Summary
Hier presenteren we een protocol om de eigenschappen van oplossing verwerkt CH 3 NH 3 PBI 3 door de integratie van monovalente kation additieven aanpassen om zeer efficiënte zonnecellen perovskiet bereiken.
Abstract
Hier tonen we de opname van additieven in monovalente kation CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet om de optische, aangeslagen passen, en elektrische eigenschappen. De mogelijkheid van doping werd onderzocht door toevoeging monovalent kation halogeniden met gelijke ionenstralen met Pb 2+, zoals Cu +, Na + en Ag +. Een verschuiving van het Fermi niveau en een opmerkelijke afname van sub-bandgap optische absorptie, samen met een lagere energetische wanorde in het perovskiet werd bereikt. Een orde van grootte verbetering in de bulk mobiliteit gat en een aanzienlijke vermindering van de activering transport van energie binnen een-additief op basis van perovskiet apparaat werd bereikt. De samenvloeiing van de bovengenoemde verbeterde eigenschappen in de aanwezigheid van deze kationen tot een verbetering in de fotovoltaïsche parameters van het perovskiet zonnecel. Een stijging van 70 mV in open circuit spanning voor AgI en een 2 mA / cm2 improvement in fotostroom dichtheid voor NaI- en CuBr-gebaseerde zonnecellen werden bereikt in vergelijking met het oorspronkelijke apparaat. Ons werk baant de weg voor een verdere verbetering van de kwaliteit van de opto-elektronische CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet en latere apparaten. Het wijst een nieuwe weg voor onderzoek naar de rol van doteermiddel onzuiverheden kristallisatie en bestuurt de elektronische defectdichtheid in perovskiet structuren.
Introduction
Momenteel is het belangrijkste deel van de wereldwijde energiebehoefte (bijvoorbeeld 85%) wordt toegevoerd door de verbranding van olie, kolen en aardgas, dat het broeikaseffect vergemakkelijkt en heeft nadelige gevolgen voor het milieu 1. Daarom is de ontwikkeling van CO 2 -neutrale energiebronnen is van het grootste belang. Fotovoltaïsche zonne-energie (PV) is een ideale omzetting van energie proces dat aan deze eis kan voldoen. Echter, de kosten en efficiëntie, als de belangrijkste obstakels voor de uitgebreide toepassing van PV-technologie, moet worden verbeterd. Opkomende fotovoltaïsche technologieën op basis van nieuwe materialen, zoals perovskiet zonnecellen (PVC), de combinatie van lagere kosten en hogere efficiency. Dit wordt bereikt door het gebruik van goedkope materialen die gemakkelijk beschikbaar, evenals door snelle zijn, gemakkelijk en energiezuinige procesroutes vergelijking met silicium gebaseerde tegenhangers 2, 3,4. Een opmerkelijke verbetering van de kracht omzettingsrendement (PCE), van 3,8% tot meer dan 22%, is gerapporteerd voor hybride organisch-anorganische perovskiet Loodhalide Sinds de eerste verschijning in PV architectuur 5, 6, 7, 8. Een dergelijke uitstekende prestaties is afkomstig van de sterke lichtabsorptie met een extreem scherpe band-edge, de zeer lage energetische wanorde, het zwak-gebonden excitonen die gemakkelijk dissociëren in het vrije dragers met grote diffusie lengtes, en het foton recycling vermogen van hybride organisch-anorganische Loodhalide perovskiet 9, 10, 11, 12. Deze materialen worden ingedeeld in de perovskiet familie, die gekristalliseerd uit organisch halogenide en metaal halide zouten kristallen in de ABX 3 13, 14. Verder is de belangrijkste kandidaat voor het tweewaardige kation in de B-site chroom dat kan worden vervangen door tin; de bandgap succes kan rood verschoven naar meer dan 1000 nm in een lood-tin gemengd perovskiet 15 zijn. Evenzo zijn de X-plaats inzittenden uitgebreid bestudeerd, waarbij een mengsel van jodide (I) bromide en (Br) geïntroduceerd als belangrijkste kandidaten 16, 17. Daarom is het zeer aannemelijk de structurele, morfologische en opto-elektronische eigenschappen van perovskieten manipuleren door het veranderen van hun chemische samenstelling.
Ondanks het feit dat de versterkte crystalline kwaliteit en de macroscopische uniformiteit van de perovskiet film zijn belangrijke parameters voor efficiënte apparaten 18 te bereiken, de invloed van de grenzen tussen de polykristallijne domeinen, de oorsprong en de rol van elektronische defecten in de perovskiet absorbers, en de rol van de incassomethodes lagen op verliesprocessen in de perovskiet zonnecellen nog niet goed begrepen. Gezien de aard van elektronische defecten in de perovskietstructuur, is gerapporteerd dat veel van de gebreken, zoals I of Pb vacatures, resulteren in landen die zeer dichtbij of binnen het continuüm van staten in de geleiding en valentie banden, die kan een negatieve invloed hebben op elektronische de zonnecellen met 19 hebben. Bovendien kan een sterke covalente binding interactie tussen loodkationen en jodide-anionen in de perovskiet vlak wijzen op de aanwezigheid van intrinsieke defecten (bijvoorbeeld onder gecoördineerde Pb dimeren en trimeren I), die kunnen create sites binnen de band- rand die als ladingsrecombinatie centra tijdens de werking van de inrichting 20.
Hier onderzoeken we de gevolgen van doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet met monovalent kation halogeniden, waaronder Na +, Cu + en Ag +, lagere-Valence metaalionen dan Pb 2+. We nemen dus deze kationen door toevoeging van een redelijke hoeveelheid hun halogenide gebaseerde zouten (bijvoorbeeld NaI, CuBr, Cul en AgI) in de perovskiet precursor oplossing. Deze kationen ionenstralen Soortgelijke Pb2 +, zodat substitutie doping in het kristal waarschijnlijk. We hebben aangetoond dat de aanwezigheid van deze kationen sterk zowel de morfologie en de dekking van het perovskiet laag beïnvloedt. Bovendien heeft de aanwezigheid van deze kationen (bijvoorbeeld Na + en Ag +) bevestigd door röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS) en een significant verandering in het Fermi niveau van perovskiet werd gemeten door Kelvin probe kracht microscopie (KPFM). Door het opnemen van deze kationen in sequentieel afgezet perovskiet zonnecellen, realiseerden wij een verbetering van de efficiëntie van fotovoltaïsche PSC (15,6% te vergelijken 14%). Daarom is het zeer essentieel om de structurele en optische eigenschappen van de absorberende laag (bijvoorbeeld perovskiet) zonnecel architectuur te verbeteren om het ladingstransportkanaal maximaliseren en de oppervlakte vallen passiveren om de hoogste PV werkingsduur.
Protocol
1. Synthese en depositie van Pristine en Additive-gebaseerde CH 3 NH 3 PBI 3
LET OP: Alle oplossingen werden bereid in een argon handschoenenkastje onder vocht- en zuurstof gecontroleerde omstandigheden (H 2 O-niveau: <1 ppm en O 2 niveau: <10 ppm).
- Oplossen 553 mg (1,2 M) van pBI 2 in 1 ml N, N-dimethylformamide (DMF) onder constant roeren bij 80 ° C.
- Voeg 0,02 M monovalent kation halogeniden het PBI 2 oplossing.
- Spin-laag de verkregen gele transparante oplossing op het substraat (bv, mesoporeuze-TiO 2) gedurende 30 seconden bij 6500 tpm met een helling van 4000 rpm.
- Bak de films op een verwarmingsplaat bij 80 ° C gedurende 30 minuten.
- Los op 40 mg methylammonium jodide (MAI) in 5 ml isopropanol.
- Spin-coat een voldoende hoeveelheid MAI oplossing op de resulterende voorsprong jodide films onder toepassing van een tweestaps protocol dat 45 s van de laadtijd bevat gevolgd door 20 s spinnen bij 4.000 toeren per minuut.
- Gloeien de spin beklede perovskiet films op een verwarmingsplaat bij 100 ° C gedurende 45 minuten.
2. Zonnecel Fabrication
- voorbereiding van de ondergrond
- Patroon met fluor gedoteerd tinoxide (FTO) gecoate glas.
- Bedek het actieve gebied van de FTO glas met semitransparent plakband.
- Giet het zink (Zn) poeder op de onbedekte delen van de FTO substraten.
- Bereid 2 M zoutzuur (HCl) in gedestilleerd water.
- Giet het HCl-oplossing op het deel van de FTO glas dat is behandeld met Zn poeder.
- Was de FTO met water en verwijder de tape.
- Het reinigen van de substraten
- Was de FTO ruit met 2% (w / v) detergent.
- Ultrasone trillingen de geëtste substraten FTO in aceton en isopropanol (IPA) gedurende 10 min.
- Behandel de FTO ondergronden met een ultraviolet / O 3 reiniger gedurende 15 min.
- Patroon met fluor gedoteerd tinoxide (FTO) gecoate glas.
- Aanbrengen van een gat blokkerende laag
- Voeg 0,6 ml titanium diisopropoxide bis (acetylacetonaat) (TAA) in 7 ml IPA.
- Doe de schoongemaakt en patroon FTO substraten op een kookplaat bij 450 ° C en bedek de contactpunten voor verwarming.
- Spuitpyrolyse de TAA oplossing op het onbedekte gebied met behulp van O 2 als draaggas.
- Laat de monsters bij 450 ° C gedurende 30 minuten.
- Afzetting van een elektronen transportlaag
- Verdun de commerciële TiO 2 plakken (30-nm deeltjesgrootte) met ethanol (2: 7, gewichtsverhouding).
- Homogeniseer de TiO 2 verwatering door sonicatie gedurende 30 minuten.
- Spin-coat Titania verdunning op de voorbereide monsters met compacte TiO 2 lagen gedurende 30 seconden bij 5000 tpm met een helling van 2000 rpm.
- Gloeien de titania films bij 500 ° C gedurende 30min.
- Behandel het resulterende mesoporeuze films TiO 2 in een 40 mM oplossing van TiCl4 in gedestilleerd water bij 70 ° C gedurende 20 min.
- Gloeien het TiCl 4 behandelde films 450 ° C gedurende 30 minuten.
- Afzetting van de perovskiet laag
OPMERKING: De FTO substraten met titania lagen werden overgebracht naar een droge-luchtkast met een vochtgehalte van <1% voor de rest van het fabricageproces.- Spin-coat de geprepareerde leiding jodide-oplossingen (met en zonder doteermiddelen) op het mesoporeuze TiO 2 gedurende 30 seconden bij 6500 tpm met een helling van 4000 rpm.
- Bak de films op een verwarmingsplaat bij 80 ° C gedurende 30 minuten.
- Spin-coat een voldoende hoeveelheid MAI oplossing in de resulterende voorsprong jodide films onder toepassing van een tweestaps protocol dat 45 s uit laadtijd gevolgd door spinnen gedurende 20 s bij 4000 rpm met een helling van 2000 rpm omvat.
- Gloeien de spin beklede film op een perovskiet hotplate bij 100 ° C gedurende 45 minuten.
- Afzetting van het gat transportlaag
- Voeg 72,3 mg spiro-OMeTAD tot 1 ml chloorbenzeen en schud tot de oplossing doorzichtig.
- Voeg een voorraadoplossing van bis (trifluormethylsulfonyl) imide (LiTFSI) door toevoeging van 520 mg LiTFSI in acetonitril.
- Voeg 17,5 ul van de voorraadoplossing LiTFSI en 28,8 uL 4-tert-butylpyridine (TBP) op de spiro-OMeTAD oplossing.
- Spin-coat bovenstaande oplossing gedurende 30 seconden bij 4000 tpm met een helling van 2000 rpm.
- Thermische verdamping van de top contact
- Maskeren de monsters en zet ze in de vacuümkamer van de verdamper.
- Damp 80 nm van goud met een snelheid van 0,01 nm / s.
Representative Results
Veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM) werd gebruikt om zowel dwarsdoorsnedebeelden van de gefabriceerde perovskiet zonnecellen opnemen (figuur 1) en bovenaanzicht afbeeldingen van de gedeponeerde pBI 2 en CH 3 NH 3 PBI 3 films (figuur 2). Röntgendiffractie (XRD) en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) werden toegepast om de structurele eigenschappen van het perovskiet Moving Films (figuren 3 en 4). Fotothermische deflectie spectroscopie (PDS) en Kelvin probe kracht microscopie (KPFM) werden gebruikt om de optische en elektrische eigenschappen van de films perovskiet probe respectievelijk (Figuren 5 en 6). Bovendien temperatuurafhankelijke bulktransport metingen gebaseerd op ruimtelading beperkte stroom (SCLC) werd uitgevoerd op de perovskiet apparaten (Figuur 7). Tot slot, een standaard photovoltaic meting van de gefabriceerde inrichtingen werd uitgevoerd (Figuur 8 en tabel 1).
Gebaseerd op bovenaanzicht SEM beelden van de pBI 2 en CH 3 NH 3 PBI 3 afgezet op het mesoporeuze TiO 2 laag (mp-TiO 2) getoond in figuur 2, het effect van de additieven op de morfologie van perovskiet werd geïllustreerd waarin grote tak-vormige kristallen van PBI 2 werden bereikt in de Nal-gebaseerde steekproef. Dit leidde tot de vorming van grotere asymmetrische kristallen van perovskiet. Verder kregen we een uniforme en pinhole-vrij perovskiet aftopping laag voor CuI- en AgI-gebaseerde monsters (figuur 2c en 2e). Om het effect van monovalente kation halogenide additieven op de kristalstructuur van CH 3 NH 3 PBI 3 en de omzetting van pBI 2 in CH 3 NH 3 PBI onderzoeken3, röntgendiffractie werd uitgevoerd (Figuur 3). Hoewel de kristalstructuur van het uiteindelijke perovskiet bleef hetzelfde voor alle monsters, is het duidelijk dat de diffractie piek bij 2θ = 12,6, wat overeenkomt met de omgezette PBI 2, werd uitgeschakeld in aanwezigheid van NaI en CuBr additieven. Om de aanwezigheid van deze monovalente kationen in de CH3 bevestigen NH 3 PBI 3 perovskiet films, voerden we een XPS-analyse, zoals weergegeven in figuur 4. Op basis van de XPS-gegevens toonden we de aanwezigheid van Na en Ag ionen in de perovskiet films, terwijl de concentratie van Cu niet bepaald kon worden, waarschijnlijk door de nabijheid van jodide (I 3p1 / 2) en koper (Cu 2P1 / 2) pieken.
Het effect van het monovalente kation additieven op het absorptiespectrum van het perovskiet wordt getoond in figuur 5a, die werd gemeten met PDS.Het is duidelijk dat de additiefbasis CH 3 NH 3 PBI 3 had lagere sub-bandgap absorptie in vergelijking met het oorspronkelijke monster. Verder werd een absorptie staart waargenomen voor Cu-gebaseerde monsters, die afkomstig is van de intrinsieke absorptie van koperhalogenide (figuur 5b). Hoewel de absorptie staart bevestigt de aanwezigheid van Cu kationen in de laatste perovskiet films, blijkt op basis van de vergelijking tussen de PDS van Cul-gebaseerde PBI 2 en CH 3 NH 3 PBI 3, dat hun opname niet volledig. Bovendien, de Urbach energie (Eu), die een maat van de mate van energetische wanorde van een materiaal, werd geschat voor oorspronkelijk, NaI-, CuBr-, CuI- en AgI-gebaseerde perovskiet, en de waarden zijn 15,6, 11,8, 12,8, 13,5 en 15,2 meV respectievelijk (inzet van figuur 5a).
Om de invloed van de bovengenoemde additieven op de stroom staandONIC structuur van CH 3 NH 3 PBI 3, voerden we KPFM, waarbij het contact potentiaalverschil (CPD) van de lijn profielen werd gemeten. Dit komt overeen met de oppervlakte werkfunctie (Φ) van de in figuur 6 perovskiet. Een duidelijke verschuiving in de CPD (dat wil zeggen, 0,1 V) van het additief op basis van perovskiet in vergelijking met de ongerepte ene blijkt dat het perovskiet Fermi-niveau wordt verschoven naar de valentieband. Deze verandering in het Fermi niveau van perovskiet kan worden toegeschreven aan ofwel vervangende p-doping (bijvoorbeeld het vervangen van Pb2 + met eenwaardige kationen X +) of oppervlaktepassivering de kristallijne oppervlakken van perovskiet.
Om het effect van doping van de dichtheid van de kosten en op hun transport eigenschappen in CH 3 NH 3 PBI 3 onderzoeken, voerden wij temperatuurafhankelijke bulktransport metingen (figuur 7a SCL) op basis van de ruimtelading beperkte stroom (SCLC) van de volledige elektron en hole-only ongerept en additief op basis van perovskiet apparaten. Een opmerkelijke verhoging van het geleidend vermogen in zowel het elektron en gat mobiliteit behaald, met name voor de NaI en CuBr monsters in vergelijking met pristine perovskiet (tabel 1). Het is opmerkelijk dat de verbetering van de mobiliteit en geleidbaarheid lading in overeenstemming met de verbetering in de kortsluitstroom (J sc) en vullinggraad (FF) van de vervaardigde zonnecellen figuur 7b. Verder schatten we de activeringsenergie voor ladingstransport (L) voor zowel het elektron en het gat middels temperatuursafhankelijke bulktransport metingen, waarbij een duidelijke afname werd bereikt voor additiefbasis perovskiet. Deze verbetering wordt toegeschreven aan de hogere dichtheid van dragers door doping en vullend the transport vallen, hetgeen resulteert in een aanzienlijke daling van de transportbarrière.
We vervaardigd perovskiet zonnecellen gebaseerd op voornoemde monovalente kation halogeniden, de overeenkomstige JV bochten en de fotovoltaïsche parameters die worden samengevat in figuur 8a en tabel 1. Een significante verbetering in nullastspanning werd bereikt voor beide CuI- (0,99 V) en AgI- (1,02 V) gebaseerde zonnecellen vanwege het ideale oppervlaktebedekking (figuur 2c en 2e). Bovendien een opmerkelijke toename van de kortsluitstroom (≈2 mA cm-2) voor CuBr- en NaI gebaseerde zonnecellen werd verkregen, die kan worden toegeschreven aan de volledige omzetting van pBI 2 in CH 3 NH 3 PBI 3. Deze verbetering werd bevestigd door de invallende foton-stroomomzetter omzettingsrendement (IPCE) spectra getoond in figuur 8b. Tenslotte higher macht omzettingsrendement (PCE) niveaus van 15,2%, 15,6% en 15,3% werden bereikt voor NaI-, CuBr- en-Cul-gebaseerde apparaten, respectievelijk, te vergelijken met de waarde van 14,0% voor de ongerepte perovskiet zonnecel.
Figuur 1: Mesoscopische perovskiet zonnecel architectuur. SEM dwarsdoorsnede microfoto van een complete inrichting met de volgende structuur: FTO / compact-TiO 2 / mesoporeuze-TiO 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au.
Figuur 2: morfologische analyse van lood jodide en perovskiet structuren. Top-view SEM beelden van PBI 2 (links) en CH 3 NH 3 PBI 3 (rechts) structuren: (a) ongerepte, (
Figuur 3: Effect monovalent kation halogenide additieven op perovskiet kristalliniteit. Röntgendiffractie spectra van ongerepte en additiefbasis CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet die geteeld op mesoporeuze TiO 2 film, die is afgezet op de FTO bekleed glas. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18.t = "_ blank"> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Spoor van monovalente kationen in de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskietstructuur. XPS-analyse van ongerepte, CuBr-, CuI-, NaI- en AgI-gebaseerde perovskiet films. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Optische eigenschappen van perovskiet films. (A) De absorptiespectra van perovskiet films afgeleid van ongerepte en additiefbasis loodbronnen gemeten met de PDS techniek. Deinzet toont de overeenkomstige Urbach energieën voor alle monsters. De foutenbalk wordt gedefinieerd door de SD inbouwstap Urbach staart. (B) Vergelijking van de PDS absorptiespectra van ongerepte en CuBr-gebaseerde lood jodide en perovskiet films, alsmede CuBr afgezet op ms-TiO 2 en CuBr alleen films. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Effect van monovalent kation additieven op het potentieel van perovskiet films oppervlak. CPD lijn profielen opgenomen van ongerept en-additief op basis van perovskiet films met behulp van KPFM. Het beeld AFM topografie wordt getoond op de top. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: kenmerken Charge transport van perovskiet films. (A) JV karakteristieken van hole-only apparaten (ITO / PEDOT: PSS / Perovskite / Au), gebruikt voor het schatten van de SCLC mobiliteit gat. Merk op dat de stroomdichtheid (J) wordt geschaald met de dikte van het perovskiet lagen. (B) de ontwikkeling van de J v, gH, en μ e voor oorspronkelijke en additiefbasis perovskiet. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Photovoltaic prestatiekenmerken. (A) Current-spanningskarakteristieken van apparaten onder een belichting van 100 mW / cm2, verkregen met verschillende soorten monovalent kation halogeniden toegevoegd loodbron oplossing. (B) Incident foton naar stroomrendement (IPCE) spectra als een functie van de golflengte van monochromatisch licht van de ongerepte, CuBr-, CuI-, NaI- en AgI gebaseerde perovskiet zonnecellen. Dit cijfer is overgenomen uit referentie 18. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Soort van monster | J SC | V OC | FF | PCE | μ e | μ h | E Een e | E A h |
| (mA cm-2) | (V) | (%) | (cm 2 / Vs) | (cm 2 / Vs) | (MeV) | (MeV) | ||
| ongerept | 21.03 | 0.95 | 0.70 | 14.01 | 0.02 | 0,008 | 135 | 198 |
| CuBr | 22.92 | 0.95 | 0.72 | 15.61 | 0.05 | 88 | 132 | |
| Cul | 21.81 | 0.99 | 0.71 | 15.25 | 0.02 | 0,036 | 94 | 157 |
| NaI | 22.97 | 0.9 | 0.73 | 15.14 | 0.04 | 0.07 | 77 | 137 |
| AgI | 19.24 | 1.02 | 0.72 | 14.18 | 0,005 | 0,006 | 105 | 177 |
Tabel 1: Photovoltaic en ladingstransport parameters van de PSC. Samenvatting van de fotovoltaïsche parameters uit JV metingen en lading mobiliteiten, samen met de activeringsenergie voor de verstoorde en additiefbasis perovskiet zonnecellen die de beste prestaties te tonen en were fabricated met de twee-staps depositiemethode. Opvallend is dat de statistieken van de fotovoltaïsche parameters volgen dezelfde trend als de best presterende apparaten. Deze tabel is overgenomen uit referentie 18.
Discussion
Een typische architectuur van mesoscopische perovskiet zonnecellen gebruikt in dit werk, waar een reeks materialen werden gespincoat tussen een geleidend substraat en een thermisch afgedampt metaalcontact (figuur 1). De mesoporeuze TiO 2 lagen werden behandeld met TiCl4, waarvan beschreven werd dat het oppervlak vallen passiveren en het grensvlak tussen de elektronen transportlaag en het absorptiemateriaal 21, 22 verbeteren. Perovskiet laag werd afgezet onder toepassing van een sequentiële tweestaps afzettingstechniek. De volledige omzetting van Loodhalide in perovskiet in de tweede stap is essentieel voor de hoogste lichtabsorptie 16, 17 bereiken, en hebben we aangetoond dat het eenwaardige kation halogenide additieven (bijvoorbeeld NaI en CuBr) leiden tot een volledige omzetting. Bovendien is de volledige dekking van de mesoporeuze Titania laag wet de perovskiet over-layer essentieel om mogelijke recombinatie tussen de gaten transport laag (bijvoorbeeld Spiro OMETAD) en de elektronen transportlaag (bijv mesoporeuze TiO 2) 23 elimineren. We aangetoond dat het toevoegen van het monovalente kation halogeniden (bijvoorbeeld, Cul en AgI) de oppervlaktebedekking van het perovskiet deklaag, wat leidt tot een hogere nullastspanning voor de inrichting kan verbeteren.
Het belangrijkste voordeel van onze werkwijze is de doteringsstap waar we eenwaardige kationen opgenomen in de CH 3 NH 3 PBI 3 structuur de dichtheid van de kosten, het ladingstransportkanaal, en de geleidbaarheid van de absorberende laag te verbeteren. Zoals in de vorige paragraaf bovengenoemde doteringen aanzienlijk verbeterd zowel het elektron en het gat mobiliteit. Bovendien, een opmerkelijke daling in het ladingstransportkanaal activeringsenergie, evenals in de energetische aandoening van de perovskite film, werd bereikt door monovalent kation doping.
In dit werk hebben we een methode te doteren CH 3 NH 3 PBI 3 als een absorptielaag in het mesoscopische perovskiet zonnecelstructuur aangetoond. Eenwaardig kation halogeniden werden gebruikt wordt om de morfologische, optische en elektrische eigenschappen van CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet film teneinde de fotovoltaïsche eigenschappen verbeteren. Daarom hebben we opgenomen drie verschillende monovalente kationen (bijvoorbeeld Na +, Cu + en Ag +) die soortgelijke ionenstralen moeten Pb2 +, in het loodbron in de opeenvolgende twee stappen afzetten van CH NH 3 3 3 PBI . Als resultaat werd een opmerkelijke verbetering van de structurele en optische eigenschappen van CH 3 NH 3 PBI 3 vond plaats in de aanwezigheid van deze additieven, wat leidt tot hogere PCES de vervaardigde zonnecellen. Daarom is ons werk highlights een eenvoudige wijze voor het doteren CH 3 NH 3 PBI 3 als een absorberende laag, die in alle andere configuraties van perovskiet zonnecellen (bijvoorbeeld vlakke architectuur) kan worden gebruikt om de elektronische kwaliteit van perovskiet dunne films verder te verbeteren.
De gegevens die ten grondslag liggen aan dit document zijn beschikbaar op: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
Acknowledgments
M. Abdi-Jalebi dankzij Nava Technology Limited voor een PhD beurs. MI Dar en M.Grätzel dank de King Abdulaziz Stad voor Wetenschap en Technologie (KACST) en de Swiss National Science Foundation (SNSF) voor financiële steun. De auteurs willen graag Dr Pierre Mettraux in de Moleculaire en hybride materialen karakterisering Center, EPFL voor het uitvoeren van de XPS metingen. A.Sadhanala erkentelijk financiële steun van de Indo-UK APEX project. SP Senanayak erkent de Royal Society in Londen voor de Newton Fellowship. RH Friend, M. Abdi-Jalebi en A. Sadhanala wil de steun van de EPSRC erkennen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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% |
References
- Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307 (2016).
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
- Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
- Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591 (2012).
- Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
- Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
- Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
- Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
- Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
- Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
- Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
- Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
- Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
- Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358 (2016).
- Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472 (2016).
- Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
- Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
- Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
- Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).
