ここでは、非常に効率的なペロブスカイト型太陽電池を実現するために、一価カチオンの添加剤の組み込みを介して溶液処理CH 3 NH 3 PBI 3の特性を調整するためのプロトコルを提示します。
ここでは、光学励起子、および電気的特性を調整するために、CH 3 NH 3 PBI 3ペロブスカイトに一価陽イオン添加物の取り込みを実証します。ドーピングの可能性のCu +とNa +、及びAg +などのPb 2+と同様のイオン半径と一価のカチオンのハロゲン化物を添加することにより調べました。フェルミ準位のシフトとペロブスカイト型の下位精力的な障害と一緒にサブバンドギャップ光吸収の著しい減少が、達成されました。バルク正孔移動度と添加剤ベースのペロブスカイト型装置内輸送の活性化エネルギーの大幅な削減で1桁増強が達成されました。これらの陽イオンの存在下で上記の改善された性質の合流は、ペロブスカイト型太陽電池の光起電パラメータの向上につながりました。ヨウ化銀のための開回路電圧で70 mVでの増加及び2ミリアンペア/ cm 2の悪童NaI-とのCuBrベースの太陽電池の光電流密度のrovementは、自然のままのデバイスに比べて達成されました。私たちの仕事は、CH 3 NH 3 PBI 3ペロブスカイトと後続のデバイスの光電子品質のさらなる改善のための道を開きます。これは、結晶中のドーパント不純物の役割に関する研究のための新しい道を強調し、ペロブスカイト構造の電子欠陥密度を制御します。
現在、世界のエネルギー必要量( すなわち、85%)の支配的な部分は、地球温暖化を促進し、私たちの環境1に有害な影響を持っている石油、石炭、天然ガスの燃焼によって供給されています。従って、エネルギーのCO 2 -neutral源の開発が最重要関心事です。太陽光発電(PV)は、この要件を満たすことができる理想的なエネルギー変換プロセスです。しかし、コストや効率は、太陽光発電技術の広範な採用の主な障害として、改善されなければなりません。このようなペロブスカイト型太陽電池(PSC)などの新しい材料に基づく太陽光発電技術を、新興、低コストと効率化の組み合わせを持っています。これは、シリコンベースの対応2,3に比べて容易に入手できる安価な材料の使用、並びに、速く容易、かつ低エネルギー処理経路を介してを介して達成されます。4。 3.8%から22%以上の電力変換効率(PCE)の著しい改善が、PVアーキテクチャ5、6、7、8で初登場以来、有機-無機ハイブリッド鉛ハライドペロブスカイトについて報告されています。このような優れた性能は非常に鋭利バンド端で強い光吸収に由来する、非常に低いエネルギッシュな障害、簡単に大規模な拡散長と自由キャリアに解離弱く結合した励起子、および有機 – 無機ハイブリッドの光子のリサイクル能力リードハロゲンペロブスカイト9、10、11、12。これらの材料は、ABX 3の結晶を形成する有機ハロゲン化物と金属ハロゲン化物塩から結晶化されたペロブスカイト家族、に分類されています</sub> Xはアニオンである構造、及びA及びBは、異なるサイズの陽イオンは、(Bよりも大きい)です。サイトの報告された陽イオンは、メチル(MA)、ホルムアミジ(FA)、およびセシウム(Cs)が挙げられます。これらの陽イオンの組み合わせが最高の性能13,14を示しています。また、Bサイト中の二価カチオンのための主な候補は、錫で置き換えることができる鉛です。バンドギャップが正常にレッドシフト鉛-錫混合ペロブスカイト15 1,000 nm以上にすることができます。ヨウ化物(I)及びブロマイド(BR)の混合物を主候補16、17として導入された場合も同様に、Xサイトの乗員は、広範囲に研究されています。したがって、それらの化学組成を変更することによりペロブスカイトの構造形態学、および光電子特性を操作することは非常に妥当です。
事実にもかかわらず、その強化された水晶μLLINE質ペロブスカイト膜の巨視的な均一性は、効率的な装置18を実現するために重要なパラメータであり、多結晶ドメイン、原点ペロブスカイト吸収の電子欠陥の役割、および電荷収集層の役割時の境界の影響ペロブスカイト型太陽電池の損失プロセスはまだ十分に理解されていません。ペロブスカイト構造における電子の欠陥の性質については、または、伝導帯および価電子帯における状態の連続中に非常に近い状態をもたらし、このようなI又はPbの空孔などの欠陥の多くのことが報告されています光起電力素子19に負の電子の影響を与える可能性があります。また、鉛カチオン及びペロブスカイト平面中のヨウ化物アニオンとの間に強い共有結合相互作用が本質的な欠陥の存在につながる可能性があり( 例えば、鉛二量体およびIトリマーをコーディネートアンダー)、レコード生成可能性があります装置20の動作時に電荷再結合中心として作用するバンド端内のE部位。
ここでは、ドーピングCH 3の影響を調査するNH 3 PBIのNa +はCu +及びAg +、のPb 2+より低い原子価の金属イオンを含む一価のカチオンのハロゲン化物と3ペロブスカイト。そこで我々は、ペロブスカイト前駆体溶液に彼らのハライド系の塩( 例えば、NaIを、CuBrを、CuIを、とのAgI)の合理的な量の添加により、これらの陽イオンを組み込みます。これらの陽イオンは鉛2+に似たイオン半径を持っているので、結晶内の置換ドーピングは可能性があります。我々は、これらの陽イオンの存在を強く形態とペロブスカイト層の被覆率の両方に影響を与えることを示しています。また、これらのカチオン( 例えば Na +及びAg +)の存在は、X線光電子分光法(XPS)により確認し、そしてsignificanされていますペロブスカイトのフェルミ準位におけるTの変化はケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)により測定しました。順次堆積ペロブスカイト型太陽電池にこれらのカチオンを組み込むことによって、我々は、PSC(15.6%が14%と比較)の光起電力効率の向上を達成しました。したがって、電荷輸送を最大にするために、最高のPV性能を達成するために表面トラップを不動態化するために太陽電池アーキテクチャの吸収体層( 例えば、ペロブスカイト型)の構造的及び光電子的特性を向上させるために非常に不可欠です。
メゾスコピックペロブスカイト型太陽電池の一般的なアーキテクチャは、材料の一連のスピンコート導電性基板と熱的に蒸発させた金属コンタクト( 図1)の間であった本研究で使用しました。メソポーラスTiO 2の層は、表面トラップを不動態化するために、電子輸送層と吸収材料21、22の間のインターフェースを改善することが報告されたTiCl 4で処理しました。ペロブスカイト層を順次二段階の堆積技術を用いて堆積させました。第二段階でのペロブスカイトへの鉛のハロゲン化物の完全な変換が最も高い光吸収16、17を達成するために不可欠であり、我々は、一価カチオンのハロゲン化剤( 例えば、NaIをとのCuBr)は完全な変換をもたらすことを示しました。メソ多孔質チタニア層Wのさらに完全な被覆ペロブスカイトi番目オーバー層、正孔輸送層( 例えば、スピロOMETAD)、電子輸送層( 例えば、メソ多孔性のTiO 2)23との間の潜在的な組換えを排除するために重要です。我々は、1価のカチオンのハロゲン化物( 例えば、CuIをとのAgI)を添加すると、デバイスのためのより高い開回路電圧をもたらすペロブスカイトキャッピング層の表面被覆率を向上させることができることを図示しました。
本手法の主な利点は、我々は、電荷密度、電荷輸送、および吸収体層の導電率を向上させるためにCH 3 NH 3 PBI 3構造に一価カチオンを組み入れドーピング工程、です。前節で述べたように、上述のドーパントは著しく、電子と正孔移動度の両方を増強しました。また、同様にperovskiのエネルギー障害における電荷輸送の活性化エネルギーの著しい減少TE膜は、一価の陽イオンをドープすることによって達成されました。
本研究では、太陽電池構造ペロブスカイトメゾスコピックにおける吸収層としてCH 3 NH 3 PBI 3をドープする方法を示しました。一価カチオンのハロゲン化物は、太陽電池の性能を向上させるために調整するためにCH 3 NH 3 PBI 3ペロブスカイト膜の、形態的、光学的、および電気的特性を使用しました。そこで、PBI 3 NH 3 CH 3の逐次二段階堆積リード源でのPb 2+と同様のイオン半径を有する三つの異なる一価の陽イオン( 例えば、ナトリウム+はCu +及びAg +)を、組み込まれ。結果として、CH 3 NH 3 PBI 3の構造と光電子特性の著しい改善を作製太陽電池のより高いのPCEにつながる、これらの添加剤の存在下で起こりました。したがって、我々の仕事のハイテクさらに、ペロブスカイト薄膜の電子的品質を改善するために、ペロブスカイト型太陽電池( 例えば、平面アーキテクチャ)の他のすべての構成で使用することができる吸収体層としてPBI 3 NH 3 CH 3をドープの容易な方法をghlights。
https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187:この論文の基礎となるデータがでご利用いただけます。
The authors have nothing to disclose.
博士課程の奨学金のためのM.アブディ・ジャレビのおかげナバ技術限定。 MIダルとM.Grätzelは、金融支援のための科学技術のためのキング・アブドゥルアジーズ・シティ(KACST)とスイス国立科学財団(SNSF)をお願いいたします。著者らは、XPS測定を実施するための分子で博士ピエールMettrauxとハイブリッド材料計測センター、EPFLに感謝したいと思います。 A.Sadhanalaは感謝インド・英国APEXのプロジェクトからの財政支援を認めます。 SP Senanayakはニュートンフェローシップのための王立協会ロンドンを認めています。 RHフレンド、M.アブディ・ジャレビ、およびA. SadhanalaはEPSRCの支援を感謝したいです。
Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glass | Sigma-Aldrich | 735264-1EA | Resistivity≈13 Ω/sq |
Zinc powder | Sigma-Aldrich | 96454 | Molecular Weight 65.39 |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84415 | ≥37 wt. % |
Hellmanex detergent | Sigma-Aldrich | Z805939-1EA | pkg of 1 L |
Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) | Sigma-Aldrich | 325252 | 75 wt. % in isopropanol |
Titania Paste | DYESOL | MS002300 | 30 NR-D Transparent Titania Paste |
Lead (II) iodide | Sigma-Aldrich | 211168 | 99 wt. % |
N,N-Dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 437573 | ACS reagent, ≥99.8% |
Methylammonium iodide | DYESOL | MS101000 | Powder |
SpiroMeOTAD | Sigma-Aldrich | 792071 | 99% (HPLC) |
Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma-Aldrich | 544094 | 99.95% trace metals basis |
4-tert-Butylpyridine | Sigma-Aldrich | 142379 | Purity: 96% |
Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 284513 | anhydrous, 99.8% |
2-Propanol (IPA) | Sigma-Aldrich | 278475 | anhydrous, 99.5% |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | absolute alcohol, without additive, ≥99.8% |