Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Влияние гибридных методов перовскита на пленке Изготовление формирования, электронная структура и производительность солнечных батарей

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

Summary

Мы представляем обширное исследование о влиянии различных методов изготовления для органических / неорганических перовскита тонких пленок путем сравнения кристаллических структур, плотности состояний, уровней энергии и в конечном итоге производительность солнечных батарей.

Abstract

Гибридные органические / неорганические галоидные перовскитами в последнее время стало предметом большой интерес в области применения солнечных батарей, с потенциалом для достижения эффективности устройств превосходящие другие технологии тонких устройств пленки. Тем не менее, большие различия в эффективности прибора и основных физических свойств сообщается. Это происходит из-за непреднамеренных изменений во время обработки пленки, которые не были достаточно исследованы до сих пор. Поэтому мы провели обширное исследование морфологии и электронной структуры большого количества CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита , где мы покажем , как метод подготовки, а также соотношение смешения йодида эдуктов метиламмония и свинца (II) йодид ударопрочных как формирование пленки, кристаллическая структура, плотность состояний, уровни энергии, и в конечном итоге производительность солнечных батарей.

Introduction

Тонкие технологии пленки фотоэлектрические привлекли значительное внимание в исследованиях применения солнечных батарей из-за их низкого расхода материала и применения на гибких подложках. В частности, органический / неорганический галогенид перовскит- материалы оказались жизнеспособными активных слоев в устройствах солнечных элементов, что приводит к высокой эффективности. Перовскиты имеют выгодные свойства , такие как высокий коэффициент поглощения 1, высокой подвижности носителей заряда 2 и энергией связи 3 низкой экситона. Перовскита слои могут быть получены различными раствора или пар методов изготовления фазы на основе с использованием недорогих материалов - предшественников , таких как свинец (II) , йодид (PBI 2) и йодида метиламмония (MAI). Таким образом, позволяет легко приготовления пленок высокой кристалличности с использованием низких температур изготовления по сравнению с солнечными батареями коммерчески доступными кремния.

Это было шошп, что несколько параметров оказывают сильное влияние на производительность перовскита солнечных элементов, в первую очередь пленки морфологии, так как она влияет на длину диффузии экситонов и подвижность носителей заряда. Nie и др. показали , что за счет улучшения морфологии перовскита пленок, в отношении охвата и средний размер кристаллов, солнечная увеличивает производительность ячейки 4, 5. Морфология Было показано , что под влиянием (I) , выбор материала - предшественника (например, использование ацетата свинца 6), (II) молекулярные добавки (например , NH 4 Cl) 7, (III) выбор растворителя, (IV) термический отжиг в атмосфере растворителя (например , толуол или хлорбензол 8), а в частности , (v) выбор метода приготовления 9. Решение на основе процессов , как один шаг или двухступенчатого результате нанесения покрытия в солнечных элементах с эффективностью , превышающей 17% 4 </ SUP>, 10, 11, 12 в то время как напыленных перовскита солнечных батарей дают КПД 15,4% 13.

Было показано , что избыток PbI 2 в перовскита слоев является выгодным для производительности солнечных батарей за счет улучшенного баланса несущей пассивирование перовскита фильма PbI 2 на границах зерен 14. Тем не менее, мало работы было сделано, чтобы понять роль эффектов стехиометрии на перовскита пленочных материалов.

В этой статье мы представляем обширное исследование по широкому кругу по-разному подготовленных перовскита пленок и показать, как способы получения и влияние стехиометрии предшественника морфология, степень кристалличности, плотность состояний, состав пленки, а также производительность солнечных батарей. Целостный обзор представлен, начиная от изготовления снимать characteriзация все пути к производительности устройства.

Protocol

1. ITO Субстраты

ПРИМЕЧАНИЕ: Для улучшения контакта образца и, чтобы избежать короткого замыкания устройств, Ито, покрытые стеклянные подложки должны быть составлены по образцу с помощью литографии и травления. Перекрытие верхнего и нижнего электрода определяет активную область производства солнечных элементов.

  1. Обрежьте оксид индия и олова (ITO) с покрытием Стеклянная пластина с стеклорез с получением 2,5 см на 2,5 см подложках.
  2. Клей круглой формы этикетки (диаметр = 1,6 см) в центре МНО покрыты подложки.
  3. Травление ITO путем размещения подложки в соляном 1 3 М раствора FeCl при 60 ° С в течение 10 мин.
  4. Очистите Субстраты последовательно хлороформом, ацетоном и мыльным раствором (2%) в ультразвуковой ванне.
  5. Промыть еще раз дистиллированной водой и сушат под N 2 потока.

2. озонирование из ITO подложках

Примечание: Для того чтобы удалить органические примеси, тон ITO подложки должны быть озонированной. Это активизирует оксидной поверхности и увеличивает смачиваемость подложки, имеющей решающее значение для воспроизводимого осаждения из последующих слоев.

  1. Крепление ITO подложки на держателе образца и поместить его в камеру озонирования.
  2. Освещать в течение 10 мин при (атмосферном) кислорода с ультрафиолетовой лампой (20 Вт), который генерирует озон.

3. Нанесение PEDOT: PSS Отверстие для сбора Связаться

Примечание: Пленка поли (3,4-этилендиокситиофен) -поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) осаждают путем центрифугирования покрытия из водной суспензии в условиях окружающей среды (25 до 40% относительной влажности). Этот слой используется в качестве собирающей контактное отверстие и имеет высокую работу выхода, уменьшает поверхностные поры, и приводит к увеличению воспроизводимости устройств.

  1. Поместите 150 мкл PEDOT: PSS в водной суспензии (1,5%) с помощью шприца на подложке после фильтрации беспересадочныйУф фильтр 0,45 мкм.
  2. Спин слой, используя скорость вращения 2500 оборотов в минуту в течение 25 с непосредственно следуют 4000 оборотов в минуту в течение 5 с с ускорением 4000 об / с каждый. Эта процедура приводит к 40 до 45 нм толщиной PEDOT: PSS пленок.
  3. Удаления остаточной воды из пленки путем термического отжига подложки на плитке при 150 ° С в течение 10 мин на воздухе.

4. Нанесение перовскита слоев

Внимание: Свинец йодида (ПБП 2) является весьма токсичным для человека. Даже небольшие количества крайне опасны для систем нервной, кроветворной, почек и печени. Ручка привести растворы, содержащие с осторожностью.
Примечание: перовскита пленки исследованные в этой статье подготовлены пятью различными способами с использованием PBI 2 и CH 3 NH 3 I (МАИ) в качестве исходных материалов. Для того чтобы избежать деградации 15, изготовление пленок и устройств и их характеристики должны бе проводили в инертной атмосфере, например , в (обработка раствора) в N 2 заполненные бардачке или под вакуумом (осаждение из паровой фазы).

  1. обработка Решение
    1. Последовательное нанесение
      1. Поместите подложку , на спин для нанесения покрытий и падение 150 мкл PbI 2 , растворенного в N, N-диметилформамид, ДМФ (400 мг / мл) с помощью пипетки на подложке.
      2. Спин пальто сразу при 3000 оборотах в минуту в течение 30 с.
      3. Dip - PBI 2 пленки в MAI растворяют в изопропаноле (10 мг / мл) в течение 40 с или падение MAI раствора на высушенный PbI 2 пленку и оставить там в течение 40 сек.
      4. Оставшийся раствор MAI при 3000 оборотах в минуту в течение 30 секунд от основы Спин пальто.
      5. Тепло в течение 15 мин при 100 ° С, путем размещения подложки на плитке.
    2. Совместное решение:
      1. Растворить как PBI 2 и MAI в желаемом соотношении ( в идеале 1: 1 мольное отношение) в ДМФ с образованием раствора предшественника с концентрацией 250 мг/ Мл.
      2. Перемешать раствор предшественника при 50 ° С в течение по меньшей мере 5 ч.
      3. Предварительного нагрева подложки покрыты PEDOT: ПСС при 50 ° С в течение 5 мин на плитке.
      4. Чтобы гарантировать повышенную воспроизводимости на протяжении одной серии устройств, создают атмосферу толуола капать небольшое количество растворителя (200 мкл) внутри чаши нанесения покрытий спина при покрытия центрифугированием слой перовскита.
      5. Поместите 150 мкл раствора предшественника (от 4.1.2.1) на подложке.
      6. Спин покрытие со структурой перовскита слои при 3000 оборотов в минуту в течение 30 с из этого раствора предшественника. Спин пальто один слой перовскита материала на подложку.
      7. Нагреть результирующие перовскита слои в течение 30 с при 110 ° С на плитке.
    3. Молекулярный Добавка:
      1. Со-растворяться NH 4 Cl (18-20 мг / мл) в растворе нанесения покрытия (как описано в разделе 4.1.2.1) , чтобы обеспечить более эффективное образование пленки. Продолжайте, как и раньше.
        Примечание: Это альтернатива добавлению со-таклюция от 4.1.2.
  2. вакуумное напыление
    1. Общая процедура
      1. Загрузите очищенные подложки в вакуумную систему и эвакуировать.
      2. После того, как давление 10 -7 мбар достигается, образцы переноса в испарительную камеру и оградить его от источников испарений с затвором.
      3. Нагрейте два источника , которые содержат материалы - предшественники приблизительно 330 ° С в течение PbI 2 и 140 ° C для МАИ. Имейте в виду , что давление в камере поднимется до примерно 10 -4 мбар из - за изменчивого характера МАИ.
      4. Калибровка скорости испарения для двух материалов с использованием одного из кварцевого кристалла монитор (QCM), расположенный ближе к источнику, а другой находится в положении образца. Нагрейте материал до температуры испарения и одновременно записывают соответствующие толщины, показанные на обоих QCMs. Вычислить коэффициент инструментальную соотношениемиз этих двух значений. Для расчета толщины используют 6,16 и 1,23 г / см -3 для PbI 2 и МАИ, соответственно.
    2. Совместное испарение
      1. Регулировка расхода ПБИ 2 до MAI до примерно 1: 2 путем увеличения или уменьшения температуры источников для достижения стехиометрически правильную перовскита пленку.
      2. Открыть затвор перед образцом, чтобы начать осаждение. После того, как предполагаемая толщина достигается, закрыть затвор и поворот нагрева источников.
      3. Нагреть пленки в течение 1 ч при 70 ° С в вакуумной камере для удаления летучих соединений и полное образование пленки.
    3. Последовательное испарение
      1. Уменьшите температуру источника MAI снова ниже точки испарения (около 100 ° C.) И не нагреваются источник PbI 2 до начала испарения; депозит 50 нм чистого PbI 2.
      2. Затем остудить PBI 2источник и испаряются 50 нм МАИ аналогичным образом. Для больших толщин повторите шаги 4.2.3.1 и 4.2.3.2 в качестве альтернативы.
      3. Нагреть пленки в течение 1 ч при 70 ° С в вакуумной камере для удаления летучих соединений и полное образование пленки.

5. Получение солнечных батарей

  1. Растворить -бутановая метиловый эфир акцептор фенил-C 60 (PC 60 BM) в хлорбензоле при концентрации 20 мг / мл и перемешивают в течение , по крайней мере один день на плитке при 50 ° С.
  2. Подготовьте слой перовскита (процесс совместного решения с добавкой), как показано выше (4.1.3.).
  3. Охладить нагретые слои перовскита в течение 30 секунд на металлической пластине до комнатной температуры.
  4. Поместите 150 мкл PC 60 BM раствора на подложке
  5. Спин пальто PC 60 BM со скоростью 2000 оборотов в минуту в течение 30 с на верхней части перовскита пленки , что приводит к 50 нм толщиной слоев.
  6. Поместите подложки полностью покрытыев держателе образца, и покрытие с теневой маской для того, чтобы испарить контакты на верхней части активных слоев.
  7. Потрите один из контактов с скальпелем с целью установления контакта с анода ITO.
  8. Передача в вакуумную камеру для осаждения катода верхнего контакта.
  9. Депозит 10 нм алюминия при максимальном давлении р = 3 х 10 -6 мбар со скоростью 0,5 A / S, измеренная с помощью кварцевого монитора. После первых 10 нм скорость может быть увеличена до 2,5 Å / с до тех пор, толщина слоя 100 нм достигается.
  10. Выполните плотности тока в зависимости от напряжения (СП) измерений солнечных элементов с использованием единицы измерения источника в диапазоне напряжений от -0,5 до 1,5 В (с шагом = 0,02 V). Для того, чтобы убедиться, что гистерезис не появляется в характеристиках СП, измерить направление обратного сканирования, а также, при развертке смещения от 1,5 до -0,5 V, а также. Использование солнечного имитатора (100 мВт см²) калибруется с использованием сертифицированного кремниевый фотодиод.

Representative Results

Для того чтобы получить целостное представление над различными методами изготовления для перовскита пленок, важно сочетать структурные, электронные и характеристики устройства. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) дает хорошее представление о морфологии. Таким образом, все пленки, полученные разными методами изготовления были исследованы. Представитель подмножество перовскита тонких пленок показано на рисунке 1, который визуализирует значительное влияние способа получения на морфологию пленки.

В идеале, гладкая и пин-отверстие бесплатно фильм желательно для устройств. Как можно видеть, это так для пленок осажденных в вакууме (F, G), дип с покрытием из них (д, е), а также пленок , полученных из совместного раствора с добавкой NH 4 Cl и толуола атмосферы (а1 к a5) с изменяющимся отношением R от PbI 2 к MAI от 0,6 до 1,4. В отличие от этого пленки witho УТ добавка (Н), а также окунанием покрытием (д, е) и те, уронить напыление (б, в) показывают большие пустоты, игольчатой ​​структуры или большую шероховатость поверхности, и, следовательно, не являются полезными для приборных применений.

Рисунок 1
Рисунок 1: СЭМ изображения перовскита пленок , полученных различными методами обработки. (A1 - a5) Co-раствор с добавкой и толуола атмосфере с различным соотношением PbI 2 к MAI (R), (б) Перепад покрытия с 40 сек времени загрузки, (с) понижаться покрытие с 120 с временем загрузки, ( d) окунанием (10 сек время загрузки), (е) окунанием (3,600 сек время загрузки), (е) совместное испарение, (г) последовательное испарение, (з) совместное решение без добавок. Масштабные полоски указывают на длину 1 мкм.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

И, наконец, на рисунке 1 a1-a5 показывают вариации смешивания отношения г PbI 2 к MAI от 0,6 до 1,4 с использованием препарата сорастворения с добавкой и толуола атмосферы. Вариации покрытия поверхности и размера кристаллов, показывают, что здесь появляются и разные морфологию пленки.

Хотя SEM является хорошим инструментом для визуализации морфологии и охват тонких пленок и, чтобы получить представление о шероховатости пленки, однако не структурная информация не дается.

Поэтому для того, чтобы далее охарактеризовать Перовскитоподобная фильмы, использовали рентгеновской дифракции (XRD). С помощью данной методики с использованием Cu K α анода (λ = 1,54056 Å) , кристаллические фазы в интервале 2 & thetas ; в возрасте от 10 6; и 40 ° (размер шага 0.00836 °) контролировались и охарактеризованы. Во многих публикациях ДРЛ используется для определения качества перовскита пленок.

На рисунке 2 показаны результаты измерений Рентгенограмма подмножества выборок , имеющих шесть различных соотношений смешении PbI 2 к МСИ, и , следовательно , соответствует изображениям SEM на рисунке 1A1-а5. Кроме того, спектр чистого PBI 2 показан. Исходя из этого, влияние стехиометрии в растворе предшественника по качеству перовскита слоев, а такие , как появление различных фаз, то есть включения дополнительных фаз PbI 2 и MAI, исследуется. Спектры показывают тетрагональную кристаллическую структуру, а отражения проиндексированы с соответствующими кристаллическими плоскостями. Удивительно, но не было обнаружено каких - либо дополнительных фаз МАИ или PbI 2 в отходящих стехиометрического пленок.

нт "> фигура 2
Рисунок 2: Рентгенограмма чистого PbI 2, а также со структурой перовскита образцы , полученные методом совместного решения (с NH 4 Cl и толуола атмосферы) , используя различные молярные соотношения предшественников (коэффициенты , приведенные цифры справа). Для сопоставимости кривые нормированы на пик при 14.11 ° и смещается по вертикали. Печатается с разрешения автора из ссылки 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Как ДРЛ не предоставили информацию о составе пленки, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) используется, который способен непосредственно измерить пленки стехиометрии. Для этого измерения α источник возбуждения Mg K (hν = 1252,6 эВ) С энергией пропускания 10 эВ (Энергетическое разрешение = 800 мэВ) используется. Относительные факторы чувствительности (RSF), должны быть приняты во внимание для каждого в отдельности измеряемого элемента. Таким образом , важно для калибровки RSFs для нашей измерительной системы (Mg K источника α, угол между источником рентгеновского излучения и анализатора 50,0 °). Мы использовали ряд небольших молекул для калибровки пика йода с трис- (4-iodphenyl) амин (C 18 H 12 N 3 I), и откалиброван Pb через PbI 2. Углерод используется в качестве ссылки, как таковой с RSF (C1s) = 1, поэтому, коэффициенты RSF для отдельных элементов; RSF (N1s) = 1,8, RSF (i3D 5/2) = 32,8 и RSF (Pb4f 7/2) = 16,5.

На рисунке 3 показана репрезентативная XPS спектр осажден из паровой фазы пленки с характерными пиками на уровне ядра , указанных в верхней подрисунок. В нижних подрисунки i3D 5/2 (619,6 эВ), n1s (402,7 эВ), C1s (286.6eV), и Pb4f 7/2 (138,6 эВ) пики показаны. Все сигналы могут быть установлены с помощью одного смешанного пика гауссовской / лоренцевом, только в том случае, йода небольшая особенность при более высоких энергий связи обычно наблюдается что, однако встряска пик и, следовательно, не имеет отношения к фактической дополнительного состояния соединения. Мы можем извлечь относительный состав пленки всех подготовленных перовскита слоев путем интегрирования по интенсивности сигнала и нормализацию их соответствующими RSF 16. В некоторых фильмах, большие отклонения были найдены от идеальной стехиометрии пленки C: N: Pb: I 1: 1: 1: 3; например, приводят к азоту колебалась от 0,4 до 1,5 зве. Это особенно актуально для паровой фазы пленок, где совместное испарение трудно контролировать и воспроизводить. Для решения обработке образцов, с другой стороны, фактическое и предназначен соотношений смешивания предшественника очень хорошо согласовывались с конечной композиции пленки, как определеноот XPS.

Рисунок 3
Рисунок 3: Представитель спектры XPS. Над полным XPS сканирования отображается, ниже крупным планом XPS измерения интегральных пиков показаны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Для того чтобы исследовать, как эти изменения в составе пленки влияют на плотность состояний, мы обратились к УФ-фотоэлектронной спектроскопии (UPS). Для выполнения измерения параметров ИБП, гелий газоразрядной лампы (He I в 21.22 эВ, погрешность выборки -8 V) используется с энергией пропускания 2 эВ, а энергетическое разрешение 110 мэВ (как определено по ширине края Ферми). Для всех образцов, полный спектр впервые был измерен, а затем с использованием более высокой анализатор апертуру, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум, подробное более высокое разрешение сканирования В.Б. область была выполнена. В спектрах ИБП, в частности в области сканирования VB, спутниковые пики, возникающие в результате полихроматическом Он I излучения корректировали численно в ходе анализа данных.

На рисунке 4 приведены кривые ИБП полного набора данных всех исследованных образцов, охватывающих как взаимодействующие и последовательное испарение (светло - красный), а также различные обработки раствора (темно - красные) методы. Мы только хотим подчеркнуть , что значительные различия в энергии ионизации (IE) наблюдаются, заметные из вариаций высокой связывающей позиции энергии среза в левой графике на рисунке 4. Эти изменения вызваны изменениями в обработке и пленки состава и привести к перестройки частоты ИЭ между 5,67 и 6,4 эВ. Для более детального обсуждения, смотрите ссылку 16.

JPG "/>
Рисунок 4: UPS сканы репрезентативного подмножества исследуемых образцов. На левой панели показывают высокую энергию связи среза (HBEC) и область валентной зоны, в то время как правая часть показывает высокое разрешение крупным планом начала VB для осажденных в вакууме (светло-красные линии) и раствор обработанным (темно-красный линии) перовскитовых пленки. Все кривые были сдвинуты вдоль оси х, чтобы привести в соответствие с функцией около 3 эВ. Печатается с разрешения автора из ссылки 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Как стало известно из наших предыдущих экспериментов, которые перовскит пленок, полученных из различных соотношений смешивания предшественников приводит к изменениям в электронной структуре, не нарушая кристаллическую структуру фильма, мы хотелиисследовать влияние соотношения предшественника на производительность солнечных батарей. Таким образом, ITO / PEDOT: солнечные батареи ПСС / перовскита / ПК 60 БМ / Al были приготовлены с использованием сорастворения обработке перовскита слоев (с добавкой и толуолом атмосфере) с использованием соотношений PbI 2 до MAI от 0,7 до 1,2. На рисунке 5 показано влияние пленки стехиометрии (предназначенный отношение R) на клеточные характеристики эффективности преобразования солнечной мощности (PCE), ток короткого замыкания (J SC), напряжение холостого хода (V OC) и коэффициент заполнения (FF). Наибольшая эффективность 9,6% обнаруживается в течение предполагаемого молярном соотношении 1,02, т.е. близко к идеальной композиции перовскита.

Рисунок 5
Рисунок 5: Характерные значения PCE, J SC, V OC и FF. Эти значения были извлечены из измерений солнечного элемента устройства Independent предполагаемого смешивания отношения R Int ПБИ 2 к MAI используется для получения пленки. Печатается с разрешения автора из ссылки 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

Мы показали, что условия обработки оказывают существенное влияние на морфологию пленки и покрытия пленки. Это является причиной того, почему многие исследовательские группы публикуют различные результаты в отношении производительности солнечных батарей и потенциал ионизации для одних и тех же материалов перовскита.

Для обеспечения воспроизводимости результатов, важно, чтобы все этапы обработки и методы определения характеристик включенному в инертной атмосфере (или в вакууме), чтобы избежать деградации в результате воздействия влажности. Кроме того, чистота и поставщик эдуктов играют важную роль (не расследуются в настоящем документе). Понятно, что вакуум на хранение перовскитовых слои имеют высокую кристаллические пленки; Тем не менее, по сравнению, решение проявленных пленок могут быть изготовлены с более высокой пропускной способностью.

В нашем исследовании с использованием NH 4 Cl в качестве добавки в раствор предшественника и в атмосфере толуола в чаше спина нанесения покрытий при условии наиболее воспроизводимые и гладкой перовскитае фильмы. С другой стороны, падения и падение процессов покрытия приводит к довольно грубые поверхности, и не были дополнительно рассмотрены для применения устройства. И, наконец, вакуум обрабатываются слои имеют общий меньшие размеры кристаллов (~ 100 нм), но с высокой степенью охвата через весь фильм и более гладкой поверхностью. Из серии образцов с различным соотношением предшественника, мы узнали, что композиция оказывает существенное влияние на формирование пленки, а также. Тем не менее, при исследовании этих слоев с РСА (рисунок 2) все фильмы показывают высокую степень кристалличности и аналогичную тетрагональную кристаллическую структуру , обозначенную отражений при 14,11 ° и 28,14 ° , представляющую (110) и (220) плоскостей, в то время как некоторые из слои, казалось, немного более неупорядоченной, который можно увидеть появление слабой (002) и (004) отражений. Тем не менее, не наблюдается значительное расширение ДРЛ дифракционного пика. Интересно, что никаких признаков отдельных фаз PbI 2 при 12,63 ° не нашли, даже для больших избыточных количеств включенного PbI 2. Это указывает на то, что PbI 2 включено не в виде отдельной фазы или нанокристаллических островков , но , как разбавленных междоузлий, что делает его невозможно обнаружить с помощью XRD. Таким образом, использование XRD ограничено.

С другой стороны, XPS подтверждает , что дополнительное количество PbI 2 или MAI ( в зависимости от способа их производства) присутствуют в пленке, как это видно из вариаций приводит к азоту. Эти междоузельные в свою очередь, оказывают существенное влияние на электронную структуру пленки, как упоминалось ранее. Теперь, комбинируя выводы из XPS с наблюдением различия в энергии ионизации, выявленных ИБП позволяет соотнести эти два явления. На фиг.6 показан комбинированный график , где измеренное значение ИЭ на графике как функцию от состава пленки (свинцовой к азоту) соответствующей пленки.

Рисунок 6 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
Рисунок 6: Извлеченные точки измерения для полного набора данных из 40 перовскита пленками. Зависимость энергии ионизации от элементарного отношения R ехр свинца к содержанию азота (как определено XPS); сплошная линия представляет собой линейную фи т к данным и пунктирные линии обозначают стандартное отклонение ± 0,12 эВ. В нижней части, остатки ФИ т показаны. Печатается с разрешения автора из ссылки 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Мы находим четкую линейную корреляцию между этими двумя значениями. Наши результаты, таким образом, показывают , что перовскита пленка с МАИ в избытке обладает меньшей IE, в то время как PbI 2 богатый слой увеличивает IE. Мы находим IE 6,05 ± 0,10 эВдля оптимального мольном соотношении R ехр = 1, что значительно больше , чем часто опубликованную IE 5,4 эВ. Это несоответствие, вероятно, не будет из-за условий обработки, как мы находим это значение для различных по-разному подготовленных перовскита пленок. Это скорее связано с различиями в оценке данных, где линейная плотность состояний склона используется здесь приводит к более высоким значениям считывания. Широкое обсуждение этого вопроса можно найти в ссылке 17. Важно отметить , что мы не обнаружили изменений в оптическом запрещенной зоне этих пленок (E G = 1,60 ± 0,02 эВ, данные не показаны), что означает , что это не только смещение IE с переменным отношением, но энергия активации (EA) одновременно смещается.

Максимальная эффективность солнечных батарей была обнаружена для молярном отношении R 1,02 (PBI 2 до MAI) с эффективностью преобразования энергии на 9,6% , что подтверждает выводы из литературы 14 , что чуть - чутьPbI 2 богатые пленки имеют улучшенное поведение по несущей пассивирование перовскита фильм PbI 2 на границах зерен. Уменьшение напряжения холостого хода 200 мэВ с увеличением содержания PbI 2 можно найти. Так как никаких изменений в запрещенной зоне перовскита материала не происходит, уменьшение V OC не может быть объяснено одновременным уменьшением разрыва фотоэлектрической, а недостаточной блокировки дырок на границе раздела перовскита и PCBM (IE PCBM = 6,2 эВ) из - за увеличение перовскита IE. Одновременно FF для R> 1,05 уменьшается от 0,8 до 0,7, который поддерживает эти выводы.

В заключение мы представили обширное исследование перовскита пленок, изготовленных различными способами приготовления и обнаружили, что сильные изменения происходят в формировании пленки, электронной структуры и работы устройства. Особый интерес представляет возможность настроить IE перовскита путем преднамеренного включения MAI Oг PbI 2 междоузельные которые могут быть использованы для оптимизации интерфейса в новых архитектур устройств. Будущие исследования будут смотреть на более продвинутых методов подготовки, которые направлены в сторону больших областей устройств. К ним относятся такие методы, как доктора лопатками, техники распыления и крупномасштабного печати, которые в настоящее время установлена ​​на нашем предприятии в COPT.centre (COPT = центр для органических технологий производства).

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку со стороны государства федеральной земли Северный Рейн-Вестфалия через проекта PERO-BOOST (EFRE, код проекта NW-1-1-040a). Благодаря идти к Азар Jahanbakhsh и Инес Шмидт (оба Кельнский университет) за помощь в изготовлении и характеризации 2-ступенчатым раствора обработанные перовскитовых слои, д-р Юрген Schelter (Кельнский университет) для синтеза материала МАИ, а также профессор . доктор Ридл и Неда Pourdavoud (оба университета Вупперталь) для измерений РСА.

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

Химия выпуск 120 перовскита метод изготовления фотоэлектронной спектроскопии рентгеновской дифракции фотоэлемент
Влияние гибридных методов перовскита на пленке Изготовление формирования, электронная структура и производительность солнечных батарей
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