Waiting
Login processing...

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

Engineering

Monovalent Kasjon Doping av CH 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

Her presenterer vi en protokoll for å justere egenskapene til løsnings behandlet CH 3 NH 3 PBI 3 gjennom inkorporering av monovalente kationer, additiver for å oppnå svært effektive perovskitt solceller.

Abstract

Her viser vi innlemmelsen av monovalente kationer, additiver i CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt for å tilpasse det optiske, excitonic, og elektriske egenskaper. Muligheten for doping ble undersøkt ved tilsetning av monovalente kationer, halogenider med lik ioneradius til Pb 2+, blant Cu +, Na +, og Ag +. En forskyvning i Fermi-nivå og en bemerkelsesverdig reduksjon av sub-båndgap optisk absorpsjon, sammen med en lavere energisk uorden i perovskitt, ble oppnådd. En ordre-of-magnitude forbedring i bulk hullet mobilitet og en betydelig reduksjon av transportaktiveringsenergi innenfor et tilsetningsmiddel-baserte perovskitt-enheten ble oppnådd. Sammenløpet av de nevnte forbedrede egenskaper i nærvær av disse kationer førte til en forbedring i den fotovoltaiske parametere av perovskitt solcelle. En økning på 70 mV i åpen krets spenning for AGI og en 2 mA / cm 2 improvement i photo tetthet for NaI- og CuBr baserte solceller ble oppnådd i forhold til den uberørte enheten. Vårt arbeid baner vei for ytterligere forbedringer i optisk kvalitet CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt og påfølgende enheter. Det fremhever en ny vei for undersøkelser av rollen til dopeurenheter i krystalliseringen, og styrer den elektroniske feiltetthet i perovskitt struktur.

Introduction

For tiden er den dominerende del av verdens energibehovet (dvs. 85%) som leveres ved forbrenning av olje, kull og naturgass, noe som letter den globale oppvarmingen og har skadelige virkninger på miljøet 1. Derfor er utviklingen av CO 2 -nøytral energikilder er av største interesse. Solcellepanel (PV) er en ideell energikonvertering prosess som kan oppfylle dette kravet. Men koste og effektivitet, som de viktigste hindringene for omfattende innføring av PV-teknologi, må forbedres. Emerging PV teknologier basert på nye materialer, slik som perovskitt solceller (PSC), har en kombinasjon av lavere kostnader og større effektivitet. Dette oppnås gjennom bruk av billige materialer som er lett tilgjengelige, så vel som gjennom rask, lettvint og lavenergiprosesseringsveier i forhold til silisiumbaserte motstykker 2, 3,4. En bemerkelsesverdig forbedring i strøm konvertering effektivitet (PCE), fra 3,8% til mer enn 22%, er blitt rapportert for hybrid organisk-uorganiske bly halogen perovskitt siden sin første opptreden i PV arkitektur 5, 6, 7, 8. En slik suveren ytelse stammer fra det sterke lyset absorpsjon med en ekstremt skarp band-edge, svært lav energisk lidelse, de svakt bundet excitons som lett tar avstand til frie bærere med store diffusjon lengder, og fotonet resirkulering evne hybrid organisk-uorganisk bly halogenid perovskite 9, 10, 11, 12. Disse materialer er kategorisert i perovskitt-familien, som krystalliseres fra organiske halogenid og metallhalogen-salter for å danne krystaller i ABX-3 13, 14. Videre er den viktigste kandidat til toverdig kation i B-området bly, som kan bli erstattet av tinn; bandgap kan være vellykket rød-forskjøvet til over 1000 nm i en bly-tinn blandet perovskitt 15. Tilsvarende har de X-site beboere blitt studert i stor utstrekning, hvor en blanding av jodid (I) og bromid (Br) ble innført som hovedkandidater 16, 17. Derfor er det sterkt sannsynlig å manipulere de strukturelle, morfologiske og optiske egenskaper av perovskitter ved å forandre deres kjemiske sammensetning.

Til tross for det faktum at den forbedrede krystlline kvalitet og makroskopisk jevnhet perovskitt filmen er viktige parametere for å oppnå effektive enheter 18, virkningen av grensene mellom polykrystallinske domener, opprinnelse og rolle elektroniske defekter i perovskitt demperne, og rollen til de omkostninger innsamlings lag på tap prosesser i perovskitt solceller er ennå ikke godt forstått. Når det gjelder innholdet i elektroniske defekter i perovskitt struktur, har det blitt rapportert at mange av defekter, slik som I eller Pb stillinger, resultere i stater som er svært nær eller innenfor kontinuum tilstander i lednings og valensbånd, som kan ha en negativ elektronisk innvirkning på photovoltaic enheter 19. I tillegg kan en sterk kovalent binding interaksjon mellom bly kationer og anioner jodid i perovskitt flyet fører til at det foreligger iboende defekter (f.eks, under koordinert Pb dimerer og trimerer I), som kan opprettee områder innenfor den bånd kant som fungerer som charge rekombinasjon sentra under driften av anordningen 20.

Her undersøker vi effekten av doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt med enverdige kationer, halogenider, inkludert Na +, Cu +, og Ag +, lavere valensmetallioner enn Pb 2+. Vi har derfor inkorporere disse kationer ved tilsetning av en fornuftig mengde av deres halogenidsalter-baserte salter (for eksempel Nal, CuBr, Cul, og AGI) i perovskitt forløper løsning. Disse kationer har ionisk radier lik Pb 2+, så substitusjons doping i krystallet er sannsynlig. Vi har vist at tilstedeværelsen av disse kationer i høy grad påvirke både morfologien og dekning av perovskitt lag. I tillegg er tilstedeværelsen av disse kationer (for eksempel Na + og Ag +) er bekreftet ved røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS), og en significant endring i Fermi-nivået for perovskitt ble målt ved Kelvin probe mikroskopi (KPFM). Ved å innlemme disse kationer inn sekvensielt avsatt perovskitt solceller, oppnådde vi en forbedring i den fotovoltaiske effektiviteten av PSC (15,6% sammenlignet med 14%). Derfor er det meget viktig å forbedre de strukturelle og optiske egenskapene til absorberen lag (f.eks perovskitt) i solcelle arkitektur for å maksimere ladningstransport, og for å passivere overflaten feller for å nå den høyeste PV ytelsen.

Protocol

1. Syntese og avsetning av Pristine og Additive baserte CH 3 NH 3 PBI 3

MERK: Alle løsningene ble utarbeidet i en argon hanskeboks under fuktighets og oksygen kontrollerte forhold (H 2 O nivå: <1 ppm og O 2 plan: <10 ppm).

  1. Oppløs 553 mg (1,2 M) av PBI 2 i 1 ml N, N-dimetylformamid (DMF) under konstant omrøring ved 80 ° C.
  2. Legge til 0,02 M av monovalente kationer, halogenider til PBI 2 løsning.
  3. Spin-coat den resulterende gule gjennomsiktig oppløsning på substratet (for eksempel, mesoporøs-TiO 2) i 30 s ved 6500 rpm med en gradient fra 4000 rpm.
  4. Bake filmene på en kokeplate ved 80 ° C i 30 minutter.
  5. Oppløs 40 mg av metylammonium jodid (MAI) i 5 ml isopropanol.
  6. Spin-coat en tilstrekkelig mengde MAI løsning på de resulterende bly jodid filmer ved hjelp av en to-trinns protocol som inkluderer 45 s av lasting tid etterfulgt av 20 sekunder med spinning ved 4000 rpm.
  7. Anneal spin-belagte perovskitt filmer på en varmeplate ved 100 ° C i 45 minutter.

2. Solar Cell Fabrication

  1. forbehandling
    1. Mønster fluor-dopet tinn oksid (FTO) belagte glass.
      1. Dekk den aktive delen av FTO glass med semitransparent tape.
      2. Hell sink (Zn) pulver på de usikrede områder av FTO underlag.
      3. Forbered 2 M saltsyre (HCl) i destillert vann.
      4. Hell HCl-løsning på den delen av FTO glass som er dekket med Zn-pulver.
      5. Vask FTO med vann og fjern tapen.
    2. Rengjøring av underlag
      1. Vask FTO glass ved hjelp av 2% (w / v) vaskemiddel.
      2. Sonikere de etsede FTOer substrater i aceton og isopropanol (IPA) i 10 minutter.
      3. Unn FTO underlag med en ultravLilla / O 3 renere for 15 min.
  2. Avsetning av et hull sperresjiktet
    1. Tilsett 0,6 ml titan diisopropoxide bis (acetylacetonat) (TAA) i 7 ml IPA.
    2. Sett de rensede og mønstrede FTOer underlag på en kokeplate ved 450 ° C og dekker kontaktområdet før oppvarming.
    3. Spray pyrolyse TAA løsningen på den udekkede området ved hjelp av U-2 som bærergass.
    4. La prøvene ved 450 ° C i 30 minutter.
  3. Avsetning av en elektrontransportlaget
    1. Fortynn kommersielle TiO 2 lime (30-nm partikkelstørrelse) med etanol (2: 7, vekt-forhold).
    2. Homogenisere TiO 2 fortynning av sonicating i 30 min.
    3. Spin-coat Titania fortynning på de preparerte prøver med kompakte TiO 2 lag i 30 s ved 5000 rpm med en rampe på 2000 rpm.
    4. Anneal titanoksydet filmene ved 500 ° C i 30min.
    5. Behandle de resulterende mesoporøse TiO 2 film i en 40 mM løsning av TiCI4 i destillert vann ved 70 ° C i 20 min.
    6. Gløder de TiCI4 behandlede filmer på 450 ° C i 30 min.
  4. Avsetning av perovskitt sjiktet
    MERK: FTO substrater med Titania lagene ble overført til en tørr luft boks med en luftfuktighet på <1% for resten av fabrikasjon prosessen.
    1. Spin-coat oppkjørte bly iodide løsninger (med og uten tilsetningsstoffene) på mesoporous TiO2 i 30 s ved 6500 rpm med en rampe på 4000 rpm.
    2. Bake filmene på en kokeplate ved 80 ° C i 30 minutter.
    3. Spin-coat en tilstrekkelig mengde av løsning MAI inn i de resulterende bly jodid filmer ved hjelp av en to-trinns protokoll som omfatter 45 s med lasting tid, etterfulgt av å spinne i 20 s ved 4000 rpm med en gradient fra 2000 rpm.
    4. Gløder spin-belagt perovskitt filmer på en hotplate ved 100 ° C i 45 minutter.
  5. Avsetning av hullet transportlaget
    1. Legg 72,3 mg spiro-OMeTAD til 1 ml klorbenzen og rist til løsningen blir gjennomsiktig.
    2. Lag en stamløsning av bis (trifluormetylsulfonyl) imid (LiTFSI) ved å tilsette 520 mg LiTFSI i acetonitril.
    3. Legg 17,5 mL av LiTFSI stamløsning og 28,8 ul av 4-tert.-butylpyridin (TBP) til den spiro-OMeTAD løsning.
    4. Spin-coat ovennevnte løsning i 30 s ved 4000 rpm med en rampe på 2000 rpm.
  6. Termisk fordampning av den øverste kontakt
    1. Mask prøvene og sette dem i vakuumkammeret av fordamperen.
    2. Fordampe 80 nm gull med en hastighet på 0,01 nm / s.

Representative Results

Feltet utslipp scanning elektronmikroskopi (FESEM) ble brukt til å spille inn både tverrsnitt bilder av de fabrikkerte perovskitt solceller (figur 1) og topp vise bilder av de avsatte PBI 2 og CH 3 NH 3 PBI 3 filmer (figur 2). Røntgendiffraksjon (XRD) og røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) ble anvendt for å karakterisere de strukturelle egenskapene til de perovskitt filmene (figurene 3 og 4). Photothermal avbøyning spektroskopi (PDS) og Kelvin probe mikroskopi (KPFM) ble anvendt for å probe de optiske og elektriske egenskaper for de perovskitt filmer, henholdsvis (figur 5 og 6). Videre ble det temperaturavhengige bulktransport målinger basert på romladning begrenset strøm (SCLC) utført på de perovskitt-enheter (figur 7). Til slutt, en standard photovoltaic måling av de fabrikkerte enheter ble utført (figur 8 og tabell 1).

Basert på den ovenfra SEM bilder av den PBI 2 og CH 3 NH 3 PBI 3 avsatt på mesoporøst TiO to lag (mp-TiO 2) som er vist i figur 2, er effekten av additivene på morfologien av perovskitt er illustrert der store gren-formede krystaller av PBI 2 ble oppnådd i NaI-baserte prøven. Dette førte til dannelsen av større asymmetriske krystaller av perovskitt. Videre fikk vi en jevn og porefri perovskitt capping lag for CuI- og AGI-baserte prøver (figur 2c og 2e). For å undersøke effekten av monovalente kationer, halogenid tilsetningsstoffer på krystallstrukturen av CH 3 NH 3 PBI 3 og på omdannelsen av PBI 2 i CH 3 NH 3 PBI3, røntgendiffraksjon ble utført (figur 3). Selv om krystallstruktur av den endelige perovskitt forble den samme for alle prøver, er det tydelig at diffraksjon toppen ved 2θ = 12,6, som tilsvarer den uomdannede PBI 2, ble eliminert i nærvær av NaI og CuBr tilsetningsstoffer. For å bekrefte tilstedeværelsen av disse monovalente kationer innenfor CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt filmer, gjennomførte vi en XPS-analyse, som vist i figur 4. På grunnlag av XPS data demonstrerte vi nærvær av Na og Ag-ioner innenfor perovskitt filmene, mens konsentrasjonen av Cu ikke kunne beregnes, sannsynligvis på grunn av nærhet av jodid (I 3P1 / 2) og kobber (Cu 2P1 / 2) topper.

Effekten av de monovalente kationer tilsetningsstoffer på den absorpsjonsspektrum for perovskitt er vist i figur 5a, som ble målt ved hjelp av PDS.Det er innlysende at additivet baserte CH 3 NH 3 PBI 3 hadde lavere sub-båndgap absorpsjon sammenlignet med den uberørte prøven. Videre ble en absorpsjon hale observert for Cu-baserte prøvene, som stammer fra den iboende absorpsjon av kobber halogenid (figur 5b). Selv om absorpsjonen halen bekrefter nærvær av Cu-kationer i det endelige perovskitt filmer, er det tydelig, basert på sammenligning mellom PDS av CuI basert PBI 2 og CH 3 NH 3 PBI 3, at deres innlemmelse ikke er fullstendig. I tillegg Urbach energi (Eu), som er et mål på graden av energisk forstyrrelse av et materiale, ble beregnet for uberørt, NaI-, CuBr-, CuI-, og AGI-baserte perovskite, og verdiene er 15,6, 11,8, 12,8, 13,5, og 15,2 MeV, respektivt (innfelt i figur 5a).

For å utforske påvirkning av de nevnte tilsetningsstoffer på den strømonic strukturen CH 3 NH 3 PBI 3, utførte vi KPFM, hvor kontaktpotensialforskjell (CPD) av linjen profilene ble målt. Dette svarer til den flate arbeidsfunksjon (Φ) av perovskitt vist i figur 6. En klar skifte i CPD (dvs. 0,1 V) av tilsetningsmiddel-baserte perovskitt i forhold til den uberørte en viser at perovskitt Fermi-nivået er forskjøvet mot den valensbåndet. Denne endringen i Fermi-nivået for perovskitt kan tilskrives enten substitusjons p-doping (for eksempel utskifting av Pb 2+ med monovalente kationer X +) eller overflatepassivering ved de krystallinske flater av perovskitt.

For å undersøke effekten av doping på tettheten av kostnader og på deres transportegenskaper i CH 3 NH 3 PBI tre, vi utførte temperaturavhengige bulktransport målingene (figur 7a SCL) basert på romladningen begrenset strøm (SCLC) av den fullstendige elektron og hull-bare uberørt og additiv-baserte perovskitt-enheter. En bemerkelsesverdig økning i ledningsevnen og i begge elektron og hull bevegeligheter ble oppnådd, spesielt for NaI og CuBr prøvene sammenlignet med uberørt perovskitt (tabell 1). Det er bemerkelsesverdig at bedringen i kostnad mobilitet og ledningsevne er i samsvar med forbedring i kortslutningsstrøm (J sc) og fyll faktor (FF) av fabrikkerte solceller som er vist i figur 7b. Videre anslås vi aktiveringsenergien for ladningstransport (E A) for både elektronet og hullet ved hjelp av temperaturavhengige bulktransport målinger, der en klar nedgang ble oppnådd for additiv-baserte perovskitt. Forbedringen skyldes det høyere tetthet av bærere på grunn av doping og fylling the transport feller, noe som resulterer i en betydelig nedgang i transport barriere.

Vi fremstille perovskitt solceller basert på de ovenfor nevnte monovalente kation-halogenider, de tilsvarende JV kurver, og de fotoelektriske parametere som er oppsummert i figur 8a og tabell 1. En betydelig forbedring i tomgangsspenning ble oppnådd for både CuI- (0,99 V) og AgI- (1,02 V), basert solceller på grunn av den perfekte overflatedekning (figur 2c og 2e). Videre, en bemerkelsesverdig økning i kortslutningsstrøm (≈2 mA cm -2) for CuBr- og NaI-baserte solceller ble oppnådd, noe som kan tilskrives den full konvertering av PBI to i CH 3 NH 3 PBI tre. Denne forbedring ble bekreftet av den innfallende foton-til-strøm-konvertering effektivitet (IPCE) spektra er vist i figur 8b. Til slutt, higher makt konvertering effektivitet (PCE) nivåer av 15,2%, 15,6% og 15,3% ble oppnådd for NaI-, CuBr-, og Cui-baserte enheter, henholdsvis i forhold til 14,0% verdi for den uberørte perovskitt solcelle.

Figur 1
Figur 1: Mesoskopisk perovskitt solcelle arkitektur. SEM tverrsnittsmikrobilde av en komplett enhet med følgende struktur: FTO / kompakt-TiO 2 / mesoporous-TiO 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au.

Figur 2
Figur 2: Morfologisk analyse av bly jodid og perovskitt-struktur. Top-view SEM bilder av PBI 2 (venstre side) og CH 3 NH 3 PBI 3 (høyre side) strukturer: (a) uberørt, ( rong> b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI-, og (e) AGI-basert perovskitt prøver avsatt på en mesoporous TiO2-belagte FTO. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Effekt av monovalente kationer, halogenid tilsetningsstoffer på perovskitt krystallinitet. Røntgen diffraksjonsmønsteret av uberørt og tilsetningsmiddel-baserte CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt som er dyrket på mesoporøst TiO 2 film, som er avsatt på FTO-belagt glass. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18.t = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Spor av enverdige kationer i CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt struktur. XPS analyse av uberørte, CuBr-, CuI-, NaI-, og AGI-baserte perovskitt filmer. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Optiske egenskaper av perovskitt filmer. (A) absorpsjonsspektra av perovskitt filmer avledet fra perfekt og additiv-basert føre kilder måles ved hjelp av PDS teknikk. Deinnfelt viser de tilsvarende Urbach energier for alle prøvene. Feilen bar er definert av SD i montering av Urbach halen. (B) Sammenligning av PDS absorpsjonsspektra av uberørte og CuBr-baserte bly jodid og perovskitt filmer, samt CuBr avsatt på ms-TiO 2 og CuBr kun filmer. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: Effekt av monovalente kationer, additiver på overflaten potensialet av perovskitt filmer. CPD linje profiler registrert fra uberørte og additiv-baserte perovskitt filmer ved hjelp KPFM. AFM topografi Bildet vises øverst. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18 . Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: Charge transport karakteristikker av perovskitt filmer. (A) JV kjennetegn hulls-bare enheter (ITO / PEDOT: PSS / Perovskite / AU), som brukes for å estimere SCLC hull mobilitet. Legg merke til at strømtettheten (J) er skalert med tykkelsen av perovskitt lagene. (B) Trendene i J fm, u t, og μ e for perfekt og additiv-baserte perovskitt. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 8
Figur 8: Photovoltaic ytelse egenskaper. (A) Current-spenning karakteristikk av enheter under en belysning av 100 mW / cm 2, innhentet ved hjelp av ulike typer av enverdige kationer halogenider lagt til ledelsen kilde løsning. (B) Hendelses foton-til-strømutbyttet (IPCE) spektra som en funksjon av bølgelengden av monokromatisk lys for den uberørte, CuBr-, CuI-, NaI-, og AGI-baserte perovskitt solceller. Dette tallet er gjengitt fra referanse 18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Type Sample J SC V OC FF PCE μ e μ h E En e E A h
(mA cm-2) (V) (%) (cm2 / Vs) (cm2 / Vs) (MeV) (MeV)
Uberørte 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

Tabell 1: Photovoltaic og kostnad transport parametere av PSC. Oppsummering av fotovoltaiske parametere avledet fra JV målinger og ladebevegelig, sammen med aktiveringsenergien for den uberørte og additive baserte perovskitt solceller som viser den beste ytelsen og ble fabricated ved hjelp av to-trinns avsetningsmetode. Det er bemerkelsesverdig at statistikken av fotovoltaiske parametrene følger samme trend som de beste resultater enheter. Denne tabellen er gjengitt fra referanse 18.

Discussion

En typisk arkitekturen mesoskopisk perovskitt solceller ble anvendt i dette arbeid, hvor en rekke materialer ble spinnbelagt mellom et ledende substrat og en termisk fordampet metall-kontakt (figur 1). De mesoporøse TiO 2 lag ble behandlet med TiCI4, som er rapportert å passivere overflaten feller og for å forbedre grenseflaten mellom elektrontransportsjiktet og det absorberende materiale 21, 22. Perovskitt laget ble deretter avsatt ved anvendelse av en sekvensiell to-trinns avsetningsteknikk. Den fullstendige omdannelse av bly halogenid i perovskitt i det andre trinn er viktig for å oppnå høyest lysabsorpsjonen 16, 17, og vi viste at de monovalente kationer halogenid tilsetningsstoffer (f.eks, NaI og CuBr) fører til en fullstendig omdannelse. Videre er fullstendig dekning av mesoporous Titania lag wed perovskitt oversjiktet er nødvendig for å eliminere mulig rekombinasjon mellom hullet transportlaget (f.eks Spiro OMETAD) og elektrontransportlaget (som mesoporøst TiO 2) 23. Vi har vist at tilsetning av monovalente kationer, halogenidene (f.eks cui og AGI) kan forbedre overflatedekning av perovskitt capping lag, noe som fører til en høyere tomgangsspenning for enheten.

Den største fordelen med vår metode er dopingstrinnet, hvor vi innlemmet monovalente kationer inn i CH 3 NH 3 PBI 3 struktur for å forbedre tettheten av ladninger, den ladningstransport, og ledningsevnen til absorberen lag. Som nevnt i forrige avsnitt, de nevnte tilsetningsstoffene betydelig forbedret både elektron og hull mobilitet. I tillegg er en bemerkelsesverdig reduksjon i ladningstransport aktiveringsenergi, så vel som i den energiske forstyrrelse av perovskite film ble oppnådd ved enverdig kation doping.

I dette arbeidet har vi vist en metode for å dope CH 3 NH 3 PBI 3 som en absorbator lag i mesoskopisk perovskitt solcellestruktur. Enverdige kationer, halogenider ble brukt til å tune de morfologiske, optiske og elektriske egenskapene til CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt film for å forbedre den fotovoltaiske ytelse. Derfor innlemmet tre forskjellige monovalente kationer (f.eks, Na +, Cu +, og Ag +), som har lignende ioneradius til Pb 2+, i ledningen kilde ved sekvensiell to-trinns avsetning av CH 3 NH 3 3 PBI . Som et resultat, er en bemerkelsesverdig forbedring i de strukturelle og optiske egenskaper av CH 3 NH 3 PBI 3 forekom i nærvær av disse additiver, som fører til høyere pces for å fremstille solceller. Derfor vårt arbeid highlights en lettvint måte å dope CH 3 NH 3 PBI 3 som en absorbator lag, som kan brukes i alle andre konfigurasjoner av perovskitt solceller (f.eks plane arkitektur) for å ytterligere forbedre den elektroniske kvaliteten av perovskitt tynne filmer.

Dataene som ligger til grunn denne artikkelen finnes på: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Acknowledgments

M. Abdi-Jalebi takket Nava Technology Limited for en PhD stipend. MI Dar og M.Grätzel takke King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) og den sveitsiske National Science Foundation (SNSF) for økonomisk støtte. Forfatterne ønsker å takke Dr. Pierre Mettraux i Molecular and Hybrid Materialer Karakterisering Center, EPFL for gjennomføring av XPS målinger. A.Sadhanala erkjenner takknemlig økonomisk støtte fra den indo-britiske APEX prosjekt. SP Senanayak erkjenner Royal Society i London for Newton Fellowship. RH Friend, M. Abdi-Jalebi, og A. Sadhanala ønsker å erkjenne støtte fra 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%

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

Engineering Monovalent kation halogen tilsetningsstoffer CH doping overflaten passivisering
Monovalent Kasjon Doping av CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; For effektiv Perovskite solceller
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