة شؤون المرأة في الشكل 1A1-A5. وبالإضافة إلى ذلك، يظهر الطيف النقي PBI 2. من هذا، وتأثير العناصر المتفاعلة في حل السلائف على نوعية طبقات perovskite، ومثل ظهور مراحل مختلفة، أي إدماج مراحل إضافية من PBI 2 و MAI، والتحقيق فيها. تظهر أطياف هيكل الكريستال رباعي الزوايا، وفهرستها انعكاسات بطائرات الكريستال المقابلة. والمثير للدهشة، لم يلاحظ أي مراحل إضافية لMAI أو PBI 2 في أفلام قبالة متكافئة.

الإقليم الشمالي "> الشكل 2
الشكل 2: نمط حيود الأشعة السينية من الذهب الخالص PBI 2، وكذلك عينات perovskite من طريقة شارك في حل (مع NH 4 Cl و الجو التولوين) التي أعدت باستخدام نسب المولي مختلفة من السلائف (نسب معينة من الأرقام على اليمين). للمقارنة، وتطبيع منحنيات إلى الذروة في 14.11 ° و تحول عموديا. أعيد طبعها بإذن من المرجع 16. حقوق التأليف والنشر 2015 ايلي VCH. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

كما حيود الأشعة السينية لم تقدم معلومات بشأن تشكيل الفيلم، يتم استخدام الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS)، التي هي قادرة على قياس مباشرة فيلم رياضيات الكيمياء. لهذا القياس لα مصدر الإثارة المغنيسيوم K (hν = 1252.6 فولتيستخدم) مع الطاقة تمريرة من 10 فولت (القرار الطاقة = 800 إلكترون فولت). يجب أن تؤخذ العوامل الحساسية النسبية (مراسلون بلا حدود) في الاعتبار لكل عنصر قياس على حدة. على هذا النحو، فمن المهم لمعايرة RSFs لنظام القياس لدينا (المغنيسيوم K مصدر α، الزاوية بين مصدر الأشعة السينية ومحلل 50.0 درجة). استخدمنا عددا من الجزيئات الصغيرة لمعايرة ذروة اليود مع Tris- (4 iodphenyl) -amine (C 18 H 12 I ن 3)، ومعايرة الرصاص عبر PBI 2. ويستخدم الكربون كمرجع، على هذا النحو مع مراسلون بلا حدود (C1S) = 1، وبالتالي فإن العوامل مراسلون بلا حدود للعناصر الفردية. مراسلون بلا حدود (N1s) = 1.8، مراسلون بلا حدود (I3d 02/05) = 32.8، ومنظمة مراسلون بلا حدود (Pb4f 02/07) = 16.5.

ويبين الشكل 3 الطيف XPS الممثلين فيلم بخار المودعة، مع قمم مستوى الأساسية المميزة المبينة في الجزء العلوي من شبه شخصية. في subfigures أقل I3d 5/2 (619.6 فولت)، N1s (402.7 فولت)، C1S (286.6eV)، وPb4f 7/2 (تظهر 138.6 فولت) القمم. كل الإشارات يمكن تركيبها من قبل مختلطة ذروة التمويه / Lorentzian واحدة، فقط في حالة اليود عادة لوحظ ميزة صغيرة في الطاقات ملزمة أعلى وهو مع ذلك أعلى مستوى في هزة، وبالتالي لا علاقة لدولة الروابط الإضافية الفعلية. ونحن قادرون على استخراج تكوين الفيلم النسبي لجميع طبقات perovskite أعدت من خلال دمج أكثر كثافة إشارة وتطبيع من قبل منظمة مراسلون بلا حدود كل منهما 16. في بعض الأفلام، تم العثور على انحرافات كبيرة من المثالي فيلم رياضيات الكيمياء C: N: الرصاص: أنا من 1: 1: 1: 3؛ على سبيل المثال يؤدي إلى نسبة النيتروجين تتراوح بين 0.4 إلى 1.5 د. وكان هذا ينطبق بشكل خاص على بخار المودعة الأفلام، حيث شارك في التبخر هو من الصعب السيطرة عليها والتكاثر. لعينات حل معالجتها، ويقصد من ناحية أخرى، الفعلية ونسب خلط مقدمة اتفق تماما مع تكوين الفيلم النهائي على النحو الذي تحددهمن XPS.

الشكل (3)
الشكل (3): الممثل أطياف XPS. أعلاه أظهر مسح XPS الكامل، تحت قرب XPS تظهر القياسات من قمم متكاملة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

من أجل التحقيق في كيفية هذه الاختلافات في تكوين الفيلم تؤثر على كثافة الحالات، لجأنا إلى التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية الضوئية (يو بي إس). لإجراء قياسات يو بي إس، مصباح التفريغ الهليوم (وأنا في 21.22 فولت، عينة التحيز -8 V) يستخدم مع 2 فولت الطاقة تمريرة، والتوصل إلى حل الطاقة 110 إلكترون فولت (كما هو محدد من عرض حافة فيرمي). لجميع العينات، تم قياس الطيف الكامل أولا، ثم استخدام أعلى محلل فتحة لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وهو مفصل مسح دقة أعلى من تم تنفيذ المنطقة VB. في يو بي إس الأطياف، وتحديدا في منطقة المسح الضوئي VB، وقد تم تصحيح قمم الأقمار الصناعية الناتجة عن الإشعاع وأنا متعدد الألوان لعدديا خلال تحليل البيانات.

ويبين الشكل 4 منحنيات يو بي إس من مجموعة البيانات كاملة من جميع العينات التحقيق، تشمل كلا من (الأحمر الداكن) أساليب التعاون وتبخر متسلسل (الضوء الأحمر)، وكذلك تجهيز حلا مختلفا. نريد فقط أن نؤكد أن لوحظ تفاوت كبير في طاقات التأين (IE)، أبرز من الاختلافات من ارتفاع ملزم موقف قطع الطاقة في مؤامرة اليد اليسرى من الشكل 4. وأدت هذه التغيرات إلى بالتغيرات في تجهيز وفيلم تكوين ويؤدي إلى tunability من IE بين 5.67 و 6.4 فولت. لمزيد من التفاصيل، يرجى الرجوع إلى مرجع 16.

JPG "/>
الشكل 4: مسح يو بي إس مجموعة فرعية ممثلة من العينات التحقيق. وتظهر لوحات اليسرى وقطع عالية ملزم الطاقة (HBEC) والمنطقة عصابة التكافؤ، في حين يظهر الجانب الأيمن عالية الدقة قرب بداية VB ل(الخطوط الحمراء الخفيفة) بخار المودعة ومعالجتها الحل (أحمر غامق خطوط) الأفلام perovskite. وقد تم نقل جميع منحنيات على طول س -axis من أجل أن تتماشى إلى ميزة في حوالي 3 فولت. أعيد طبعها بإذن من المرجع 16. حقوق التأليف والنشر 2015 ايلي VCH. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وكما تعلمنا من التجارب السابقة في أن perovskite الأفلام المحضرة من نسب السلائف خلط مختلفة تؤدي إلى تغيرات في التركيب الإلكتروني دون تعطيل البنية البلورية للفيلم، أردنالدراسة تأثير نسبة السلائف على أداء الخلايا الشمسية. لذلك، ايتو / PEDOT: تم إعداد الخلايا الشمسية PSS / perovskite / PC 60 BM / آل باستخدام شارك في حل معالجة طبقات perovskite (مع المضافات والغلاف الجوي التولوين) باستخدام نسب PBI 2 إلى MAI 0،7-1،2. ويبين الشكل 5 تأثير رياضيات الكيمياء فيلم (يقصد نسبة R) على خصائص الخلايا الشمسية كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، قصيرة الدوائر الحالية (J SC)، فتح دائرة الجهد (V OC) وملء عامل (FF). تم العثور على أعلى كفاءة من 9.6٪ لنسبة المولي المقصود من 1.02، أي على مقربة من تكوين perovskite المثالي.

الرقم 5
الرقم 5: القيم المميزة لنفقات الاستهلاك الشخصي، J SC، V OC، وFF. تم استخراج هذه القيم من قياسات الأجهزة الخلايا الشمسية INDEPendent من المقصود خلط نسبة R كثافة من PBI 2 إلى MAI تستخدم لإعداد الفيلم. أعيد طبعها بإذن من المرجع 16. حقوق التأليف والنشر 2015 ايلي VCH. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

أظهرنا أن ظروف التصنيع لديها تأثير كبير على التشكل فيلم وتغطية الفيلم. هذا هو السبب الذي يجعل الكثير من المجموعات البحثية نشر نتائج مختلفة بخصوص أداء الخلايا الشمسية وجهد التأين لنفس المواد perovskite.

من أجل ضمان إعادة الإنتاج، من الأهمية بمكان لجميع خطوات المعالجة وأساليب توصيف التي يتعين القيام بها في ظل جو خامل (أو الفراغ) لتجنب تدهور بفعل الرطوبة. أيضا النقاء وبمورد educts تلعب دورا هاما (لم يتم التحقيق في هذه الوثيقة). ومن الواضح أن الفراغ أودعت طبقات perovskite ميزة الأفلام البلورية للغاية. ومع ذلك، في المقارنة، حل معالجتها الأفلام يمكن أن تكون ملفقة مع إنتاجية أعلى.

في دراستنا، وذلك باستخدام NH 4 الكلور كمادة مضافة في حل السلائف وأجواء التولوين في وعاء تدور المغطي قدمت perovskit أكثر استنساخه وسلسالأفلام ه. من ناحية أخرى، تراجع وانخفاض عمليات الطلاء تؤدي إلى السطوح الخشنة نوعا ما، ولا تعتبر كذلك إلى تطبيق الجهاز. وأخيرا، فإن طبقات فراغ معالجتها ميزة أصغر حجما بشكل عام وضوح الشمس (~ 100 نانومتر)، ولكن مع وجود درجة عالية من التغطية من خلال الفيلم كله والأسطح سلاسة. من سلسلة عينة مع اختلاف نسبة السلائف، علمنا أن تكوين له تأثير كبير على تشكيل الفيلم أيضا. ومع ذلك، عند التحقيق في هذه الطبقات مع حيود الأشعة السينية (الشكل 2) تظهر كل الأفلام على درجة عالية من التبلور والتركيب البلوري رباعي الزوايا مماثل أشار انعكاسات على 14.11 ° و 28.14 ° يمثلون (110) و (220) طائرات، في حين أن بعض يبدو طبقات قليلا أكثر المختلين، وهو ما يمكن ملاحظته من قبل ظهور ضعيف (002) و (004) التأملات. ومع ذلك، يتم احترام أي التوسع الكبير في ذروة حيود الأشعة السينية الحيود. يثير الاهتمام والفضول، أي علامة على مراحل منفصلة من PBI 2 في 12.63 ° هم وجدت، حتى بالنسبة للكميات الزائدة أكبر من دمج PBI 2. هذا يدل على أن PBI 2 أدرج ليس كمرحلة منفصلة أو الجزر nanocrystalline لكن البينية كما المخففة، مما يجعله غير قابل للكشف من قبل حيود الأشعة السينية. وهكذا، واستخدام حيود الأشعة السينية محدودة.

من ناحية أخرى، يؤكد XPS أن كميات إضافية من PBI 2 أو MAI (اعتمادا على أسلوب تلفيق) موجودة في الفيلم وهو ما يتضح من الاختلافات في الصدارة إلى نسبة النيتروجين. هذه البينية بدورها لها تأثير كبير على التركيب الإلكتروني للفيلم كما ذكر من قبل. الآن، والجمع بين النتائج من XPS مع ملاحظة الاختلافات في طاقات التأين التي كشفت عنها شركة يو بي إس تمكننا من ربط هاتين الظاهرتين. ويبين الشكل 6 مؤامرة جنبا إلى جنب حيث يتم رسم القيمة IE مدروسة بوصفها وظيفة من تكوين فيلم (الرصاص إلى نسبة النيتروجين) من فيلم المقابلة.

الرقم 6 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
الشكل 6: المستخرجة نقاط القياس للبيانات كاملة مجموعة من 40 LMS فاي perovskite. الاعتماد على طاقة التأين على عنصري نسبة R إكسب من الرصاص لمحتوى النيتروجين (على النحو الذي يحدده XPS)؛ خط الصلبة هو فاي ر الخطي على البيانات والخطوط المتقطعة علامة الانحراف المعياري ± 0.12 فولت. في الجزء السفلي، وترد مخلفات ر فاي. أعيد طبعها بإذن من المرجع 16. حقوق التأليف والنشر 2015 ايلي VCH. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نجد ارتباط خطي واضح بين هاتين القيمتين. نتائجنا، وبالتالي، تشير إلى أن فيلم perovskite مع MAI تتجاوز يسلك IE أقل، في حين أن PBI 2 طبقة الغنية يزيد من IE. نجد IE من 6.05 ± 0.10 فولتللحصول على نسبة المولي المثلى للR إكسب = 1، التي هي أكبر بكثير من IE في كثير من الأحيان نشرت من 5.4 فولت. هذا التناقض ليس من المحتمل أن يكون نتيجة لظروف التصنيع، حيث نجد هذه القيمة لمجموعة متنوعة من الأفلام perovskite أعدت بشكل مختلف. بل هو بسبب الاختلافات في تقييم البيانات حيث الكثافة الخطية من الدول المنحدر المستخدمة هنا نتائج في القيم قراءات أعلى. مناقشة مستفيضة لهذه القضية يمكن العثور في اشارة 17. من المهم أن نلاحظ أن نجد أي تغيير في فجوة الحزمة الضوئية من هذه الأفلام (E ز = 1.60 ± 0.02 فولت، لا تظهر البيانات)، وهو ما يعني أنه ليس فقط تحول من IE مع نسبة متفاوتة، ولكن طاقة التنشيط (EA) التحولات في وقت واحد.

تم العثور على أقصى كفاءة الخلايا الشمسية لنسبة R المولي 1.02 (PBI 2 إلى MAI) مع كفاءة تحويل الطاقة من 9.6٪ مما يؤكد النتائج من الأدب 14 أن قليلاميزة PBI 2 أفلام الغنية سلوك الناقل محسن من قبل التخميل من الفيلم perovskite من PBI 2 في حدود الحبوب. ويمكن الاطلاع على انخفاض في الدائرة المفتوحة الجهد بنسبة 200 إلكترون فولت مع زيادة محتوى PBI 2. لأنه لا تغيير في فجوة الحزمة من المواد perovskite يحدث، وانخفاض الخامس OC لا يمكن تفسيره من خلال انخفاض المتزامنة الفجوة الضوئية وإنما غير كاف حجب ثقب في واجهة perovskite وPCBM (IE PCBM = 6.2 فولت) وذلك بسبب الزيادة في perovskite IE. في وقت واحد FF لR> 1.05 انخفاض 0،8-0،7 التي تدعم هذه النتائج.

في الختام، قدمنا ​​دراسة موسعة للأفلام perovskite التي أدلى بها مجموعة متنوعة من أساليب إعداد ووجدت أن تحدث تغيرات قوية في تشكيل الفيلم، التركيب الإلكتروني وأداء الجهاز. أهمية خاصة هو إمكانية ضبط IE من perovskite من قبل التأسيس المتعمد للMAI سص PBI 2 البينية والتي يمكن استخدامها لتحسين واجهة في أبنية جهاز الرواية. والدراسات المستقبلية تبدو في أكثر تقنيات إعداد المتقدمة التي تهدف نحو مجالات جهاز أكبر. وتشمل هذه الأساليب مثل blading الطبيب، وتقنيات الرش، والطباعة واسعة النطاق التي يتم تثبيتها حاليا في منشأتنا في COPT.centre (قبطي = مركز للتكنولوجيات الإنتاج العضوي).

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

فإن الكتاب أن نعترف الدعم المالي من قبل ولاية شمال الراين وستفاليا من خلال مشروع PERO-بوشت (EFRE، رمز المشروع NW-1-1-040a). الشكر موصول الى عازار جهانبخش وإيناس شميت (كلا جامعة كولونيا) للحصول على المساعدة مع تصنيع وتوصيف الحل 2-خطوة طبقات perovskite معالجتها، الدكتور يورغن Schelter (جامعة كولونيا) لتركيب المواد MAI وكذلك البروفيسور الدكتور ريدل وندا Pourdavoud (كلا جامعة فوبرتال) لقياسات حيود الأشعة السينية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ITO Rose < 15 Ω/sq
PEDOT:PSS Heraeus Clevios P VP .Al  4083
MAI Synthesized as found in literature
PbI2 Alfa Aesar 44314 99.999% trace metals basis, -10 mesh beads
NH4Cl Suprapure 101143 99.995%
PCBM Nano C 99.9%
Chlorobenzene Sigma Aldrich 270644 Chromasolv for HPLC (99.9%)
N,N-Dimethylformamide Acros Chemicals  348430010 Extra dry, stored over molecular sieves (99.8%)
Toluene Sigma Aldrich 244511 anhydrous

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8, 506-514 (2014).
  2. Stoumpos, C. C., Malliakas, C. D., Kanatzidis, M. G. Semiconducting Tin and Lead Iodide Perovskites with Organic Cations: Phase Transitions, High Mobilities, and Near-Infrared Photoluminescent Properties. Inorg. Chem. 52, 9019-9038 (2013).
  3. Saba, M., et al. Correlated electron-hole plasma in organometal perovskites. Nat. commun. 5, 5049 (2014).
  4. Nie, W., et al. High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains. Science. 347, 522-525 (2015).
  5. Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 24, 151-157 (2014).
  6. Li, C., et al. Efficient lead acetate sourced planar heterojunction perovskite solar cells with enhanced substrate coverage via one-step spin-coating. Org. Electron. 33, 194-200 (2016).
  7. Zuo, C., Ding, L. An 80.11% FF record achieved for perovskite solar cells by using the NH4Cl additive. Nanoscale. 6, 9935-9938 (2014).
  8. EL-Henawey, M. I., Gebhardt, R., El-Tonsy, M. M., Chaudhary, S. Organic solvent vapor treatment of the lead iodide layer in the two-step sequential deposition of CH3NH3PbI3-based perovskite solar cells. J. Mater. Chem. A. , (2015).
  9. Yang, L., Barrows, A. T., Lidzey, D. G., Wang, T. Recent progress and challenges of organometal halide perovskite solar cells. Reports Prog. Phys. 79. 79, 026501 (2016).
  10. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. , (2015).
  11. Im, S. H., Heo, J. -H., Han, H. J., Kim, D., Ahn, T. 18.1 % hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2015).
  12. Kim, B. -S., Choi, M. -H., Choi, M. -S., Kim, J. -J. Composition-controlled organometal halide perovskite via CH 3 NH 3 I pressure in vacuum co-deposition process. J. Mater. Chem. A. 4, 5663-5668 (2016).
  13. Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
  14. Chen, Q., Zhou, H. P., et al. Controllable Self-Induced Passivation of Hybrid Lead Iodide Perovskites toward High Performance Solar Cells. Nano Lett. 14, 4158-4163 (2014).
  15. Yamamoto, K., et al. Degradation mechanism for planar heterojunction perovskite solar cells. Jpn. J. Appl. Phys. 07, (2016).
  16. Emara, J., et al. Impact of Film Stoichiometry on the Ionization Energy and Electronic Structure of CH3NH3PbI3 Perovskites. Adv. Mater. 28, 553-559 (2016).
  17. Olthof, S. The electronic structure of hybrid perovskite layers and their energetic alignment in devices. APL Mater. 4, 091502 (2016).

Tags

الكيمياء، العدد 120، perovskite، طريقة التصنيع والضوئية الطيفي، حيود الأشعة السينية، الخلايا الشمسية
تأثير الهجين طرق Perovskite التصنيع على تشكيل السينمائي، التركيب الإلكتروني، وأداء الخلايا الشمسية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schnier, T., Emara, J., Olthof, S.,… More

Schnier, T., Emara, J., Olthof, S., Meerholz, K. Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance. J. Vis. Exp. (120), e55084, doi:10.3791/55084 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter