Waiting
Login processing...

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

Chemistry

השפעת שיטות ייצור perovskite היברידיות על יצירת סרט, מבנה אלקטרוני, ואת ביצוע תאים סולאריים

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

Summary

אנו מציגים מחקר מקיף על ההשפעות של שיטות ייצור שונות עבור שכבות דקות perovskite אורגניות / אורגניות על ידי השוואת מבנים גבישיים, צפיפות מצבים, רמות אנרגיה, ובסופו של דבר ביצוע תאים סולאריים.

Abstract

perovskites הליד האורגני / אורגני ההיברידי בזמן אחרון היה נושא עניין רב בתחום של יישומי תאים סולריים, עם הפוטנציאל להשיג יעילות מכשיר תעלה טכנולוגיות מכשיר סרט דקות אחרות. עם זאת, שינויים גדולים יעיל מכשיר ותכונות פיזיקליות בסיסיות מדווחים. זאת בשל וריאציות מכוונות במהלך עיבוד סרט, אשר לא נחקרו מספיק עד כה. אנו ולכן ערכנו מחקר מקיף של מורפולוגיה מבנה האלקטרוני של מספר רב של CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite שבו אנו מראים כיצד שיטת ההכנה, כמו גם את יחס הערבוב של educts methylammonium יודיד ועופרת (II) מאפייני השפעה יודיד כמו יצירת סרט, מבנה הגבישי, צפיפות מצבים, רמות אנרגיה, ובסופו של דבר ביצוע תאים סולאריים.

Introduction

טכנולוגיות פוטו סרט דקות משכו תשומת לב משמעותית במחקר של יישומי תאים סולריים עקב הצריכה ותחולת החומר הנמוכה שלהם על מצעים גמישים. השינוי הבולט ביותר, אורגני / חומרים אורגני perovskite הליד שהוכחו שכבות פעילות קיימא התקני תאים סולריים, שמובילות יעילות גבוהה. Perovskites כולל תכונות יתרון כגון מקדם ספיגה גבוה 1, הספק ניידות תשלום גבוה 2, ו אקסיטון נמוך מחייב אנרגיה 3. ניתן לייצר שכבות perovskite ידי פתרון שונה או שיטות ייצור אדי מבוסס שלב באמצעות חומרים מבשרים בעלות נמוכה כמו עופרת (II) יודיד (PBI 2) ו יודיד methylammonium (MAI). בדרך זו מאפשרת הכנה קלה של סרטי crystallinity גבוהים באמצעות בטמפרטורות ייצור נמוכות לעומת התאים הסולריים סיליקון זמין המסחרי.

זה כבר shown כי מספר פרמטרים יש השפעה חזקה על הביצועים של תאים סולריים perovskite, בעיקר מורפולוגיה הסרט, כפי שהוא משפיע אורך דיפוזיה אקסיטון וניידות נושאי מטען. Nie et al. הראה כי על ידי שיפור המורפולוגיה של סרטי perovskite, לגבי הכיסוי וגודל קריסטל ממוצע, מגדיל ביצוע תאים סולאריים 4, 5. המורפולוגיה הוכחה להיות מושפעת (i) בחירה של מבשר חומר (למשל את השימוש בעופרת תצטט 6), (ii) תוספות מולקולריות (כמו NH 4 Cl) 7, (iii) בחירה של ממס, (iv) תרמית חישול תחת אווירה ממס (כמו טולואן או chlorobenzene 8), ובמיוחד (נ) הבחירה של שיטת ההכנה 9. פתרון המבוסס על תהליכים כמו-צעד אחד או שני שלבי ספין ציפוי תוצאה בתאים סולאריים עם יעילות העולה על 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 בעוד תאים סולריים perovskite שהופקד ואקום להניב יעילות של 15.4% 13.

הוכח כי עודף PBI 2 בשכבות perovskite יש יתרון לביצוע תאים סולריים עקב יתרת הספק משופרת על ידי פסיבציה של הסרט perovskite ידי PBI 2 בבית דגן גבולות 14. עם זאת, העבודה לא נעשה דבר כדי להבין את התפקיד של אפקטים של stoichiometry על חומרים סרט perovskite.

במאמר זה אנו מציגים מחקר מקיף על מגוון רחב של סרטי perovskite מוכנים שונה ולהראות כיצד שיטות הכנות והשפעה וההרכב מבשר את המורפולוגיה, crystallinity, צפיפות מצבים, רכב סרט, וביצועי תאים סולריים. סקירה הוליסטית מוצגת, החל ייצור לצלם characterization כל הדרך עד ביצועי המכשיר.

Protocol

1. מצעים איטו

הערה: עבור פניית מדגם משופר להימנע shorting של מכשירים, מצעי הזכוכית המצופים איטו צריך להיות בדוגמת באמצעות ליתוגרפיה ותחריט. החפיפה של האלקטרודה העליון והתחתון מגדיר באזור הפעיל של תאים סולריים מיוצר.

  1. חותכים את תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) צלחת זכוכית מצופה עם חתכי זכוכית להניב 2.5 ס"מ על 2.5 ס"מ מצעים.
  2. מדביק תווית עגולה בצורה (קוטר = 1.6 סנטימטרים) במרכז של איטו מכוסה מצע.
  3. Etch איטו ידי הנחת מצעים בתמיסה 3 הידרוכלורית 1 M FeCl ב 60 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות.
  4. נקה את ברצף מצעים עם כלורופורם, אצטון פתרון סבון (2%) באמבטיה קולית.
  5. לשטוף פעם נוספת עם מים מזוקקים ויבש תחת זרם N 2.

2. Ozonation של מצעי איטו

הערה: כדי להסיר זיהומים אורגניים, tהוא איטו מצעים צריך להיות ozonized. זה מפעיל את משטח oxidic ומגביר את מאפייני הרטבה של המצע, שהוא חיוני עבור בתצהיר לשחזור של השכבות הבאות.

  1. איטו הר מצעים על בעל מדגם ומניחים אותו בתא Ozonation.
  2. להאיר במשך 10 דקות תחת (אטמוספרי) חמצן עם מנורת אולטרה סגולה (20 ואט) שיוצרת אוזון.

הפקדת 3. PEDOT: PSS לתקשר חור-איסוף

הערה: סרט של פולי (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) מופקדת על ידי ציפוי ספין מתוך השעיה מימית בתנאי סביבה (25 עד 40% לחות יחסית). שכבה זו משמשת כאשת קשר איסוף חור וכוללת פונקצית עבודה גבוהה, מפחית וחורי-סיכה, ומובילה שחזור של מכשירים גדלים.

  1. מניח 150 μL של PEDOT: PSS השעית מים (1.5%) עם מזרק על פני המצע לאחר סינון throאיכס מסנן 0.45 מיקרומטר.
  2. מעיל ספין באמצעות מהירות סיבוב של 2500 סל"ד במשך 25 s ובעקבותיו 4,000 סל"ד במשך 5 שניות עם תאוצה של 4,000 סל"ד / s כל אחד. הליך זה מוביל 40 עד 45 ננומטר PEDOT עבה: סרטי PSS.
  3. הסר שאריות מים מהסרט ידי תרמית חישול המצעים על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות באוויר.

4. הפקדת שכבות perovskite

זהירות: יודיד יצוקה (PBI 2) הוא רעיל מאוד לבני אדם. אפילו כמויות קטנות הן מאוד מסוכנות עבור עצבים, היווצרות דם, כליות, ומערכות בכבד. טפל להוביל המכיל פתרונות בזהירות.
הערה: סרטי perovskite נחקרו ברחבי נייר זה הוכנו על ידי חמש שיטות שונות באמצעות PBI 2 ו- CH 3 NH 3 אני (MAI) כחומרים מבשרים. כדי למנוע השפלה 15, המצאה של סרטים והתקנים ואפיון שלהם צריך bדואר מתבצע תחת אווירת אינרטי, למשל בתוך תא כפפות N 2 מלא (עיבוד פתרון) או תחת ואקום (שיקוע).

  1. עיבוד פתרון
    1. בתצהיר סדרתית
      1. מניחים המצע על coater ספין ושחרר 150 μL PBI 2 מומס N, N-dimethylformamide, DMF (400 מ"ג / מ"ל) עם טפטפת על פני המצע.
      2. ספין מעיל מיד בסל"ד 3000 למשך 30 שניות.
      3. טובלים PBI 2 סרטים MAI מומס isopropanol (10 מ"ג / מ"ל) במשך 40 שניות או פתרון MAI טיפה על הסרט PBI 2 מיובשים ולהשאיר שם 40 שניות.
      4. מעיל ספין הנותרים פתרון MAI בסל"ד 3000 למשך 30 שניות את המצע.
      5. חום במשך 15 דקות ב 100 מעלות צלזיוס על ידי צבת המצע על פלטה חמה.
    2. Co-פתרון:
      1. ממסים הן PBI 2 ומיי היחס הרצוי (רצוי 1: 1 היחס טוחן) ב DMF לגבש פתרון מבשר עם ריכוז של 250 מ"ג/ מ"ל.
      2. מערבבים פתרון מבשר על 50 מעלות צלזיוס לפחות h 5.
      3. מצעים מחממים מכוסים PEDOT: PSS ב 50 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות על פלטה חמה.
      4. לערוב שחזור מוגבר בכל סדרת מכשיר אחד, ליצור אווירת טולואן ידי נוטף כמות קטנה של הממס (200 μL) בתוך קערת coater ספין בעוד ספין ציפוי שכבת perovskite.
      5. מניחים 150 פתרון מבשר μL (מ 4.1.2.1) על פני המצע.
      6. ספין מעיל שכבות perovskite בסל"ד 3000 למשך 30 שניות מפתרון מבשר זה. ספין המעיל שכבה אחת של חומר perovskite לכל המצע.
      7. מחממים את שכבות perovskite וכתוצאה מכך למשך 30 שניות ב 110 מעלות צלזיוס על פלטה חמה.
    3. תוסף מולקולרי:
      1. Co-לפזר NH 4 Cl (18-20 מ"ג / מ"ל) בפתרון ציפוי ספין (כמתואר 4.1.2.1) כדי להבטיח היווצרות הסרט טוב יותר. המשך כמקודם.
        הערה: זוהי אלטרנטיבה תוספת של שיתוף כךlution מ 4.1.2.
  2. בתצהיר אבק
    1. נוהל כללי
      1. טען את המצעים לנקות למערכת הוואקום ולפנות.
      2. לאחר לחץ של 10 -7 mbar הוא הגיע, דגימות העבירו לתוך תא האידוי ולגונן אותו ממקורות evaporations עם תריס.
      3. מחמם את שני מקורות המכילים חומרים המבשרים על כ 330 מעלות צלזיוס במשך PBI 2 ו 140 מעלות צלזיוס במשך MAI. עליך להיות מודע לכך את הלחץ בתא יעלה כ 10 -4 mbar בשל האופי ההפכפך של ה- MAI.
      4. כייל את שיעורי אידוי עבור שני החומרים באמצעות צג גביש קוורץ אחד (QCM) ממוקם קרוב למקור ואילו השני נמצא במיקום המדגם. מחמם את החומר לטמפרטורת אידוי ובמקביל לרשום את העוביים המתאימים נתונים משני QCMs. חשבתי את הגורם נוסע על ידי היחסשל שני הערכים. לצורך חישוב עובי להשתמש 6.16 ואת 1.23 g / cm -3 עבור PBI 2 ו MAI, בהתאמה.
    2. Co-אידוי
      1. התאם את שיעורי PBI 2 עד MAI לכ 1: 2 על ידי הגדלה או הקטנת הטמפרטורה של המקורות כדי להשיג סרט perovskite נכון stoichiometrically.
      2. פתח את התריס מול המדגם להתחיל בתצהיר. לאחר העובי המיועד הוא הגיע, לסגור את התריס תורו של החימום של המקורות.
      3. מחמם את הסרטים של 1 ש 'על 70 מעלות צלזיוס בתוך תא הוואקום להסיר תרכובות נדיפות היווצרות סרט מלאה.
    3. אידוי סדרתית
      1. מנמיכים את הטמפרטורה של מקור MAI שוב מתחת לנקודת האידוי (כ -100 מעלות צלזיוס.) ולחמם המקור PBI 2 עד התחלות אידוי; להפקיד 50 ננומטר של טהור PBI 2.
      2. לאחר מכן, לצנן את PBI 2מקור להתאדות 50 ננומטר של MAI כמותו. עבור עוביים גדולים לחזור 4.2.3.1 צעדי 4.2.3.2 לחלופין.
      3. מחמם את הסרטים של 1 ש 'על 70 מעלות צלזיוס בתוך תא הוואקום להסיר תרכובות נדיפות היווצרות סרט מלאה.

5. הכנת תאים סולריים

  1. ממיסים את acceptor פניל-C 60 אסתר -butyric מתיל חומצה (PC 60 בע"מ) ב chlorobenzene בריכוז של 20 מ"ג / מ"ל ומערבבים לפחות יום אחד על פלטה חמה על 50 מעלות צלזיוס.
  2. מכינים את שכבת perovskite (תהליך שיתוף פתרון עם תוסף) כמוצג לפני (ראה 4.1.3.).
  3. לצנן את שכבות perovskite מחומם למשך 30 שניות על צלחת מתכת לטמפרטורת החדר.
  4. מניחים 150 μL של PC 60 פתרון BM על פני המצע
  5. PC מעיל ספין 60 BM ב 2000 סל"ד במשך 30 שניות על גבי הסרט perovskite וכתוצאה מכך 50 שכבות עבות ננומטר.
  6. מניח מצעים מצופים באופן מלאבפומית ומכסי מדגם עם צל מסכה כדי להתאדות קשר על גבי השכבות הפעילות.
  7. גרד אחד מהקשרים עם אזמל כדי ליצור קשר אל האנודה איטו.
  8. העבר לתוך תא ואקום להפקדה של הקשר העליון קתודה.
  9. אלומיניום הפקדה של 10 ננומטר בלחץ מרבי של p = 3 x 10 -6 mbar עם שיעור של 0.5 A / S, כפי שהיא נמדדת על ידי צג גביש קוורץ. לאחר 10 ננומטר הראשונים השיעור ניתן להגדיל עד 2.5 A / S עד עובי שכבה של 100 ננומטר הוא הגיע.
  10. בצע צפיפות זרם לעומת מתח (JV) מדידות של תאים סולאריים באמצעות יחידת מדידת מקור בטווח המתח של -0.5 ל -1.5 V (מדרגות = 0.02 V). כדי לוודא ששום היסטרזיס מופיעה במאפייני JV, למדוד את כיוון הסריקה ההפוך, כמו גם, על ידי גורף את ההטיה מ -1.5 ל -0.5 V גם כן. השתמש סימולטור שמש (100 mW cm²) מכויל באמצעות פוטודיודה סיליקון מוסמך.

Representative Results

על מנת לקבל נקודת מבט הוליסטית על שיטות ייצור השונות לסרטי perovskite, חשוב לשלב אפיון מבני, אלקטרוני, ואת המכשיר. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) נותן רושם טוב של מורפולוגיה. לכן, כל הסרטים שהופקו על ידי שיטות ייצור שונות נחקרו. לתת-קבוצת נציג של סרטים דקים perovskite מוצגת באיור 1, אשר ממחיש את ההשפעה המהותית של שיטת ההכנה על מורפולוגיה הסרט.

באופן אידיאלי, סרט חופשי וחלקת סיכת חור הוא רצוי עבור התקנים. כפי שניתן לראות, זה מקרה עבור הסרטים שהופקדו האדים (ו, ז), אלה מצופים מטבל (ד, ה), ואת הסרטים שהוכנו במשותף פתרון עם התוסף NH 4 Cl ואווירת טולואן (א 1 כדי A5) עם R יחס משתנה של PBI 2 עד MAI של 0.6 עד 1.4. בניגוד לכך, הסרטים witho תוסף ut (ח), כמו גם את מצופי מטבל (ד, ה) ושחרר מצופה אלה (ב, ג) להראות חללים גדולים, מחט כמו מבנים, או חספוס פני שטח גדול ולכן הם לא שימושיים עבור יישומי מכשיר.

איור 1
איור 1: תמונות SEM של סרטי perovskite שהכינו שיטות העיבוד השונות. (א 1 - A5) Co-פתרון עם תוסף ואווירה טולואן עם יחס שונה של PBI 2 עד MAI (R), (ב) הנפתחת ציפוי עם זמן הטעינה של 40, (ג) ושחרר-ציפוי עם זמן הטעינה של 120, ( ד) ציפוי מטבל (זמן הטעינה של 10), (ה) ציפוי מטבל (זמן הטעינה של 3,600), (ו) שיתוף אידוי, (ז) אידוי רציף, (ח) שיתוף פתרון ללא תוסף. ברי המידה מצביעים על אורך של 1 מיקרומטר."Target =" tp_upload / 55,084 / 55084fig1large.jpg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

לבסוף, איור 1 א 1-A5 וריאציות מופע ערבוב R יחס של PBI 2 עד MAI מן 0.6 ל 1.4 באמצעות הכנת שיתוף הפתרון עם תוסף ואווירת טולואן. וריאציות כיסוי שטח ולהראות גודל גביש כי גם כאן מופיעות מורפולוגיה סרט אחרות.

למרות SEM הוא כלי טוב כדי להמחיש מורפולוגיה כיסוי של שכבות דקות כדי לקבל רושם על חספוס סרט, לעומת זאת אין מידע מבני הוא נתון.

לכן, כדי להמשיך לאפיין את הסרטים perovskite, קרני ה- X עקיפה (XRD) היה בשימוש. בעזרת טכניקה זו באמצעות Cu K α האנודה (λ = 1.54056 א) שלבי קריסטל בטווח של 2θ בין 10 6; ו -40 ° (שלב גודל של 0.00836 °) נוטר ומאופיין. בפרסומים רבים XRD משמש כדי לקבוע את איכות הסרטים perovskite.

איור 2 מציג מדידות XRD של קבוצת משנה של דגימות שיש שישה יחסי ערבוב שונים של PBI 2 עד MAI, ולכן תואם את תמונות SEM באיור 1a1-A5. בנוסף, הספקטרום של 2 PBI הטהורים מוצג. מכאן, ההשפעה והרכב בתמיסה מבשר על איכות שכבות perovskite, וככזה כמו המראה של שלבים שונים, כלומר השילוב של שלבים נוספים של PBI 2 ו MAI, נחקרה. הספקטרום להראות מבנה גבישי tetragonal, ואת ההשתקפויות צמודות עם מטוסי הקריסטל המקבילים שלהם. באופן מפתיע, אין שלבים נוספים של MAI או PBI 2 נצפו הסרטים מחוץ stoichiometric.

NT "> איור 2
איור 2: דפוס XRD של טהור PBI 2 כמו גם דגימות perovskite שהוכנו על ידי שיטת שיתוף הפתרון (עם NH 4 Cl ואווירת טולואן) באמצעות יחסים שונים טוחנים של המבשרים (יחסים שנתנו את המספרים בצד הימין). לקבלת השוואה, העקומות מנורמלות לשיא ב 14.11 ° והעבירו אנכי. הודפס מחדש באישור בהפניה 16. זכויות יוצרים 2015 Wiley-VCH. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

כפי XRD לא סיפקה מידע על הרכב של הסרט, ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS) משמש, אשר מסוגל למדוד ישירות stoichiometry הסרט. עבור מדידה זו מקור עירור α Mg K (hν = 1252.6 eV) עם אנרגיה מסירה של 10 eV (רזולוציה אנרגיה = 800 MeV) משמש. הגורמים הרגישים יחסית (RSF) חייבים להילקח בחשבון עבור כל רכיב נמדד בנפרד. ככזה, חשוב לכייל את RSFs עבור מערכת המדידה שלנו (מקור α Mg K, הזווית בין מקור רנטגן מנתח 50.0 °). השתמשנו במספר מולקולות קטנות לכייל את השיא יוד עם כמה עצוב (4-iodphenyl) -amine (C 18 H 12 לי 3 N), ו מכויל Pb באמצעות PBI 2. פחמן משמש כנקודת התייחסות, וככזה עם RSF (C1S) = 1, ולכן, גורמי RSF עבור האלמנטים הבודדים הם; RSF (N1s) = 1.8, RSF (I3d 5/2) = 32.8, ו RSF (Pb4f 7/2) = 16.5.

איור 3 מראה ספקטרום XPS נציג של סרט שהופקד אדים, עם פסגות רמת ליבת מאפיין מצוינות תת ספרות עליונה. בשנות ה subfigures נמוך I3d 5/2 (619.6 eV), N1s (402.7 eV), C1S (286.6eV), ו Pb4f 7/2 (138.6 פסגות eV) מוצגים. כל האותות יכולים להיות מצוידים על ידי שיא גאוס / הלורנצי מעורב אחת, רק במקרה של יוד תכונה קטנה באנרגיות מחייב גבוהות בדרך כלל הוא ציינה שהוא אולם לשיא ניעור ולכן אינם קשור למצב מליט נוסף בפועל. אנו מסוגלים לחלץ את הרכב הסרט היחסי של כל שכבות perovskite שהכין שילוב מעל עוצמת האות ו נרמול זה על ידי RSF שלהם 16. בחלק מן הסרטים, סטיות גדולות נמצאו מן C stoichiometry סרט האידיאלי: N: Pb: אני של 1: 1: 1: 3; למשל היתרון ל יחס חנקן נע בין 0.4 ד 1.5. זה היה נכון במיוחד עבור הסרטים שהופקדו אדים, שבי שיתוף האידוי קשה לשלוט ולהתרבות. עבור דגימות מעובד הפתרון, ומצד שני, בפועל והתכוונו יחסי ערבוב של המבשר הסכימו היטב עם רכב הסרט הסופי כפי שנקבעמ XPS.

איור 3
איור 3: ספקטרה XPS נציג. מעל סריקת XPS מלאה מוצגת, מתחת התקריב XPS מדידות של הפסגות המשולבות מוצגים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

על מנת לחקור כיצד הווריאציות הללו בהרכב הסרט להשפיע על צפיפות מצבים, פנינו אל ספקטרוסקופיה photoelectron UV (UPS). כדי לבצע מדידות UPS, מנורה פריקה הליום (הוא שאני בבית 21.22 eV, הטיה במדגם -8 V) משמשת, עם אנרגית 2 eV מסירה, ואת החלטת אנרגיה 110 MeV (כפי שיקבע מעת רוחב הקצה פרמי). עבור כל הדגימות, ספקטרום מלא נמדד ראשון, ולאחר מכן באמצעות צמצם מנתח גבוה כדי להגדיל את יחס האות לרעש, מפורט סריקה ברזולוציה גבוהה יותר של באזור VB בוצע. בספקטרום UPS, במיוחד הסריקה באזור VB, פסגות לווין נובעי הקרינה הצבעונית הוא שאני תוקנו עבור מספרית במהלך ניתוח נתונים.

איור 4 מראה עקומות UPS של בסיס נתונים המלאים של כל הדגימות נחקרו, מכסים הוא אידוי השיתוף רציף (אדום בהיר) כמו גם עיבוד פתרון האחר שיטות (אדום כהה). אנחנו רק רוצים להדגיש כי הבדלים רבים ומשמעותיים יותר אנרגיות היינון (IE) הם נצפו, נכבדים מן הווריאציות של עמדת הפסקת אנרגיה המחייבת הגבוהה בעלילה השמאלית של איור 4. שינויים אלה הם הביאו על ידי וריאציות בהרכב עיבוד הסרט ולהוביל tunability של IE בין 5.67 ו -6.4 eV. לדיון מפורט יותר, להתייחס התייחסות 16.

jpg "/>
איור 4: סריקות UPS של קבוצת משנה נציג הדגימות הנחקרות. הפנלים שמאל להראות את הפסקת האנרגיה המחייבת הגבוהה (HBEC) ובאזור פס ערכיות, ואילו הצד הימני מציג את ברזולוציה הגבוהה מקרוב של התפרצות VB עבור שהופקד אדים (קווים אדומים אור) ו-מעובד פתרון (אדום כהה קווים) סרטי perovskite. כל העקומות הוזזו לאורך x ציר כדי להיות מתואם לתכונת בסביבות 3 eV. הודפס מחדש באישור בהפניה 16. זכויות יוצרים 2015 Wiley-VCH. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

כפי שלמדנו מהניסויים הקודמים שלנו כי perovskite סרטים שהוכנו ערבוב יחסי מבשר שונים להוביל לשינויי מבנה אלקטרוני מבלי לשבש את המבנה הגבישי של הסרט, רצינוכדי לחקור את ההשפעה של יחס מבשר על ביצוע תאים סולאריים. לכן, איטו / PEDOT: PSS / perovskite / PC 60 BM / אל תאים סולריים אלה נערכו על בסיס שכבות perovskite מעובד שיתוף פתרון (עם תוסף ואווירה טולואן) באמצעות יחסי של PBI 2 עד MAI מן 0.7 ל 1.2. איור 5 מראה את ההשפעה של stoichiometry סרט (R יחס מיועד) על יעילות המרת כוח מאפייני תאים הסולרית (PCE), לקצר נוכחי (SC J), מתח פתוח במעגל (OC V) ולמלא גורם (FF). היעילות הגבוהה ביותר של 9.6% תימצא יחס טוחן מיועד של 1.02, כלומר קרוב בהרכב perovskite האידיאלי.

איור 5
איור 5: ערכים אופייניים של PCE, SC J, V OC, ו FF. ערכים אלה חולצו מן המידות של indep התקני תאים הסולריתendent של int R יחס המיועד ערבוב של PBI 2 עד MAI לשמש להכנת הסרט. הודפס מחדש באישור בהפניה 16. זכויות יוצרים 2015 Wiley-VCH. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

הראינו כי התנאים עיבוד השפעה מרחיקת לכת על מורפולוגיה הסרט וכיסוי הסרט. זו הסיבה מדוע הרבה קבוצות מחקר לפרסם תוצאות שונות בנוגע לביצועי תאים סולריים ופוטנציאל יינון עבור אותם החומרים perovskite.

כדי להבטיח שחזור, זה קריטי עבור כל שלבי העיבוד ושיטות אפיון להתבצע תחת אווירת אינרטי (או ואקום), כדי למנוע שפלה ידי לחות. כמו כן לטוהר הספק של educts לשחק תפקיד חשוב (שלא נחקר בזאת). ברור כי ואקום שהופקד שכבות perovskite לסרטים עלילתיים גבישים מאוד; עם זאת, לשם השוואה, סרטים מעובד פתרון יכול להיות מפוברק עם תפוקה גבוהה יותר.

במחקר שלנו, באמצעות NH 4 Cl כתוסף הפתרון המבשר ואווירת טולואן בקערת coater הספין ספק את perovskit לשחזור והחלק ביותרסרטי דואר. מצד השני, תהליכי ציפוי מטבל ושחרר להוביל משטחים קשים למדי, ולא נחשבו נוסף ליישום התקן. לבסוף, שכבות מעובד הוואקום כוללות הכוללים בגדלי גביש קטנים (~ 100 ננומטר) אבל עם רמה גבוהה של כיסוי דרך הסרט כולו והמשטחים חלקים יותר. מתוך הסדרה מדגם עם משתנים יחס מבשר, למדנו כי הרכב יש השפעה רבה על עיצוב הסרט גם כן. עם זאת, כאשר בוחנים שכבות אלה עם XRD (איור 2) כל הסרטים מראים רמה גבוהה של crystallinity ומבנה קריסטל tetragonal דומה שמציינים השתקפויות ב 14.11 ° ו 28.14 ° המייצג את (110) ו (220) מטוסים, בעוד שחלק שכבות נראו קצת יותר סדר, אשר ניתן לראות על ידי הופעתו של חלשים (002) ו (004) השתקפויות. עם זאת, לא להרחבה משמעותית של שיא דיפרקציה XRD הוא ציין. מעניין לציין, שיש שום סימן של שלבים נפרדים של PBI 2 ב 12.63 ° הם נמצא, אפילו עבור כמויות גדולות יותר של משולב PBI 2. זה מצביע על כך 2 PBI מאוגדת לא כשלב נפרד או איי nanocrystalline אבל שכן מודעות ביניים לדלל, מה שהופך אותו בלתי מורגש על ידי XRD. לפיכך, השימוש של XRD מוגבל.

מצד השני, XPS מאשרת כי כמויות נוספות של PBI 2 או MAI (תלוי בשיטת הייצור) נוכחים בסרט, ברורות החל הווריאציות ביתרון יחס חנקן. יש מודעות ביניים אלה בתורם השפעה מהותית על המבנה האלקטרוני של הסרט כפי שהוזכר קודם לכן. עכשיו, המשלב את ממצאי XPS עם התצפית של הבדלי אנרגיות יינון נחשפו על ידי UPS מאפשר לנו לתאם שתי התופעות הללו. איור 6 מציג את העלילה משולבת שבם ערך IE הנמדד הוא זמם כפונקציה של רכב הסרט (עופרת יחס חנקן) של הסרט המתאים.

איור 6 "src =" / files / ftp_upload / 55,084 / 55084fig6.jpg "/>
איור 6: שחולץ נקודות מדידה של הנתונים מלאי סט של 40 LMS fi perovskite. תלות של אנרגית היינון על exp R יחס היסודות של היתרון ל תוכן חנקן (כפי שנקבע על ידי XPS); קו מוצק הוא לא fi ליניארי לנתונים ואת קווים מקווקווים לסמן את סטיית התקן של ± 0.12 eV. בתחתית, את השאריות של t fi מוצגות. הודפס מחדש באישור בהפניה 16. זכויות יוצרים 2015 Wiley-VCH. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

אנו מוצאים מתאם ליניארי ברור בין שני ערכים אלה. התוצאות שלנו, ולכן הם מצביעים שסרט perovskite עם MAI העולה מפגין IE יותר, בעוד שכבה עשירה 2 PBI מגדיל את IE. אנחנו מוצאים IE של 6.05 ± 0.10 eVעבור יחס הטוחנת האופטימלי של exp R = 1, שהוא גדול יותר באופן משמעותי את IE המתפרסמת לעתים קרובות של 5.4 eV. פער זה אינו צפוי להיות בגלל תנאי עיבוד, כפי שאנו מוצאים ערך זה עבור מגוון רחב של סרטי perovskite מוכנים בצורה שונה. זה די בשל הבדלי הערכת נתונים שבו הצפיפות לינארית של מצבי מדרון משמשת כאן תוצאות בערכי הודעה גבוהות. דיון מקיף בסוגיה זו ניתן למצוא התייחסות 17. חשוב לציין כי אין אנו מוצאים שינוי bandgap האופטי של הסרטים האלה (ז E = 1.60 ± 0.02 eV, מידע לא מוצג), מה שאומר שזה לא רק שינוי של IE עם יחס משתנה, אבל את אנרגית השפעול (EA) משמרות זמנית.

יעילות התאים הסולריות מקסימלית נמצאו עבור R יחס טוחן של 1.02 (PBI 2 עד MAI) עם יעילות המרת כוח של 9.6% אשר מאשש ממצאים מספרות 14 כי מעטPBI 2 סרטים עשיר כוללים התנהגות הספק משופרת על ידי פסיבציה של הסרט perovskite ידי PBI 2 בבית דגן גבולות. ירידה במתח פתוח מעגל על ידי 200 MeV עם תוכן PBI 2 הגדלה ניתן למצוא. מאז לא חל שינוי bandgap של החומר perovskite מתרחשת, הירידה של OC V לא יכול להיות מוסבר על ידי ירידה מקבילה של הפער פוטו אלא על ידי חסימת חור מספיק על הממשק של perovskite ו PCBM (IE PCBM = 6.2 eV) בשל הגידול perovskite IE. בעת ובעונה אחת את FF עבור R> 1.05 יורד מ 0.8 כדי 0.7 תומך ממצאים אלה.

לסיכום, הצגנו מחקר מקיף של סרטי perovskite שנעשו על ידי מגוון של שיטות כנות ומצאנו כי וריאציות חזקות להתרחש יצירת סרט, מבנה אלקטרוני ואת ביצועי מכשיר. מעניינת במיוחד היא האפשרות להתאים IE של perovskite ידי ההתאגדות מכוונת של MAI or PBI 2 מודעות הביניים אשר ניתן להשתמש בהם עבור אופטימיזציה ממשק בארכיטקטורות מכשיר חדש. מחקרים עתידיים יסתכלו טכניקות הכנות מתקדמות יותר לכוון לעבר אזורי מכשיר גדולים. אלה כוללים שיטות כמו blading רופא, טכניקות ספריי, והדפסה בקנה מידה גדולה המותקנים כעת במתקן שלנו בבית COPT.centre (קופטי = המרכז לטכנולוגיות ייצור אורגניים).

Disclosures

החוקרים אין לי מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות תמיכה כספית על ידי מדינת נורדריין-וסטפליה באמצעות פרויקט Pero-BOOST (EFRE, קוד פרויקט NW-1-1-040a). תודה ללכת אזר Jahanbakhsh ו אינס שמידט (שניהם מאוניברסיטת קלן) לקבלת סיוע עם ייצור ואפיון של הפתרון 2-צעד שכבות perovskite מעובד, ד"ר יורגן Schelter (אוניברסיטת קלן) לסינתזה של חומר MAI וכן פרופ ' . ד"ר רידל ו נאדה Pourdavoud (שניהם מאוניברסיטת Wuppertal) עבור מדידות XRD.

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

כימיה גיליון 120 perovskite שיטת ייצור ספקטרוסקופיה photoelectron קרני ה- X עקיפה תאים סולריים
השפעת שיטות ייצור perovskite היברידיות על יצירת סרט, מבנה אלקטרוני, ואת ביצוע תאים סולאריים
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