Summary
هنا، نقدم بروتوكول لضبط خصائص المصنعة حل CH 3 NH 3 PBI 3 من خلال إدراج إضافات الموجبة األحادية من أجل تحقيق الخلايا الشمسية perovskite ذات كفاءة عالية.
Abstract
هنا، علينا أن نظهر إدراج إضافات الموجبة األحادية إلى CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite من أجل ضبط البصرية، excitonic، والخواص الكهربائية. وكان التحقيق في إمكانية المنشطات عن طريق إضافة هاليدات الموجبة أحادي التكافؤ مع أنصاف الأقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، بما في ذلك النحاس، الصوديوم، وحج +. ، وتحققت نقلة في مستوى فيرمي وانخفاضا ملحوظا من دون فجوة الحزمة امتصاص البصرية، جنبا إلى جنب مع اضطراب أقل حيوية في perovskite. وقد حققت تعزيزا الترتيب العالي درجة على مقياس ريختر في التنقل حفرة بالجملة وانخفاض كبير في طاقة التنشيط النقل داخل جهاز perovskite القائم مضافة. أدى التقاء خصائص محسنة المذكورة أعلاه في وجود هذه الكاتيونات إلى تعزيز في معلمات الضوئية للخلية الشمسية perovskite. بزيادة قدرها 70 بالسيارات في جهد الدائرة المفتوحة للAGI و2 مللي أمبير / سم 2 عفريتrovement في كثافة photocurrent للخلايا الشمسية المستندة إلى CuBr NaI- وكان المحقق مقارنة الجهاز البكر. عملنا يمهد الطريق لمزيد من التحسينات في نوعية الضوئية من CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite وأجهزة لاحقة. وهو يسلط الضوء على وسيلة جديدة للتحقيقات حول دور الشوائب إشابة في بلورة وتسيطر على كثافة عيب الإلكترونية في الهياكل perovskite.
Introduction
حاليا، يتم تزويد الجزء المهيمن من احتياجاته من الطاقة في العالم (أي 85٪) من احتراق النفط والفحم والغاز الطبيعي، مما يسهل ظاهرة الاحتباس الحراري، ولها آثار ضارة على بيئتنا 1. ولذلك، فإن تطوير CO 2 مصادر -neutral من الطاقة من المصلحة العليا. الخلايا الكهروضوئية (PV) هو عملية تحويل الطاقة المثالية التي يمكن أن تلبي هذا المطلب. ومع ذلك، من حيث التكلفة والكفاءة، كما أن العقبات الرئيسية التي تعترض اعتماد واسعة من التقنيات الكهروضوئية، يجب تحسين. التكنولوجيات الناشئة الكهروضوئية على أساس مواد جديدة، مثل الخلايا الشمسية perovskite (PSC)، لديها مزيج من انخفاض التكاليف وزيادة الكفاءة. ويتحقق ذلك من خلال استخدام مواد رخيصة متوفرة بسهولة، وكذلك من خلال بسرعة، واثق من نفسه، وطرق المعالجة ذات الطاقة المنخفضة مقارنة مع نظرائهم القائمة على السيليكون 2، 3،4. تحسن ملحوظ في كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، من 3.8٪ إلى أكثر من 22٪، وقد تم الإبلاغ عن الهجينة العضوية غير العضوية perovskite الرصاص هاليد منذ أول ظهور لها في العمارة PV 5، 6، 7، 8. ينشأ مثل هذا الأداء الرائع من امتصاص الضوء القوي مع حادة للغاية الفرقة الحافة، واضطراب منخفض جدا حيوية، excitons ارتباطها ضعيفا التي تنأى بسهولة إلى ناقلات الحرة مع أطوال نشر كبيرة، وقدرة على إعادة تدوير الفوتون الهجينة العضوية، غير العضوية هاليد الرئيسي perovskite 9، 10، 11، 12. وتصنف هذه المواد في الأسرة perovskite، والتي تبلورت من هاليد وهاليد المعدنية الأملاح العضوية لتشكيل البلورات في ABX 3 13 الأداء، 14. وعلاوة على ذلك، المرشح الرئيسي لالموجبة ثنائي التكافؤ في الموقع B هو الرصاص، والتي يمكن استبدالها بواسطة القصدير. في ذات فجوة الحزمة يمكن أن يكون أحمر تحول إلى ما يزيد على 1000 نانومتر في القصدير الرصاص مختلطة perovskite 15 بنجاح. وبالمثل، وقد تم دراسة شاغلي الموقع X على نطاق واسع، حيث تم إدخال مزيج من يوديد (I) وبروميد (برازيلي)، والمرشحين الرئيسيين 16 و 17. وبالتالي، فمن المعقول جدا أن التعامل مع الخصائص الهيكلية، الصرفية، والبصرية الكهربائية perovskites عن طريق تغيير التركيب الكيميائي لها.
على الرغم من حقيقة أن الكريستال تعزيزجودة lline والتوحيد العيانية للفيلم perovskite هي المعايير الأساسية لتحقيق الأجهزة كفاءة 18، وتأثير الحدود بين المجالات الكريستالات، وأصل ودور العيوب الإلكترونية في امتصاص perovskite، ودور الطبقات جمع تهمة عليه عمليات الفقد في الخلايا الشمسية perovskite ليست مفهومة جيدا حتى الآن. وفيما يتعلق بطبيعة العيوب الإلكترونية في هيكل perovskite، وقد أفادت تقارير أن العديد من العيوب، مثل أنا أو الرصاص الشواغر، ينتج في الدول التي هي قريبة جدا أو داخل متصلة من الدول في التوصيل والتكافؤ العصابات، التي قد يكون لها تأثير سلبي الإلكترونية على الأجهزة الضوئية 19. وبالإضافة إلى ذلك، تفاعل التساهمية الترابط القوي بين الكاتيونات والأنيونات الرائدة يوديد في الطائرة perovskite قد يؤدي إلى وجود عيوب جوهرية (على سبيل المثال، في إطار منسق dimers الرصاص وأنا trimers)، والتي يمكن أن يخلقالمواقع الإلكترونية ضمن الفرقة الحافة التي تعمل كمراكز تهمة إعادة التركيب أثناء تشغيل الجهاز 20.
هنا، نحن التحقيق في تأثير المنشطات CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite مع هاليدات الموجبة األحادية بما في ذلك نا +، + النحاس، وحج +، ايونات المعادن المنخفض التكافؤ من الرصاص 2+. وبالتالي فإننا دمج هذه الكاتيونات من خلال إضافة كمية الرشيد للأملاح القائمة على هاليد الخاصة بهم (على سبيل المثال، ناي، CuBr، تسوى، وAGI) في حل perovskite السلائف. هذه الكاتيونات لها أنصاف أقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، لذلك المنشطات التعويضية داخل البلورة مرجحا. لقد أظهرنا أن وجود هذه الكاتيونات تؤثر بقوة كل من التشكل وتغطية طبقة perovskite. وبالإضافة إلى ذلك، فإن وجود هذه الكاتيونات (على سبيل المثال، نا + وحج +) أكدته الأشعة السينية الطيفي الضوئية (XPS)، وsignificanوقد تم قياس التغيير تي في مستوى فيرمي من perovskite من كلفن مجهر القوة التحقيق (KPFM). من خلال دمج هذه الكاتيونات في الخلايا الشمسية perovskite المودعة بالتتابع، حققنا تحسنا في كفاءة الضوئية من PSC (15.6٪ مقارنة إلى 14٪). لذلك، فمن الضروري جدا لتعزيز الخصائص الهيكلية والبصرية الكهربائية طبقة امتصاص (على سبيل المثال، perovskite) في الهندسة المعمارية الخلايا الشمسية لتحقيق أقصى قدر من نقل الشحنة وإيقاف فاعلية الفخاخ السطح من أجل الوصول إلى أعلى مستوى من الأداء الكهروضوئية.
Protocol
1. تجميع وترسيب البكر، وبناء مضافة-CH 3 NH 3 PBI 3
ملاحظة: تم إعداد جميع الحلول داخل علبة القفازات الأرجون في ظل ظروف رطوبة والتي تسيطر عليها الأكسجين (H 2 O مستوى: <1 جزء في المليون ويا مستوى 2: <10 جزء في المليون).
- حل 553 ملغ (1.2 M) من PBI 2 في 1 مل من N، N -dimethylformamide (DMF) مع الاستمرار في التحريك في 80 درجة مئوية.
- إضافة 0.02 M من هاليدات الموجبة األحادية إلى حل PBI 2.
- تدور معطف ينتج عن ذلك من حل شفاف أصفر على الركيزة (على سبيل المثال، mesoporous-تيو 2) لمدة 30 ثانية في 6500 دورة في الدقيقة مع منحدر من 4000 دورة في الدقيقة.
- خبز الأفلام على موقد في 80 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
- حل 40 ملغ من يوديد methylammonium (MAI) في 5 مل من الأيزوبروبانول.
- تدور معطف على كمية كافية من حل MAI على الناتج الأفلام يوديد الرصاص باستخدام protoc من خطوتينرأ التي تضم 45 ق من وقت التحميل تليها 20 ثانية من الغزل في 4000 دورة في الدقيقة.
- يصلب الأفلام perovskite المغلفة تدور على موقد عند 100 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة.
2. تصنيع الخلايا الشمسية
- إعداد الركيزة
- نمط مخدر الفلور أكسيد القصدير (FTO) الزجاج المغلفة.
- تغطية منطقة نشطة من الزجاج FTO مع شريط لاصق شبه شفاف.
- صب مسحوق الزنك (الزنك) على المناطق المكشوفة من ركائز منظمة إرهابية أجنبية.
- إعداد 2 M من حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك) في الماء المقطر.
- من أجل حل حمض الهيدروكلوريك على جزء من الزجاج FTO أن تتناول مع مسحوق الزنك.
- غسل FTO بالماء وإزالة الشريط.
- تنظيف ركائز
- غسل الزجاج منظمة إرهابية أجنبية باستخدام 2٪ (ث / ت) المنظفات.
- يصوتن ركائز FTO محفورا في الأسيتون والأيزوبروبانول (IPA) لمدة 10 دقيقة.
- علاج ركائز FTO مع ultraviolet / O 3 أنظف لمدة 15 دقيقة.
- نمط مخدر الفلور أكسيد القصدير (FTO) الزجاج المغلفة.
- ترسب طبقة حفرة الحجب
- إضافة 0.6 مل من مكرر التيتانيوم diisopropoxide (acetylacetonate) (التعديل التجاري) في 7 مل من IPA.
- وضع ركائز FTO تنظيفها ومنقوشة على موقد في 450 درجة مئوية، وتغطي منطقة التماس قبل التدفئة.
- رش الانحلال الحراري الحل TAA على المنطقة المكشوفة باستخدام O 2 مثل الغاز الناقل.
- ترك العينات عند 450 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
- ترسب طبقة نقل الإلكترون
- تمييع التجاري تيو 2 لصق (30 نانومتر حجم الجسيمات) مع الإيثانول (2: 7، ونسبة الوزن).
- التجانس تخفيف تيو 2 من sonicating لمدة 30 دقيقة.
- تدور معطف التخفيف تيتانيا على عينات مستعدة مع المدمجة تيو 2 طبقات لمدة 30 ثانية في 5000 دورة في الدقيقة مع منحدر من 2000 دورة في الدقيقة.
- يصلب الأفلام تيتانيا في 500 درجة مئوية لمدة 30دقيقة.
- علاج مما أدى mesoporous تيو 2 الأفلام في حل 40 ملم من TiCl 4 في الماء المقطر عند 70 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
- يصلب TiCl 4 أفلام المعالجة بالإثير في 450 ° مئوية لمدة 30 دقيقة.
- ترسب طبقة perovskite
ملاحظة: ركائز FTO مع طبقات تيتانيا نقلوا إلى مربع الهواء الجاف مع الرطوبة <1٪ لبقية عملية التصنيع.- تدور معطف مستعدة حلول الرصاص يوديد (مع وبدون مواد إشابة) على تيو mesoporous 2 لمدة 30 ثانية في 6500 دورة في الدقيقة مع منحدر من 4000 دورة في الدقيقة.
- خبز الأفلام على موقد في 80 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
- تدور معطف على كمية كافية من حل MAI إلى الناتج الأفلام يوديد الرصاص باستخدام بروتوكول من خطوتين التي تضم 45 ق من وقت التحميل تليها الدوران لمدة 20 ثانية في 4000 دورة في الدقيقة مع منحدر من 2000 دورة في الدقيقة.
- يصلب الأفلام perovskite المغلفة تدور على hotplaالشركة المصرية للاتصالات عند 100 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة.
- ترسب طبقة النقل حفرة
- إضافة 72.3 ملغ من سبيرو-OMeTAD إلى 1 مل من الكلوروبنزن ويهز حتى يصبح الحل شفافة.
- جعل حل سهم مكرر (trifluoromethylsulphonyl) إيميد (LiTFSI) وذلك بإضافة 520 ملغ من LiTFSI في الأسيتونتريل.
- إضافة 17.5 ميكرولتر من محلول المخزون LiTFSI و 28.8 ميكرولتر من 4- ثالثي -butylpyridine (TBP) إلى حل سبيرو-OMeTAD.
- تدور معطف الحل المذكور أعلاه لمدة 30 ثانية في 4000 دورة في الدقيقة مع منحدر من 2000 دورة في الدقيقة.
- التبخر الحراري للاتصال العلوي
- قناع العينات ووضعها في غرفة فراغ المبخر.
- تتبخر 80 نانومتر الذهب بمعدل 0.01 نانومتر / ثانية.
Representative Results
وقد استخدم الانبعاثات الميدان المجهر الإلكتروني (FESEM) لتسجيل كل صور مقطعية للخلايا الشمسية perovskite ملفقة (الشكل 1) وأعلى عرض الصور من المودعة PBI 2 و CH 3 NH 3 PBI 3 أفلام (الشكل 2). كانوا يعملون حيود الأشعة السينية (XRD) والأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS) لوصف الخصائص الهيكلية للأفلام perovskite (الشكلان 3 و 4). استخدمت التحليل الطيفي ضوئي؛ ضوحراري انحراف (PDS) وكلفن مجهر القوة التحقيق (KPFM) للتحقيق في الخصائص البصرية والكهربائية من الأفلام perovskite، على التوالي (الشكلان 5 و 6). وعلاوة على ذلك، تم إجراء قياسات نقل الجزء الأكبر التي تعتمد على درجة الحرارة على أساس تهمة مساحة محدودة الحالية (مؤتمر القيادة المسيحية الجنوبية) على الأجهزة perovskite (الشكل 7). وأخيرا، photovolta القياسيةتم إجراء قياس جيم من الأجهزة ملفقة (الشكل 8 والجدول 1).
واستنادا إلى أعلى عرض الصور ووزارة شؤون المرأة من PBI 2 و CH 3 NH 3 PBI 3 تترسب على mesoporous تيو 2 طبقة (MP-تيو 2) هو مبين في الشكل 2، وقد تجلى تأثير المواد المضافة على التشكل من perovskite حيث وقد تحققت على شكل بلورات فرع كبيرة من PBI 2 في عينة بناء ناي. وأدى ذلك إلى تشكيل بلورات غير المتكافئة أكبر من perovskite. وعلاوة على ذلك، حصلنا على طبقة موحدة وperovskite الثقب خالية متوجا للعينات التي تستند إلى AGI CuI- و(الشكل 2C و2E). لدراسة تأثير المواد المضافة هاليد أحادي التكافؤ الموجبة على التركيب البلوري للCH 3 NH 3 PBI 3 وعلى تحويل PBI 2 إلى 3 CH NH 3 PBIتم تنفيذ 3، حيود الأشعة السينية (الشكل 3). على الرغم من أن التركيب البلوري للperovskite النهائي بقيت على حالها لجميع العينات، فمن الواضح أن ذروة الانحراف في 2θ = 12.6، والتي تتطابق مع غير محول PBI 2، تم القضاء بحضور ناي وCuBr المضافة. من أجل تأكيد وجود هذه الكاتيونات األحادية داخل CH 3 NH 3 PBI 3 أفلام perovskite، أجرينا تحليلا XPS، كما هو مبين في الشكل (4). على أساس البيانات XPS، أثبتنا وجود نا وحج أيونات ضمن الأفلام perovskite، في حين لا يمكن تقدير تركيز النحاس، وربما يرجع ذلك إلى القرب من يوديد (أنا 3p1 / 2) والنحاس (النحاس 2p1 / 2) قمم.
ويظهر تأثير المواد المضافة أحادي التكافؤ الموجبة على الامتصاص من perovskite في الشكل 5A، الذي يقاس من قبل نظام التوزيع العام.ومن الواضح أن القائم مضافة CH 3 NH 3 PBI 3 كان أقل امتصاص الفرعية ذات فجوة الحزمة مقارنة مع عينة البكر. وعلاوة على ذلك، لوحظ ذيل الاستيعاب لالعينات بناء النحاس، والتي نشأت من امتصاص يتجزأ من هاليد النحاس (الشكل 5B). على الرغم من أن ذيل امتصاص يؤكد وجود الكاتيونات النحاس في أفلام perovskite النهائية، فمن الواضح، على أساس المقارنة بين نظام التوزيع العام للPBI 2 و CH 3 NH 3 PBI 3، أن التأسيس ليست كاملة على أساس تسوى. بالإضافة إلى ذلك، أورباخ الطاقة (الاتحاد الأوروبي)، وهو مقياس لدرجة الفوضى حيوية للمادة، وقدرت لالبكر، perovskite أساس AGI-NaI-، CuBr-، CuI-، و، والقيم هم 15.6، 11.8، 12.8، 13.5، و 15.2 إلكترون فولت، على التوالي (أقحم من الشكل 5A).
لاستكشاف تأثير الإضافات المذكورة أعلاه على بالكهرباءهيكل أونك من CH 3 NH 3 PBI 3، أجرينا KPFM، حيث تم قياس فرق الجهد الاتصال (CPD) لمحات الخط. وهذا يتوافق مع وظيفة سطح العمل (Φ) من perovskite هو مبين في الشكل (6). وهناك تحول واضح في وثيقة البرنامج القطري (أي 0.1 V) المضافات القائم على perovskite مقارنة مع واحد البكر يدل على أن يتم إزاحة مستوى فيرمي perovskite نحو عصابة التكافؤ. هذا التغيير في مستوى فيرمي من perovskite يمكن أن يعزى إلى أي التعويضية ص المنشطات (على سبيل المثال، استبدال الرصاص 2+ مع الكاتيونات الأحادي التكافؤ X +) أو التخميل السطح في السطوح البلورية من perovskite.
للتحقيق في تأثير المنشطات على كثافة من التهم، وعلى خصائص النقل في CH 3 NH 3 PBI 3، أجرينا القياسات النقل السائبة التي تعتمد على درجة الحرارة (الشكل 7A SCL) على أساس تهمة مساحة محدودة الحالية (مؤتمر القيادة المسيحية الجنوبية) للإلكترون كاملة والأجهزة perovskite المستندة مضافة حفرة فقط البكر و. تم تحقيق زيادة ملحوظة في التوصيل وفي كل من الإلكترون وثقب التنقلات، لا سيما بالنسبة للعينات ناي وCuBr مقارنة perovskite البكر (الجدول 1). ومن الجدير بالذكر أن التحسن في حركة الشحن والتوصيل تتسق مع تعزيز على المدى القصير الدوائر الحالية (J الشوري) وملء عامل (FF) من الخلايا الشمسية ملفقة هو مبين في الشكل 7B. وعلاوة على ذلك، قدرنا طاقة التنشيط للنقل تهمة (E أ) لكل من الإلكترون والثقب باستخدام قياسات النقل السائبة التي تعتمد على درجة الحرارة، حيث تم تحقيق انخفاض واضح لperovskite القائم مضافة. ويعزى هذا التحسن إلى أعلى كثافة من الناقلات بسبب المنشطات والعشرين شغلالفخاخ نقل البريد، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الجدار النقل.
نحن ملفقة الخلايا الشمسية perovskite بناء على هاليدات المذكورة أعلاه التكافؤ الموجبة، منحنيات JV المقابلة، والمعلمات الضوئية التي تتلخص في الشكل 8A والجدول 1. وقد تحقق تحسن كبير في الجهد الدائرة المفتوحة لكل من CuI- (0.99 V) وAgI- (1.02 V) بناء الخلايا الشمسية بسبب التغطية السطحية مثالية (الشكل 2C و2E). وعلاوة على ذلك، تم تحقيق زيادة ملحوظة في الدوائر الحالية قصيرة (≈2 أمبير سم -2) لCuBr- والخلايا الشمسية على أساس ناي، والتي يمكن أن تعزى إلى التحول الكامل من PBI 2 إلى 3 CH NH 3 PBI 3. وقد أكد هذا التحسن التي كتبها أطياف الحادث الفوتون إلى تيار كفاءة التحويل (IPCE) هو مبين في الشكل 8B. وأخيرا، حتحققت igher كفاءة تحويل الطاقة (PCE) مستويات 15.2٪، 15.6٪، و 15.3٪ للNaI-، CuBr-، والأجهزة القائمة على تسوى، على التوالي، مقارنة بقيمة 14.0٪ للخلية الشمسية perovskite البكر.
الشكل 1: perovskite Mesoscopic العمارة الخلايا الشمسية. ووزارة شؤون المرأة مجهرية مستعرضة من جهاز كامل مع البنية التالية: FTO / المدمجة تيو 2 / mesoporous-تيو 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / سبيرو-OMeTAD / الاتحاد الافريقي.
الشكل 2: تحليل الصرفي من يوديد الرصاص وهياكل perovskite. أعلى عرض الصور ووزارة شؤون المرأة من PBI 2 (الجانب الأيسر)، وCH 3 NH 3 PBI 3 (الجانب الأيمن) الهياكل: (أ) البكر، (
الشكل (3): تأثير المواد المضافة هاليد أحادي التكافؤ الموجبة في التبلور perovskite. حيود الأشعة السينية أطياف البكر والقائم مضافة CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite أن يزرع على mesoporous تيو 2 الفيلم، الذي يترسب على الزجاج المطلي منظمة إرهابية أجنبية. وقد تم استنساخ هذا الرقم من إشارة 18.ر = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: تتبع الكاتيونات الأحادي التكافؤ في CH 3 NH 3 PBI 3 هيكل perovskite. تحليل XPS البكر، أفلام perovskite أساس AGI-CuBr-، CuI-، NaI-، و. وقد تم استنساخ هذا الرقم من إشارة 18. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5: الخصائص البصرية للأفلام perovskite. (أ) قياس أطياف الامتصاص من الأفلام perovskite المستمدة من مصادر الرصاص البكر والقائم مضافة باستخدام تقنية نظام التوزيع العام. اليظهر أقحم طاقات أورباخ المقابلة لجميع العينات. يتم تعريف شريط خطأ من قبل SD في تركيب ذيل أورباخ. (ب) تودع مقارنة بين أطياف امتصاص PDS الأفلام البكر والرصاص يوديد أساس CuBr وperovskite، وكذلك CuBr على MS-تيو 2 و CuBr فقط الأفلام. وقد تم استنساخ هذا الرقم من إشارة 18. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تأثير بعض الإضافات الموجبة األحادية على إمكانات سطح الأفلام perovskite. ملامح خط CPD المسجلة من الأفلام perovskite البكر والقائم مضافة باستخدام KPFM. يتم عرض صورة تضاريس AFM على القمة. لقد تم إعادة هذا الرقم من إشارة 18 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 7: خصائص نقل المسؤول عن الأفلام perovskite. (أ) الخصائص JV الأجهزة حفرة الوحيد (ايتو / PEDOT: PSS / Perovskite / الاتحاد الافريقي)، يستخدم لتقدير حركة حفرة مؤتمر القيادة المسيحية الجنوبية. لاحظ أن الكثافة الحالية (J) يتم تحجيم مع سمك طبقات perovskite. (ب) الاتجاهات في الشوري J، ميكرون ساعة، والبريد ميكرون لperovskite البكر والقائم مضافة. وقد تم استنساخ هذا الرقم من إشارة 18. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8: خصائص الأداء الضوئية. (أ) خصائص الحالي الجهد من الأجهزة تحت إضاءة 100 ميغاواط / سم 2، تم الحصول عليها باستخدام أنواع مختلفة من هاليدات الموجبة األحادية إضافة إلى حل لمصدر الرصاص. (ب) حادث الفوتون إلى تيار الكفاءة (IPCE) الأطياف بوصفها وظيفة من الطول الموجي للضوء أحادي اللون للخلايا البكر، استنادا AGI-CuBr-، CuI-، NaI-، وperovskite الشمسية. وقد تم استنساخ هذا الرقم من إشارة 18. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| نوع من عينة | J SC | V OC | FF | PCE | μ ه | μ ح | E وه | E وح |
| (مللي أمبير سم -2) | (الخامس) | (٪) | (سم 2 / مقابل) | (سم 2 / مقابل) | (إلكترون فولت) | (إلكترون فولت) | ||
| عزري | 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 | |
| تسوى | 21.81 | 0.99 | 0.71 | 15.25 | 0.02 | 0.036 | 94 | 157 |
| ناي | 22.97 | 0.9 | 0.73 | 15.14 | 0.04 | 0.07 | 77 | 137 |
| كونا | 19.24 | 1.02 | 0.72 | 14.18 | 0.005 | 0.006 | 105 | 177 |
الجدول 1: الضوئية ونقل المسؤول المعلمات من PSC. وو ملخص للمعلمات الضوئية المستمدة من القياسات JV والتنقلات تهمة، جنبا إلى جنب مع طاقة التنشيط للخلايا الشمسية perovskite البكر والقائم المضافة التي تظهر على أفضل أداء وabricated باستخدام طريقة الترسيب من خطوتين. ومن الجدير بالذكر أن الإحصاءات المعلمات الضوئية تتبع نفس الاتجاه وأفضل الأجهزة أداءا. وقد تم استنساخ هذا الجدول من إشارة 18.
Discussion
تم استخدام الهندسة المعمارية التقليدية للخلايا الشمسية perovskite mesoscopic في هذا العمل، حيث كانت مجموعة من المواد بين الركيزة موصل والاتصال المعدنية تبخرت حراريا (الشكل 1) المغلفة زيادة ونقصان. تم علاج mesoporous تيو 2 طبقات مع TiCl 4، والتي تشير التقارير إلى إيقاف فاعلية الفخاخ السطح وتحسين التفاعل بين طبقة النقل الإلكترون والمواد امتصاص 21، 22. ثم تم إيداع طبقة perovskite باستخدام تقنية ترسيب من خطوتين متتابعة. تحويل كامل من هاليد يؤدي إلى perovskite في الخطوة الثانية ضروري لتحقيق أعلى امتصاص الضوء 16 و 17، وأظهرنا أن الإضافات هاليد أحادي التكافؤ الموجبة (على سبيل المثال، ناي وCuBr) تؤدي إلى التحول الكامل. وعلاوة على ذلك، فإن التغطية الكاملة للطبقة تيتانيا mesoporous ثإيث perovskite الإفراط في طبقة أمر حيوي للقضاء على إعادة التركيب المحتمل بين طبقة النقل حفرة (على سبيل المثال، سبيرو OMETAD) وطبقة النقل الإلكترون (على سبيل المثال، mesoporous تيو 2) 23. نحن يتضح أن إضافة هاليدات أحادي التكافؤ الموجبة (على سبيل المثال، تسوى وAGI) يمكن أن تحسن تغطية سطح طبقة perovskite السد، الأمر الذي يؤدي إلى الجهد الدائرة أعلى مفتوحة للجهاز.
والميزة الرئيسية لدينا وسيلة هي الخطوة المنشطات، حيث أننا أدرجت الكاتيونات األحادية في CH 3 NH 3 PBI 3 هيكل لتحسين كثافة الشحنات، ونقل المسؤول، والتوصيل من طبقة امتصاص. كما جاء في القسم السابق، ومواد إشابة المذكورة أعلاه تعزز إلى حد كبير كل من الإلكترون والتنقلات حفرة. وبالإضافة إلى ذلك، انخفاضا ملحوظا في نقل رسوم تفعيل الطاقة، وكذلك في اضطراب حيوية من perovskiفيلم الشركة المصرية للاتصالات، وقد تحقق المنشطات الموجبة الأحادي التكافؤ.
في هذا العمل، لقد أثبتنا طريقة لمخدر CH 3 NH 3 PBI 3 كطبقة امتصاص في mesoscopic perovskite هيكل الخلايا الشمسية. واستخدمت الأحادي هاليدات الموجبة لضبط الخصائص المورفولوجية والضوئية والكهربائية من CH 3 NH 3 PBI 3 فيلم perovskite من أجل تحسين أداء الضوئية. ولذلك، فإننا أدرجت ثلاثة الكاتيونات مختلفة أحادي التكافؤ (أي، نا +، + النحاس، وحج +)، والتي لها أنصاف أقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، في مصدر قيادي في متسلسل ترسب من خطوتين من CH 3 NH 3 PBI 3 . ونتيجة لذلك، حدث تحسن ملحوظ في الخصائص الهيكلية والبصرية الكهربائية CH 3 NH 3 PBI 3 في وجود هذه الإضافات، مما أدى إلى PCES أعلى للخلايا الشمسية ملفقة. لذلك، لدينا مرحبا العملghlights بطريقة سطحية من المنشطات في CH 3 NH 3 PBI (3) وطبقة امتصاص، والتي يمكن استخدامها في كافة تكوينات أخرى من الخلايا الشمسية perovskite (على سبيل المثال، والهندسة المعمارية مستو) من أجل زيادة تحسين جودة الإلكترونية من الأغشية الرقيقة perovskite.
تتوفر البيانات الأساسية هذه الورقة في: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
Acknowledgments
محمد عبدي زلابية بفضل نافا التكنولوجيا المحدودة للحصول على منحة الدكتوراه. MI دار وM.Grätzel أشكر مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (KACST) ومؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF) للحصول على الدعم المالي. فإن الكتاب أود أن أشكر الدكتور بيير Mettraux في الجزيئية والهجين المواد مركز توصيف، EPFL لتنفيذ القياسات XPS. A.Sadhanala بامتنان الدعم المالي من المشروع بين الهند والمملكة المتحدة APEX. SP Senanayak يعترف المجتمع لندن الملكية لزمالة نيوتن. سوف RH صديق، محمد عبدي زلابية، وA. Sadhanala ترغب في الاعتراف بدعم من EPSRC.
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).
