Waiting
Login processing...

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

Engineering

सीएच की Monovalent कटियन डोपिंग Published: March 19, 2017 doi: 10.3791/55307
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 2, 1
1Cavendish Laboratory, University of Cambridge, 2Institute of Chemical Sciences and Engineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne

Summary

यहाँ, हम आदेश अत्यधिक कुशल perovskite सौर कोशिकाओं को प्राप्त करने में समाधान संसाधित सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 के गुणों मोनोवैलेन्ट केशन additives के समावेश के माध्यम से समायोजित करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे।

Abstract

यहाँ, हम ऑप्टिकल, excitonic को समायोजित करने के लिए, और बिजली के गुणों में सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite में मोनोवैलेन्ट केशन additives के समावेश का प्रदर्शन। डोपिंग की संभावना पंजाब 2+ के समान आयनिक त्रिज्या, सहित घन +, ना, और एजी + साथ मोनोवैलेन्ट केशन halides जोड़कर जांच की गई। फर्मी स्तर में एक पारी और उप bandgap ऑप्टिकल अवशोषण का एक उल्लेखनीय कमी, perovskite में एक कम ऊर्जावान विकार के साथ-साथ हासिल की थी। थोक छेद गतिशीलता और एक additive आधारित perovskite डिवाइस के भीतर परिवहन सक्रियण ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण कमी में एक आदेश के-परिमाण बढ़ाने प्राप्त किया गया था। इन फैटायनों की उपस्थिति में ऊपर उल्लिखित सुधार गुणों के संगम perovskite सौर सेल के फोटोवोल्टिक मापदंडों में एक वृद्धि करने के लिए नेतृत्व किया। आंदोलन के लिए खुला सर्किट वोल्टेज में 70 एम वी की वृद्धि हुई है और एक 2 मा / 2 सेमी छोटा सा भूतNaI- और CuBr आधारित सौर कोशिकाओं के लिए photocurrent घनत्व में rovement प्राचीन डिवाइस की तुलना में प्राप्त किया गया। हमारा काम सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite और बाद में उपकरणों की Optoelectronic गुणवत्ता में और अधिक सुधार के लिए मार्ग प्रशस्त। यह क्रिस्टलीकरण में dopant अशुद्धियों की भूमिका पर जांच के लिए एक नया अवसर पर प्रकाश डाला गया और perovskite संरचनाओं में इलेक्ट्रॉनिक दोष घनत्व को नियंत्रित करता है।

Introduction

वर्तमान में, दुनिया की ऊर्जा आवश्यकता है (यानी, 85%) का प्रमुख भाग तेल, कोयला और प्राकृतिक गैस का दहन, जो ग्लोबल वार्मिंग की सुविधा और हमारे पर्यावरण 1 पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है के द्वारा आपूर्ति की जा रही है। इसलिए, ऊर्जा के सीओ 2 -neutral स्रोतों के विकास सर्वोपरि ब्याज की है। फोटोवोल्टिक (पीवी) एक आदर्श ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रिया है कि इस आवश्यकता को पूरा कर सकते हैं। हालांकि, लागत और दक्षता, पीवी प्रौद्योगिकी के व्यापक गोद लेने के लिए मुख्य बाधाओं के रूप में, सुधार होना चाहिए। पीवी प्रौद्योगिकियों ऐसे perovskite सौर कोशिकाओं (पीएससी) के रूप में नई सामग्री, के आधार पर उभरते, कम लागत और अधिक से अधिक कुशलता का संयोजन है। यह सिलिकॉन आधारित समकक्षों 2, 3 की तुलना में सस्ते माल कि सतही आसानी से उपलब्ध है, साथ ही साथ के माध्यम से तेजी से कर रहे हैं, और कम ऊर्जा प्रसंस्करण मार्गों के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है,4। अधिक से अधिक 22% करने के लिए सत्ता परिवर्तन दक्षता (PCE) में उल्लेखनीय सुधार, 3.8% से, पीवी वास्तुकला 5, 6, 7, 8 में अपनी पहली उपस्थिति के बाद से संकर कार्बनिक अकार्बनिक नेतृत्व halide perovskite के लिए सूचित किया गया है। इस तरह के एक शानदार प्रदर्शन एक अत्यंत तेज बैंड बढ़त के साथ मजबूत प्रकाश के अवशोषण से निकलती है, बहुत कम ऊर्जावान विकार, दुर्बलता से बाध्य excitons है कि आसानी से बड़े प्रसार लंबाई के साथ मुक्त करने के वाहक में अलग कर देना, और संकर कार्बनिक अकार्बनिक की फोटॉन रीसाइक्लिंग क्षमता perovskite 9, 10, 11, 12 लीड halide। इन सामग्रियों perovskite परिवार है, जो जैविक halide और धातु halide लवण से सघन रहे हैं ABX 3 में क्रिस्टल के लिए फार्म में वर्गीकृत कर रहे हैं संयोजन, उच्चतम प्रदर्शन 13 से पता चलता है 14। इसके अलावा, बी साइट में द्विसंयोजक केशन के लिए मुख्य उम्मीदवार सीसा, जो टिन से बदला जा सकता है; bandgap सफलतापूर्वक लाल स्थानांतरित एक नेतृत्व टिन 15 perovskite मिलाया में 1,000 से अधिक एनएम के लिए हो सकता है। इसी तरह, एक्स-साइट रहने वालों, बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है, जहां आयोडाइड (आई) और ब्रोमाइड (बीआर) का एक मिश्रण मुख्य उम्मीदवारों 16, 17 के रूप में पेश किए गए। इसलिए, यह उनकी रासायनिक संरचना बदलकर perovskites की, संरचनात्मक रूपात्मक, और optoelectronic गुण हेरफेर करने के लिए अत्यधिक प्रशंसनीय है।

इस तथ्य के बावजूद है कि बढ़ाया crystalline गुणवत्ता और perovskite फिल्म की स्थूल एकरूपता कुशल उपकरणों 18 को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण मानकों हैं, polycrystalline डोमेन, मूल और perovskite सहने में इलेक्ट्रॉनिक दोषों की भूमिका, और इस पर प्रभारी संग्रह परतों की भूमिका के बीच की सीमाओं के प्रभाव perovskite सौर कोशिकाओं में नुकसान प्रक्रियाओं अभी तक अच्छी तरह से समझ नहीं रहे हैं। perovskite संरचना में इलेक्ट्रॉनिक दोष की प्रकृति के बारे में, यह इस तरह मैं या पंजाब रिक्तियों के रूप में दोष के कई कि बताया गया है, कहा गया है कि बहुत करने के लिए या चालन और संयोजक बैंड में राज्यों के सातत्य के भीतर करीब हैं, पर नतीजा जो फोटोवोल्टिक उपकरणों 19 पर एक नकारात्मक प्रभाव हो सकता है इलेक्ट्रॉनिक। इसके अलावा, सीसा फैटायनों और perovskite विमान में आयोडाइड anions के बीच एक मजबूत सहसंयोजक संबंध बातचीत आंतरिक दोषों के अस्तित्व के लिए नेतृत्व कर सकते हैं (जैसे, पंजाब dimers और मैं trimers तहत समन्वित), मूल्य बना सकता है जोबैंड-बढ़त है कि डिवाइस 20 की कार्रवाई के दौरान प्रभारी पुनर्संयोजन केन्द्रों के रूप में कार्य के भीतर ई साइटों।

यहाँ, हम डोपिंग सीएच 3 के प्रभाव की जांच राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI सहित ना +, घन +, और एजी +, पंजाब 2 + की तुलना में कम-संयोजक धातु आयनों मोनोवैलेन्ट केशन halides, के साथ 3 perovskite। इसलिए हम उनकी halide आधारित लवण की एक तर्कसंगत राशि (जैसे, नई, CuBr, कुई, और आंदोलन) के अलावा perovskite अग्रदूत समाधान में के माध्यम से इन फैटायनों शामिल। भीतर क्रिस्टल संभव है ये फैटायनों पंजाब 2+ के समान आयनिक त्रिज्या, तो substitutional डोपिंग की है। हम पता चला है कि इन फैटायनों की उपस्थिति जोरदार दोनों आकृति विज्ञान और perovskite परत के कवरेज को प्रभावित करता है। इसके अलावा, इन फैटायनों (जैसे, ना + और एजी +) की उपस्थिति एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS), और एक significan द्वारा पुष्टि की गई हैperovskite के फर्मी स्तर में परिवर्तन टी केल्विन जांच बल माइक्रोस्कोपी (KPFM) द्वारा मापा गया था। क्रमिक रूप से जमा perovskite सौर कोशिकाओं में इन फैटायनों को शामिल करके, हम पीएससी के फोटोवोल्टिक दक्षता में सुधार हासिल की (15.6% से 14% करने के लिए की तुलना)। इसलिए, यह आरोप परिवहन अधिकतम करने के लिए और आदेश में उच्चतम पीवी प्रदर्शन तक पहुंचने के लिए सतह जाल passivate करने के लिए सेल वास्तुकला सौर में अवशोषक परत (जैसे, perovskite) के संरचनात्मक और optoelectronic गुणों को बढ़ाने के लिए बहुत जरूरी है।

Protocol

1. संश्लेषण और प्राचीन और additive आधारित सीएच 3 के बयान राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3

नोट: सभी समाधान moisture- और ऑक्सीजन नियंत्रित परिस्थितियों में एक आर्गन दस्ताना बॉक्स के अंदर तैयार थे (एच 2 ओ का स्तर: <1 पीपीएम और ओ 2 का स्तर: <10 पीपीएम)।

  1. 80 डिग्री सेल्सियस पर लगातार सरगर्मी के तहत एन, एन -dimethylformamide (DMF) के 1 एमएल में PBI 2 की 553 मिलीग्राम (1.2 मीटर) भंग।
  2. मोनोवैलेन्ट केशन halides की 0.02 एम PBI 2 समाधान करने के लिए जोड़ें।
  3. स्पिन कोट जिसके परिणामस्वरूप पीले रंग की पारदर्शी 30 एस के लिए सब्सट्रेट (जैसे, mesoporous-2 Tio) पर 6500 rpm पर 4000 आरपीएम की एक रैंप के साथ समाधान।
  4. 30 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर फिल्मों सेंकना।
  5. isopropanol के 5 एमएल में methylammonium आयोडाइड (एमएआई) के 40 मिलीग्राम भंग।
  6. स्पिन कोट एक दो कदम protoc का उपयोग करते हुए, जिसके परिणामस्वरूप नेतृत्व आयोडाइड फिल्मों पर एमएआई समाधान के लिए पर्याप्त मात्रा मेंराजभाषा उस समय लोडिंग के 45 S शामिल 4000 rpm पर कताई की 20 S द्वारा पीछा किया।
  7. 45 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर स्पिन में लिपटे perovskite फिल्मों पानी रखना।

2. सौर सेल फैब्रिकेशन

  1. सब्सट्रेट तैयारी
    1. पैटर्न फ्लोरीन डाल दिया गया टिन ऑक्साइड (FTO) लेपित गिलास।
      1. अर्द्धपारदर्शी चिपकने वाला टेप के साथ FTO कांच के सक्रिय क्षेत्र को कवर किया।
      2. FTO substrates के खुला क्षेत्रों पर जस्ता (जिंक) पाउडर डालो।
      3. आसुत जल में हाइड्रोक्लोरिक एसिड के 2 एम (एचसीएल) तैयार करें।
      4. FTO गिलास कि Zn पाउडर के साथ कवर किया जाता है के भाग पर एचसीएल समाधान डालो।
      5. पानी से धो लें और FTO टेप निकालें।
    2. substrates सफाई
      1. 2% का उपयोग (डब्ल्यू / वी) डिटर्जेंट FTO गिलास धोने।
      2. 10 मिनट के लिए एसीटोन और isopropanol (आईपीए) में etched FTO substrates Sonicate।
      3. एक ultrav साथ FTO substrates समझोiolet / ओ 3 15 मिनट के लिए क्लीनर।
  2. एक छेद अवरुद्ध परत के बयान
    1. आईपीए के 7 एमएल में टाइटेनियम diisopropoxide बीआईएस (acetylacetonate) (TAA) के 0.6 एमएल जोड़ें।
    2. 450 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर साफ किया और नमूनों FTO substrates रखो और हीटिंग से संपर्क क्षेत्र को कवर किया।
    3. खुला क्षेत्र ओ 2 का उपयोग कर वाहक गैस के रूप में पर TAA समाधान स्प्रे pyrolysis।
    4. 30 मिनट के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर नमूने छोड़ दें।
  3. एक इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के बयान
    1. (: 7, वजन अनुपात 2) वाणिज्यिक 2 Tio पेस्ट (30 एनएम कण आकार) इथेनॉल के साथ पतला।
    2. 30 मिनट के लिए sonicating द्वारा 2 Tio कमजोर पड़ने Homogenize।
    3. स्पिन कोट टाइटेनिया तैयार नमूनों पर कॉम्पैक्ट 2 Tio परतों के साथ 30 एस के लिए 5000 rpm पर 2,000 आरपीएम की एक रैंप के साथ कमजोर पड़ने।
    4. 30 के लिए 500 डिग्री सेल्सियस पर टाइटेनिया फिल्मों पानी रखनामि।
    5. 20 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर जिसके परिणामस्वरूप mesoporous 2 Tio आसुत जल में TiCl 4 के एक 40 मिमी समाधान में फिल्मों को समझो।
    6. 450 पर TiCl 4 -treated फिल्मों पानी रखना 30 मिनट के लिए सें।
  4. Perovskite परत के बयान
    नोट: टाइटेनिया परतों के साथ FTO substrates के निर्माण की प्रक्रिया के आराम के लिए <1% की नमी के साथ एक सूखी हवा बॉक्स के लिए स्थानांतरित कर दिया गया।
    1. स्पिन कोट 4000 आरपीएम की एक रैंप के साथ 6,500 आरपीएम पर तैयार नेतृत्व आयोडाइड समाधान (के साथ और dopants के बिना) mesoporous 2 Tio पर 30 एस के लिए।
    2. 30 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर फिल्मों सेंकना।
    3. स्पिन कोट एक दो कदम प्रोटोकॉल है कि 2,000 आरपीएम की एक रैंप के साथ 4000 rpm पर 20 एस के लिए कताई द्वारा पीछा समय लोडिंग के 45 S शामिल है का उपयोग करते हुए, जिसके परिणामस्वरूप नेतृत्व आयोडाइड फिल्मों में एमएआई समाधान के लिए पर्याप्त मात्रा में।
    4. एक hotpla पर स्पिन में लिपटे perovskite फिल्मों पानी रखना45 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर ते।
  5. छेद परिवहन परत के बयान
    1. स्पाइरो-OMeTAD की 72.3 मिलीग्राम chlorobenzene के 1 एमएल में जोड़ें और हिला जब तक समाधान पारदर्शी हो जाता है।
    2. acetonitrile में LiTFSI के 520 मिलीग्राम जोड़कर भारतीय मानक ब्यूरो (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI) के एक शेयर समाधान करें।
    3. LiTFSI स्टॉक समाधान के 17.5 μL और 4 tert -butylpyridine (TBP) स्पाइरो-OMeTAD समाधान के 28.8 μL जोड़ें।
    4. 4000 rpm पर स्पिन कोट 30 एस के लिए ऊपर समाधान 2,000 आरपीएम की एक रैंप के साथ।
  6. शीर्ष संपर्क के थर्मल वाष्पीकरण
    1. नमूने मास्क और उन्हें बाष्पीकरण के निर्वात चैम्बर में डाल दिया।
    2. 0.01 एनएम / एस की दर से सोने की 80 एनएम लुप्त हो जाना।

Representative Results

फील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FESEM) गढ़े perovskite सौर कोशिकाओं के दोनों पार के अनुभागीय छवियों रिकॉर्ड करने के लिए (चित्रा 1) और जमा PBI 2 और 3 सीएच राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 फिल्मों के शीर्ष दृश्य चित्र (चित्रा 2) का इस्तेमाल किया गया था। एक्स-रे विवर्तन (XRD) और एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) perovskite फिल्मों की संरचनात्मक गुणों को चिह्नित करने के लिए कार्यरत थे (आंकड़े 3 और 4)। Photothermal विक्षेपन स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीडीएस) और केल्विन जांच बल माइक्रोस्कोपी (KPFM) क्रमश: (आंकड़े 5 और 6) perovskite फिल्मों, ऑप्टिकल और बिजली के गुणों की जांच के लिए इस्तेमाल किया गया। इसके अलावा, तापमान पर निर्भर थोक परिवहन पर अंतरिक्ष प्रभारी सीमित वर्तमान (SCLC) आधारित माप perovskite उपकरणों (चित्रा 7) पर प्रदर्शन किया गया था। अंत में, एक मानक photovoltaगढ़े उपकरणों के आईसी माप (8 चित्रा और तालिका 1) प्रदर्शन किया गया था।

शीर्ष देखने के आधार पर की PBI 2 और 3 सीएच राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 mesoporous 2 Tio परत (MP-TiO 2) चित्रा 2 में दिखाया गया है पर जमा, perovskite की आकृति विज्ञान पर additives के प्रभाव सचित्र था जहां SEM छवियों PBI 2 की बड़ी शाखा के आकार का क्रिस्टल NaI आधारित नमूने में प्राप्त किया गया। इस perovskite की बड़ी विषम क्रिस्टल के गठन के लिए नेतृत्व किया। इसके अलावा, हम CuI- और आंदोलन आधारित नमूने के लिए एक समान और पिनहोल मुक्त perovskite कैपिंग परत प्राप्त (चित्रा -2 सी और 2 ई)। सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 और सीएच 3 में PBI 2 के रूपांतरण पर राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI की क्रिस्टल संरचना पर मोनोवैलेन्ट केशन halide additives के प्रभाव की जांच करने के लिए3, एक्स-रे विवर्तन (चित्रा 3) का प्रदर्शन किया गया था। हालांकि अंतिम perovskite की क्रिस्टल संरचना सभी नमूनों के लिए ही बने रहे, यह है कि 2θ पर विवर्तन शिखर = 12.6, जो अपरिवर्तित PBI 2 से मेल खाती है, नई और CuBr additives की उपस्थिति में समाप्त हो गया था स्पष्ट है। आदेश CH 3 के भीतर इन मोनोवैलेन्ट फैटायनों की उपस्थिति की पुष्टि करने में एनएच 3 PBI 3 perovskite फिल्मों, हम बाहर एक एक्सपीएस विश्लेषण, के रूप में 4 चित्र में दिखाया जाता है। एक्सपीएस आंकड़ों के आधार पर, हम शायद आयोडाइड (मैं 3p1 / 2) और तांबे की निकटता (घन 2p1 के कारण, perovskite फिल्मों के भीतर ना और एजी आयनों की उपस्थिति का प्रदर्शन किया है, जबकि कॉपर की एकाग्रता का अनुमान नहीं किया जा सकता है, / 2) चोटियों।

Perovskite के अवशोषण स्पेक्ट्रम पर मोनोवैलेन्ट केशन additives के प्रभाव चित्रा 5 ए, जो सार्वजनिक वितरण प्रणाली के द्वारा मापा गया था में दिखाया गया है।यह स्पष्ट है कि additive आधारित सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 प्राचीन नमूना की तुलना में कम उप bandgap अवशोषण था। इसके अलावा, एक अवशोषण पूंछ घन आधारित नमूने, जो तांबे halide (चित्रा 5 ब) के आंतरिक अवशोषण से उत्पन्न लिए मनाया गया। हालांकि अवशोषण पूंछ अंतिम perovskite फिल्मों में घन फैटायनों की उपस्थिति की पुष्टि, इसके बारे में सार्वजनिक वितरण प्रणाली के बीच तुलना के आधार पर स्पष्ट है कुई आधारित PBI 2 और 3 सीएच राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3, कि उनके समावेश पूरा नहीं हुआ है। इसके अलावा, Urbach ऊर्जा (ईयू) है, जो एक सामग्री के ऊर्जावान विकार की डिग्री का एक उपाय है, प्राचीन, NaI-, CuBr-, CuI-, और आंदोलन आधारित perovskite के लिए अनुमान लगाया गया था, और मूल्यों 15.6 रहे हैं, 11.8, 12.8, 13.5, 15.2 और मेव, क्रमशः (चित्रा 5 ए के इनसेट)।

electr पर ऊपर उल्लिखित additives के प्रभाव का पता लगाने के लिएसीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 की onic संरचना, हम KPFM, जहां लाइन प्रोफाइल के संपर्क संभावित अंतर (सीपीडी) मापा गया था प्रदर्शन किया। इस perovskite 6 चित्र में दिखाया की सतह काम समारोह (Φ) से मेल खाती है। के सीपीडी (यानी, 0.1 वी) में एक स्पष्ट बदलाव एडिटिव के आधार पर तुलना करने के लिए perovskite प्राचीन एक से पता चलता है कि perovskite फर्मी स्तर valence बैंड की ओर स्थानांतरित कर दिया है। Perovskite के फर्मी स्तर में यह परिवर्तन या तो substitutional पी डोपिंग के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है (जैसे, मोनोवैलेन्ट फैटायनों एक्स के साथ पंजाब की 2 + प्रतिस्थापन) या perovskite की क्रिस्टलीय सतहों पर सतह passivation।

आरोपों के घनत्व पर और सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 में उनके परिवहन संपत्तियों पर PBI 3 डोपिंग के प्रभाव की जांच करने के लिए, हम तापमान पर निर्भर थोक परिवहन माप प्रदर्शन (चित्रा 7A एससीएल) पूरा इलेक्ट्रॉन और छेद ही प्राचीन और additive आधारित perovskite उपकरणों की अंतरिक्ष प्रभारी सीमित वर्तमान (SCLC) पर आधारित है। चालकता में है और दोनों छेद और इलेक्ट्रॉन mobilities में एक उल्लेखनीय वृद्धि हासिल कर रहे थे, विशेष रूप से प्राचीन perovskite (तालिका 1) की तुलना में NAI और CuBr नमूने लिए। यह उल्लेखनीय है कि प्रभारी गतिशीलता और चालकता में सुधार शॉर्ट सर्किट वर्तमान (जम्मू अनुसूचित जाति) में वृद्धि के साथ संगत कर रहे हैं और चित्रा 7B में दिखाया गया गढ़े सौर कोशिकाओं के कारक (एफएफ) भरें। इसके अलावा, हम प्रभारी परिवहन (ई ए) दोनों छेद और इलेक्ट्रॉन तापमान पर निर्भर थोक परिवहन माप, जहां एक स्पष्ट कमी एडिटिव आधारित perovskite के लिए हासिल की थी उपयोग करने के लिए के लिए सक्रियण ऊर्जा का अनुमान है। इस सुधार डोपिंग और भरने वीं की वजह से विमान सेवाओं के उच्च घनत्व को जिम्मेदार ठहराया हैई परिवहन जाल, जो परिवहन बाधा में एक महत्वपूर्ण गिरावट में परिणाम है।

हम ऊपर उल्लिखित मोनोवैलेन्ट केशन halides, इसी जेवी घटता, और फोटोवोल्टिक पैरामीटर है कि चित्रा 8A और तालिका 1 में संक्षेप हैं पर आधारित perovskite सौर कोशिकाओं गढ़े। खुले सर्किट वोल्टेज में एक महत्वपूर्ण सुधार दोनों CuI- (0.99 वी) और AgI- (1.02 वी) आदर्श सतह कवरेज की वजह से सौर कोशिकाओं आधारित (चित्रा -2 सी और 2 ई) के लिए हासिल की थी। इसके अलावा, CuBr- और नई आधारित सौर कोशिकाओं के लिए शॉर्ट सर्किट वर्तमान (≈2 मा सेमी -2) में एक उल्लेखनीय वृद्धि हासिल की गई थी, सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 में PBI 2 का पूरा रूपांतरण के लिए जिम्मेदार माना जा सकता है। इस सुधार चित्रा 8b में दिखाया घटना फोटॉन करने वाली वर्तमान रूपांतरण दक्षता (IPCE) स्पेक्ट्रा द्वारा पुष्टि की गई। अंत में, जigher सत्ता परिवर्तन दक्षता (PCE) 15.2%, 15.6%, और 15.3% के स्तर NaI-, CuBr- के लिए हासिल किया गया है, और कुई आधारित उपकरणों, क्रमश: प्राचीन perovskite सौर सेल के लिए 14.0% मूल्य की तुलना करें।

आकृति 1
चित्रा 1: Mesoscopic perovskite सौर सेल वास्तुकला। निम्नलिखित संरचना के साथ एक पूर्ण डिवाइस के SEM पार के अनुभागीय माइक्रोग्राफ़: FTO / कॉम्पैक्ट TiO 2 / mesoporous-TiO 2 / CH 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 / स्पाइरो-OMeTAD / एयू।

चित्र 2
चित्रा 2: नेतृत्व आयोडाइड और perovskite संरचनाओं की रूपात्मक विश्लेषण। PBI 2 (बाईं ओर) और सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 के शीर्ष देखने SEM छवियों (दाईं ओर) संरचनाओं: (क) प्राचीन, ( रोंग> ख) CuBr-, (ग) CuI-, (घ) NaI-, और (ङ) आंदोलन आधारित perovskite नमूने एक mesoporous 2 Tio पर जमा FTO लिपटे। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: perovskite स्फटिकता पर मोनोवैलेन्ट केशन halide additives का प्रभाव। प्राचीन और additive आधारित सीएच 3 के एक्स-रे विवर्तन स्पेक्ट्रा राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite कि mesoporous 2 Tio फिल्म है, जो FTO लेपित गिलास पर जमा किया जाता है पर उगाया जाता है। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है।टी = "_blank"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4: सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite संरचना में मोनोवैलेन्ट फैटायनों के निशान। प्राचीन, CuBr-, CuI-, NaI-, और आंदोलन आधारित perovskite फिल्मों का एक्सपीएस विश्लेषण। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5: perovskite फिल्मों के ऑप्टिकल गुण। (क) प्राचीन और additive आधारित नेतृत्व स्रोतों से प्राप्त perovskite फिल्मों के अवशोषण स्पेक्ट्रा पीडीएस तकनीक का उपयोग कर मापा जाता है।इनसेट सभी नमूनों के लिए इसी Urbach ऊर्जा से पता चलता है। त्रुटि पट्टी ढाले Urbach पूंछ में से एसडी परिभाषित किया गया है। (ख) प्राचीन और CuBr आधारित नेतृत्व आयोडाइड और perovskite फिल्मों, साथ ही CuBr की सार्वजनिक वितरण प्रणाली के अवशोषण स्पेक्ट्रा की तुलना पर एमएस-2 Tio और CuBr केवल फिल्मों जमा किया। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6: perovskite फिल्मों की क्षमता सतह पर मोनोवैलेन्ट केशन additives का प्रभाव। सीपीडी लाइन प्रोफाइल प्राचीन और additive आधारित perovskite KPFM का उपयोग कर फिल्मों से दर्ज की गई। AFM स्थलाकृति छवि के शीर्ष पर दिखाया गया है। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है । यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7: perovskite फिल्मों के प्रभारी परिवहन विशेषताओं। (क) छेद केवल उपकरणों (आईटीओ / PEDOT: पीएसएस / perovskite / एयू) के संयुक्त उद्यम विशेषताओं, SCLC छेद गतिशीलता का आकलन करने के लिए उपयोग किया। ध्यान दें कि वर्तमान घनत्व (जे) perovskite परतों की मोटाई के साथ बढ़ाया है। (ख) जम्मू अनुसूचित जाति में प्रवृत्तियों, प्राचीन और additive आधारित perovskite के लिए एच, और μ ई μ। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

टी "के लिए: रखने together.within-पेज =" 1 "> आंकड़ा 8
8 चित्रा: फोटोवोल्टिक प्रदर्शन विशेषताओं। (क) 100 मेगावाट / 2 सेमी की एक रोशनी के तहत उपकरणों की वर्तमान वोल्टेज विशेषताओं, मोनोवैलेन्ट केशन halides नेतृत्व स्रोत समाधान के लिए जोड़ा के विभिन्न प्रकार का उपयोग कर प्राप्त की। (ख) घटना फोटॉन करने वाली मौजूदा क्षमता (IPCE) प्राचीन, CuBr-, CuI-, NaI-, और आंदोलन आधारित perovskite सौर कोशिकाओं के लिए रंग का प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के एक समारोह के रूप में स्पेक्ट्रा। यह आंकड़ा संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

नमूना के प्रकार जम्मू अनुसूचित जाति वी ओसी एफएफ PCE μ ई μ ज ई एक ई ई एक ज
(मा सेमी -2) (वी) (%) (2 सेमी / बनाम) (2 सेमी / बनाम) (एमईवी) (एमईवी)
प्राचीन 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
कुई 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
आंदोलन 19.24 1.02 0.72 14.18 0.005 0.006 105 177

तालिका 1: पीएससी के फोटोवोल्टिक और प्रभारी परिवहन मानकों। प्राचीन और additive आधारित perovskite सौर कोशिकाओं है कि सबसे अच्छा प्रदर्शन दिखाने के लिए और के लिए सक्रियण ऊर्जा के साथ, जेवी माप और आरोप mobilities से निकाली गई साथ फोटोवोल्टिक मापदंडों का सारांश च रहे थेदो कदम बयान विधि का उपयोग कर abricated। यह उल्लेखनीय है कि फोटोवोल्टिक मापदंडों के आँकड़े सबसे अच्छा प्रदर्शन उपकरणों के रूप में एक ही प्रवृत्ति का अनुसरण है। इस तालिका संदर्भ में 18 से reproduced किया गया है।

Discussion

Mesoscopic perovskite सौर कोशिकाओं का एक विशिष्ट वास्तुकला यह काम करते हैं, जहां सामग्री की एक श्रृंखला स्पिन में लिपटे एक प्रवाहकीय सब्सट्रेट और एक thermally-सुखाया धातु संपर्क (चित्रा 1) के बीच थे में इस्तेमाल किया गया था। Mesoporous 2 Tio परतों TiCl 4, जो सतह जाल passivate के लिए और इलेक्ट्रॉन परिवहन परत और अवशोषक सामग्री 21, 22 के बीच इंटरफेस में सुधार करने की सूचना दी है के साथ इलाज किया गया। perovskite परत तो एक अनुक्रमिक दो कदम बयान तकनीक का उपयोग कर जमा किया गया था। पूर्ण दूसरे चरण में perovskite में नेतृत्व halide के रूपांतरण के उच्चतम प्रकाश अवशोषण 16, 17 को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है, और हम पता चला कि मोनोवैलेन्ट केशन halide additives (जैसे, नई और CuBr) एक पूर्ण रूपांतरण में परिणाम। इसके अलावा, डब्ल्यू mesoporous टाइटेनिया परत की पूरी कवरेजperovskite ith ओवर-परत का छेद परिवहन परत (जैसे, स्पाइरो OMETAD) और इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (जैसे, mesoporous TiO 2) 23 के बीच संभावित पुनर्संयोजन को खत्म करने के लिए महत्वपूर्ण है। हम यह साफ है कि मोनोवैलेन्ट केशन halides (जैसे, कुई और आंदोलन) जोड़ने perovskite कैपिंग परत है, जो डिवाइस के लिए एक उच्च खुले सर्किट वोल्टेज की ओर जाता है की सतह कवरेज में सुधार कर सकते हैं।

हमारे विधि का मुख्य लाभ डोपिंग कदम है, जहां हम सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 संरचना में मोनोवैलेन्ट फैटायनों शामिल किया आरोपों का घनत्व, प्रभारी परिवहन, और अवशोषक परत की चालकता में सुधार है। के रूप में पिछले अनुभाग में कहा गया है, ऊपर उल्लिखित dopants काफी दोनों छेद और इलेक्ट्रॉन mobilities बढ़ाया। इसके अलावा, प्रभारी परिवहन सक्रियण ऊर्जा के क्षेत्र में एक उल्लेखनीय कमी है, साथ ही perovski के ऊर्जावान विकार मेंते फिल्म, मोनोवैलेन्ट केशन डोपिंग द्वारा हासिल की थी।

इस काम में, हम सौर सेल संरचना perovskite mesoscopic में एक अवशोषक परत के रूप में डोप सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 एक विधि का प्रदर्शन किया है। Monovalent केशन halides आदेश फोटोवोल्टिक प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite फिल्म, रूपात्मक ऑप्टिकल, और बिजली के गुणों धुन करने के लिए इस्तेमाल किया गया। इसलिए, हम सीएच 3 के अनुक्रमिक दो कदम बयान में नेतृत्व स्रोत में तीन अलग-अलग मोनोवैलेन्ट फैटायनों (यानी, ना +, घन +, और एजी +) है, जो पंजाब 2+ के समान आयनिक त्रिज्या है, निगमित राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 । नतीजतन, सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 के संरचनात्मक और optoelectronic गुण में उल्लेखनीय सुधार इन additives की उपस्थिति में हुई, गढ़े सौर कोशिकाओं के लिए उच्च PCEs के लिए अग्रणी। इसलिए, हमारे काम हायएक अवशोषक परत है, जो आदेश में आगे perovskite पतली फिल्मों के इलेक्ट्रॉनिक गुणवत्ता में सुधार करने में perovskite सौर कोशिकाओं (जैसे, तलीय वास्तुकला) के अन्य सभी विन्यास में इस्तेमाल किया जा सकता है, क्योंकि सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 डोपिंग की एक सतही तरीका ghlights।

https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187: डेटा इस पत्र अंतर्निहित पर उपलब्ध हैं।

Acknowledgments

एक पीएचडी छात्रवृत्ति के लिए एम अब्दी-जलेबी धन्यवाद नव प्रौद्योगिकी लिमिटेड। एमआई डार और M.Grätzel विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए किंग अब्दुलअजीज सिटी (KACST) और वित्तीय सहायता के लिए स्विस राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (SNSF) धन्यवाद। लेखकों एक्सपीएस माप बाहर ले जाने के लिए आण्विक में डॉ पियरे Mettraux और हाइब्रिड सामग्री विशेषता केंद्र, EPFL को धन्यवाद देना चाहूंगा। A.Sadhanala कृतज्ञता भारत-ब्रिटेन अपैक्स परियोजना से वित्तीय समर्थन मानता है। सपा Senanayak न्यूटन फैलोशिप के लिए रॉयल सोसायटी लंदन मानता है। आरएच मित्र, एम अब्दी-जलेबी, और ए Sadhanala EPSRC से समर्थन स्वीकार करना चाहते हैं।

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%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307 (2016).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
  3. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
  8. Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
  9. Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
  10. Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
  11. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  12. Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
  13. Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
  14. Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 121 Monovalent केशन halide योजक सीएच डोपिंग सतह passivation
सीएच की Monovalent कटियन डोपिंग<sub&gt; 3</sub&gt; राष्ट्रीय राजमार्ग<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; कुशल perovskite सौर कोशिकाओं के लिए
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Abdi-Jalebi, M., Dar, M. I.,… More

Abdi-Jalebi, M., Dar, M. I., Sadhanala, A., Senanayak, S. P., Grätzel, M., Friend, R. H. Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells. J. Vis. Exp. (121), e55307, doi:10.3791/55307 (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