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 kation doping af 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 præsenterer vi en protokol til at justere egenskaberne for løsningsorienteret forarbejdet CH3 NH3 PBI 3 gennem indarbejdelse af monovalente kationer tilsætningsstoffer for at opnå højeffektive perovskit solceller.

Abstract

Her udviser vi inkorporering af monovalent kation additiver i CH3 NH3 PBI 3 perovskit for at tilpasse den optiske, excitonic, og elektriske egenskaber. Muligheden for doping blev undersøgt ved tilsætning af monovalent kation halogenider med lignende ionisk radier til Pb 2+, herunder Cu +, Na +, og Ag +. Et skift i Fermi-niveau og en bemærkelsesværdig reduktion af sub-båndgab optisk absorption, sammen med en lavere energisk uorden i perovskit, blev opnået. En ordre-of-størrelsesorden forbedring i bulk hul mobilitet og en betydelig reduktion af aktivering transport energi i et additiv-baserede perovskit enhed blev opnået. Sammenløbet af de førnævnte forbedrede egenskaber i nærvær af disse kationer førte til en forøgelse i de fotovoltaiske parametre perovskit solcelle. En stigning på 70 mV i tomgangsspænding for AgI og en 2 mA / cm2 improvement i photocurrent tæthed for NaI- og CuBr-baserede solceller blev opnået i forhold til den uberørte enhed. Vores arbejde baner vejen for yderligere forbedringer i den optoelektroniske kvalitet CH3 NH3 PBI 3 perovskit og efterfølgende enheder. Det fremhæver en ny vej for undersøgelser om betydningen af ​​tilsætningsmaterialer urenheder i krystallisering og styrer den elektroniske defekt tæthed i perovskit strukturer.

Introduction

I øjeblikket er den dominerende del af verdens energibehov (dvs. 85%) forsynes ved forbrænding af olie, kul og naturgas, hvilket letter den globale opvarmning og har skadelige virkninger på miljøet 1. Derfor er udviklingen af CO 2 -neutrale energikilder er af afgørende interesse. Solceller (PV) er en ideel energiomsætning proces, der kan opfylde dette krav. Men omkostninger og effektivitet, som de vigtigste hindringer for den omfattende vedtagelse af PV teknologi, skal forbedres. Nye PV teknologier baseret på nye materialer, såsom perovskit solceller (PSC), har kombinationen af ​​lavere omkostninger og større effektivitet. Dette opnås gennem anvendelse af billige materialer, som er let tilgængelige, samt gennem hurtig, Facile og lavenergi forarbejdningsmetoder sammenlignet med silicium-baserede modstykker 2, 3,Fire. En bemærkelsesværdig forbedring i magt virkningsgrad (PCE), fra 3,8% til over 22%, er blevet rapporteret for hybrid organisk-uorganisk Blyhalogenid perovskit siden sin første optræden i PV arkitektur 5, 6, 7, 8. Sådan en fremragende ydeevne hidrører fra den stærke lysabsorption med en ekstremt skarpt bånd-kant, den meget lave energiske lidelse, de svagt bundne excitoner der let dissocierer til frie bærere med store diffusion længder, og fotonen genanvendelse evne af hybrid organisk-uorganisk Blyhalogenid perovskit 9, 10, 11, 12. Disse materialer er kategoriseret i perovskit familie, som er krystalliseret fra organiske halogenid og metalhalogenidsalte at danne krystaller i ABX 3 13, 14. Endvidere den vigtigste kandidat til den divalente kation i B site er bly, som kan erstattes af tin; bandgap held kan rødforskudt til over 1000 nm i en bly-tin blandet perovskit 15. Ligeledes har X-site ombordværende blevet omfattende undersøgt, hvor en blanding af iodid (I) og bromid (Br) blev indført som de vigtigste kandidater 16, 17. Derfor er det meget sandsynligt at manipulere de strukturelle, morfologiske og optoelektroniske egenskaber af perovskitter ved at ændre deres kemiske sammensætning.

På trods af at den forbedrede krylline kvalitet og den makroskopiske ensartethed perovskit film er vigtige parametre for at opnå effektive anordninger 18, virkningen af grænserne mellem de polykrystallinske domæner, oprindelsen og rolle elektroniske defekter i perovskit absorbenter, og den rolle, de charge indsamling lag på tab processer i perovskit solceller er endnu ikke godt forstået. Med hensyn til karakteren af ​​elektroniske defekter i perovskitstrukturen er det blevet rapporteret, at mange af de fejl, som f.eks I eller Pb ledige stillinger, resultere i stater, der er meget tæt på eller inden for kontinuum af tilstande i ledningsforstyrrelser og valens bands, som kan have en negativ elektronisk indvirkning på de fotovoltaiske enheder 19. Desuden kan en stærk kovalent binding samspil mellem bly kationer og iodidanioner i perovskit plan føre til, at der findes iboende defekter (f.eks under-koordinerede Pb dimerer og jeg trimerer), som kan Create sites inden for band-kant, der fungerer som charge rekombinationscentre under drift af anordningen 20.

Her undersøger vi effekten af doping CH3 NH3 PBI 3 perovskit med monovalente kation halogenider, herunder Na +, Cu +, og Ag +, lavere valens metalioner end Pb 2+. Vi indarbejder derfor disse kationer ved tilsætning af en rationel del af deres halogenid-baserede salte (f.eks NaI, CuBr, Cul, og AgI) ind perovskit forstadie opløsning. Disse kationer har ionradier ligner Pb 2+, så substitutionel doping inden krystallen er sandsynligt. Vi har vist, at tilstedeværelsen af ​​disse kationer kraftigt påvirker både morfologi og dækning af perovskit lag. Desuden har tilstedeværelsen af disse kationer (f.eks Na + og Ag +) blevet bekræftet ved røntgen fotoelektronspektroskopi (XPS), og en significant ændring i Fermi niveau af perovskit blev målt ved Kelvin probe force mikroskopi (KPFM). Ved at inkorporere disse kationer i sekventielt deponeret perovskit solceller, vi opnåede en forbedring i den fotovoltaiske effektiviteten af ​​PSC (15,6% sammenlignet med 14%). Derfor er det meget vigtigt at forbedre de strukturelle og optoelektroniske egenskaber af absorber lag (f.eks perovskit) i solcelle arkitektur til at maksimere ladningen transport og til at passivere overfladen fælder for at nå den højeste PV ydeevne.

Protocol

1. Syntese og aflejring af Pristine og additiv-baserede CH3 NH3 PBI 3

NB: Alle opløsninger blev fremstillet inde i en argon handskekassen under fugtigheds- og oxygen-kontrollerede betingelser (H2O niveau: <1 ppm og O 2 niveau: <10 ppm).

  1. Opløs 553 mg (1,2 M) af PBI 2 i 1 ml N, N-dimethylformamid (DMF) under konstant omrøring ved 80 ° C.
  2. Tilføj 0,02 M af monovalent kation halogenider til PBI 2-opløsning.
  3. Spin-coat det resulterende gule transparent opløsning på substratet (f.eks mesoporøse-TiO 2) i 30 sekunder ved 6.500 rpm med en rampe på 4.000 rpm.
  4. Bag filmene på en varmeplade ved 80 ° C i 30 minutter.
  5. Opløs 40 mg methylammonium iodid (MAI) i 5 ml isopropanol.
  6. Spin-coat en tilstrækkelig mængde af MAI opløsningen på de resulterende blyiodid film under anvendelse af en to-trins protocol, der omfatter 45 s af loading tid efterfulgt af 20 sekunders spinding ved 4000 rpm.
  7. Anneale spin-coatede perovskit film på en varmeplade ved 100 ° C i 45 minutter.

2. Solar Cell Fabrication

  1. forberedelse substrat
    1. Mønster fluor-doteret tinoxid (FTO) overtrukne glas.
      1. Dækker det aktive område af FTO glas med semitransparent tape.
      2. Hæld zink (Zn) pulver på de udækkede områder af FTO substrater.
      3. Forbered 2 M saltsyre (HCI) i destilleret vand.
      4. Hæld HCI-opløsning på den del af FTO glas, der er dækket med Zn-pulver.
      5. Vask FTO med vand og fjern tapen.
    2. Rengøring substraterne
      1. Vask FTO glasset ved anvendelse af 2% (vægt / volumen) detergent.
      2. Sonikeres de ætsede FTO substrater i acetone og isopropanol (IPA) i 10 minutter.
      3. Behandl FTO substrater med en ultraviolet / O 3 renere for 15 min.
  2. Afsætning af et hul blokerende lag
    1. Tilføj 0,6 ml af titanium diisopropoxid bis (acetylacetonat) (TAA) i 7 ml IPA.
    2. Sætte de rengjorte og mønstrede FTO substrater på en varmeplade ved 450 ° C og dække kontaktområdet før opvarmning.
    3. Spray pyrolyse TAA opløsningen på den udækkede område ved hjælp O 2 som bæregas.
    4. Efterlad prøverne ved 450 ° C i 30 minutter.
  3. Aflejring af en elektron transportlag
    1. Fortynd den kommercielle TiO2 pasta (30-nm partikelstørrelse) med ethanol (2: 7, vægt-forhold).
    2. Homogenisere TiO2 fortynding ved sonikering i 30 minutter.
    3. Spin-coat titaniumdioxid fortynding på den forberedte prøver med kompakte TiO 2 lag i 30 s ved 5.000 rpm med en rampe på 2000 rpm.
    4. Anneale Titaniumoxid film ved 500 ° C i 30min.
    5. Behandle de resulterende mesoporøse TiO 2 film i en 40 mM opløsning af TiCl4 i destilleret vand ved 70 ° C i 20 min.
    6. Anneale TiCl4-behandlede film ved 450 ° C i 30 minutter.
  4. Aflejring af perovskit lag
    BEMÆRK: FTO substrater med titanoxid lag blev overført til en tør-luft boks med en fugtighed på <1% i resten af ​​produktionsprocessen.
    1. Spin-coat de præparerede blyiodid opløsninger (med og uden doteringsmidler) på det mesoporøse TiO 2 i 30 sekunder ved 6.500 rpm med en rampe på 4.000 rpm.
    2. Bag filmene på en varmeplade ved 80 ° C i 30 minutter.
    3. Spin-coat en tilstrækkelig mængde af MAI løsning i de resulterende blyiodid film ved hjælp af en to-trins-protokol, der omfatter 45 s af loading tid efterfulgt af spinning i 20 s ved 4000 rpm med en rampe på 2000 rpm.
    4. Anneale spin-coatede perovskit film på en hotplate ved 100 ° C i 45 minutter.
  5. Deposition af transporten hul lag
    1. Tilføj 72.3 mg spiro-OMeTAD til 1 ml chlorbenzen og ryst, indtil opløsningen bliver gennemsigtig.
    2. Lav en stamopløsning af bis (trifluormethylsulfonyl) imid (LiTFSI) ved at tilføje 520 mg LiTFSI i acetonitril.
    3. Tilføj 17,5 pi af LiTFSI stamopløsningen og 28,8 pi 4-tert-butylpyridin (TBP) til spiro-OMeTAD opløsning.
    4. Spin-coat den ovennævnte opløsning i 30 sekunder ved 4.000 rpm med en rampe på 2.000 rpm.
  6. Termisk fordampning af den øverste kontakt
    1. Maske prøverne og sætte dem i vakuumkammer af fordamperen.
    2. Inddampes 80 nm guld med en hastighed på 0,01 nm / s.

Representative Results

Feltemissions scanningselektronmikroskopi (FESEM) blev anvendt til at registrere både tværsnits- billeder af fabrikerede perovskit solceller (figur 1) og ovenfra billeder af de deponerede PBI 2 og CH3 NH3 PBI 3 film (figur 2). Røntgendiffraktion (XRD) og X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) blev anvendt til at karakterisere de strukturelle egenskaber af perovskit film (figur 3 og 4). Fototermisk deformation spektroskopi (PDS) og Kelvin probe force mikroskopi (KPFM) blev anvendt til at probe de optiske og elektriske egenskaber af perovskit film, henholdsvis (figur 5 og 6). Endvidere blev temperaturafhængige bulk-transport målinger baseret på rumladning begrænset strøm (SCLC) udføres på perovskit enheder (figur 7). Endelig en standard photovoltaic måling af de fabrikerede enheder blev udført (figur 8 og tabel 1).

Baseret på den ovenfra SEM billeder af PBI 2 og CH3 NH3 PBI 3 anbragt på det mesoporøse TiO 2 lag (mp-TiO 2) vist i figur 2 blev virkningen af additiver på morfologien af perovskit illustreret hvor store gren-formede krystaller af PBI 2 blev opnået i NaI-baserede prøve. Dette førte til dannelsen af ​​større asymmetriske krystaller af perovskit. Endvidere har vi opnået en ensartet og porefri perovskit afsluttende lag for CuI- og AgI-baserede prøver (figur 2c og 2e). For at undersøge effekten af monovalent kation halogenid additiver på krystalstrukturen af CH3 NH3 PBI 3 og om omdannelse af PBI 2 ind CH3 NH3 PBI3, røntgendiffraktion blev udført (figur 3). Selv krystalstrukturen af den endelige perovskit forblev den samme for alle prøver, er det klart, at diffraktion top ved 2θ = 12,6, hvilket svarer til den uomdannede PBI 2, blev elimineret i nærvær af NaI og CuBr tilsætningsstoffer. For at bekræfte tilstedeværelsen af disse monovalente kationer inden for CH3 NH3 PBI 3 perovskit film, udførte vi en XPS-analyse, som vist i figur 4. På grundlag af XPS data, demonstrerede vi tilstedeværelsen af ​​Na og Ag-ioner inden perovskit film, hvorimod ikke kunne estimeres koncentrationen af ​​Cu sandsynligvis på grund af nærhed af iodid (I 3P1 / 2) og kobber (Cu 2p1 / 2) toppe.

Virkningen af monovalent kation additiver på absorptionsspektret for perovskit er vist i figur 5a, som blev målt ved PDS.Det er klart, at tilsætningsstoffet-baserede CH3 NH3 PBI 3 havde nedre sub-båndgab absorption sammenlignet med den uberørte prøve. Endvidere blev en absorption hale observeret for Cu-baserede prøver, der stammede fra den iboende absorption af kobber halogenid (figur 5b). Selvom absorptionen hale bekræfter tilstedeværelsen af Cu kationer i de endelige perovskit film, er det klart, baseret på en sammenligning mellem PDS af Cul-baserede PBI 2 og CH 3 NH 3 PBI 3, at deres inkorporering er ikke komplet. Desuden Urbach energi (Eu), som er et mål for graden af ​​energiske lidelse af et materiale, blev anslået til uberørt, NaI-, CuBr-, CuI-, og AgI-baserede perovskit, og værdierne er 15,6, 11,8, 12,8, 13,5, og 15,2 MeV henholdsvis (indsat i figur 5a).

At undersøge indflydelsen af ​​de førnævnte additiver på strømONIC struktur CH3 NH3 PBI 3, udførte vi KPFM, hvor kontakten potentielle forskel (CPD) af den linje profiler blev målt. Dette svarer til overfladen arbejdsfunktion (Φ) af perovskit vist i figur 6. Et klart skift i CPD (dvs. 0,1 V) af additiv-baserede perovskit forhold til den uberørte ene viser, perovskit Fermi niveauet forskydes mod valensbåndet. Denne ændring i Fermi niveau af perovskit kan tilskrives enten substitutionelt p-doping (f.eks, udskiftning af Pb 2+ med monovalente kationer X +) eller overflade passivering ved de krystallinske overflader af perovskit.

For at undersøge effekten af doping på tætheden af afgifter og på deres transport egenskaber i CH 3 NH 3 PBI 3, vi udførte bulk-målinger temperaturafhængige transport (figur 7a SCL) baseret på rumladningen begrænset strøm (SCLC) af det samlede elektron og hul-only upåvirket og additiv-baserede perovskit enheder. En bemærkelsesværdig stigning i ledningsevne og i både elektron og hul mobiliteter blev opnået, især for NAI og CuBr prøver sammenlignet med uberørt perovskit (tabel 1). Det er bemærkelsesværdigt, at forbedringen i ladningen mobilitet og ledningsevne er i overensstemmelse med en forbedring i kortslutningsstrømmen (J sc) og fyld faktor (FF) af de færdige solceller vist i figur 7b. Desuden har vi estimeret aktivering energi til opladning transport (DA) for både elektronen og hullet ved hjælp temperaturafhængige massetransportmidler målinger, hvor et klart fald blev opnået for additiv-baserede perovskit. Denne forbedring skyldes den højere tæthed af luftfartsselskaber på grund af doping og påfyldning the transport fælder, hvilket resulterer i et betydeligt fald i transport barriere.

Vi fremstillede perovskit solceller baseret på ovennævnte monovalent kation halogenider, de tilsvarende JV kurver og de fotovoltaiske parametre, er sammenfattet i figur 8a og tabel 1. En betydelig forbedring i tomgangsspænding blev opnået for både CuI- (0,99 V) og ophidsede og som- (1,02 V) baseret solceller på grund af den ideelle overflade dækning (figur 2c og 2e). Desuden er en bemærkelsesværdig stigning i kortslutningsstrømmen (≈2 mA cm-2) for CuBr- og NaI-baserede solceller blev opnået, hvilket kan tilskrives den fulde omdannelse af PBI 2 ind CH3 NH3 PBI 3. Denne forbedring blev bekræftet af den indfaldende foton-til-aktuelle virkningsgrad (IPCE) spektre vist i figur 8b. Endelig higher magt virkningsgrad (PCE) niveauer af 15,2%, 15,6%, og 15,3% blev opnået for NaI-, CuBr-, og Cul-baserede enheder, henholdsvis sammenligne med værdien 14,0% for den uberørte perovskit solcelle.

figur 1
Figur 1: mesoskopisk perovskit solcelle arkitektur. SEM tværsnit mikrografi af et komplet enhed med den følgende struktur: FTO / kompakt-TiO2 / mesoporøse-TiO 2 / CH3 NH3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au.

Figur 2
Figur 2: Morfologisk analyse af bly iodid og perovskit strukturer. Top-view SEM billeder af PBI 2 (venstre side) og CH 3 NH 3 PBI 3 (højre side) strukturer: (a) uberørt, ( Rong> b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI-, og (e) AGI-baserede perovskit prøver aflejret på et mesoporøst TiO2 -belagt FTO. Dette tal er gengivet fra henvisning 18. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Effekt af monovalent kation halogenid additiver på perovskit krystallinitet. Røntgendiffraktion spektre af uberørt og additiv-baserede CH3 NH3 PBI 3 perovskit der dyrkes på mesoporøse TiO 2 film, som er afsat på FTO-belagt glas. Dette tal er gengivet fra henvisning 18.t = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Spor af monovalente kationer i CH3 NH3 PBI 3 perovskitstruktur. XPS-analyse af uberørte, CuBr-, CuI-, NaI-, og AgI-baserede perovskit film. Dette tal er gengivet fra henvisning 18. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Optiske egenskaber af perovskit film. (A) absorptionsspektre af perovskit film afledt fra uberørte og additiv-baseret blykilder målt ved anvendelse af PDS-teknikken. Detindsatte viser de tilsvarende Urbach energierne for alle prøver. Fejlen bar defineres af SD i montering af Urbach halen. (B) Sammenligning af PDS absorptionsspektrene af uberørte og CuBr-baserede blyiodid og perovskit film samt CuBr afsat på ms-TiO2 og CuBr kun for film. Dette tal er gengivet fra henvisning 18. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: Virkning af monovalent kation additiver på overfladen potentiale perovskit film. CPD line profiler optaget fra uberørte og additiv-baserede perovskit film ved hjælp KPFM. AFM topografi Billedet vises øverst. Dette tal er gengivet fra henvisning 18 . Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: Oplad transport karakteristika perovskit film. (A) JV karakteristika hole-only enheder (ITO / PEDOT: PSS / Perovskite / AU), der anvendes til at estimere SCLC mobilitet hul. Bemærk, at strømtætheden (J) skaleres med tykkelsen af ​​perovskit lag. (B) De tendenser i J sc, u h, og μ e for uberørt og additiv-baserede perovskit. Dette tal er gengivet fra henvisning 18. Klik her for at se en større version af dette tal.

t "fo: holde-together.within-side =" 1 "> Figur 8
Figur 8: Photovoltaic ydeevne. (A) Current spænding karakteristika af udstyr under en belysning på 100 mW / cm2, opnået ved hjælp af forskellige typer af monovalente kationer halogenider føjet til den ledende source løsning. (B) foton-til-strømeffektivitet (IPCE) spektre som funktion af bølgelængden af monokromatisk lys for den uberørte, CuBr-, CuI-, NaI-, og AgI-baserede perovskit solceller. Dette tal er gengivet fra henvisning 18. Klik her for at se en større version af dette tal.

Type af Sample J SC V OC FF PCE μ e μ h E A e DA h
(mA cm-2) (V) (%) (cm 2 / Vs) (cm 2 / Vs) (MeV) (MeV)
Pristine 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: Fotovoltaiske og opladning transport parametre for PSC. Sammendrag af fotovoltaiske parametre afledt af JV målinger og charge mobilitet, sammen med aktivering energi til de uberørte og additive-baserede perovskit solceller, der viser den bedste ydeevne og blev fabricated anvendelse af to-trins deposition metode. Det er bemærkelsesværdigt, at statistikkerne fra de fotovoltaiske parametre følger samme tendens som de mest effektive enheder. Denne tabel er gengivet fra henvisning 18.

Discussion

En typisk arkitektur mesoskopiske perovskit solceller blev anvendt i dette arbejde, hvor en række materialer var spin-coated mellem et ledende substrat og et termisk fordampet metal kontakt (figur 1). Det mesoporøse TiO 2 lag blev behandlet med TiCl4, hvilket er rapporteret at passivere overfladen fælder og forbedre grænsefladen mellem elektrontransportkæden lag og absorberen materiale 21, 22. Perovskit lag afsættes derefter ved anvendelse af en sekventiel to-trins deposition teknik. Den fulde konvertering af bly halogenid i perovskit i det andet trin er afgørende for at opnå den højeste lysabsorption 16, 17, og vi viste, at monovalente kation halogenlamper tilsætningsstoffer (f.eks Nai og CuBr) resultere i en komplet konvertering. Desuden fuldstændig dækning af det mesoporøse titaniumdioxid lag wi'te perovskit over-lag er afgørende for at eliminere potentiel rekombination mellem transport hul lag (f.eks Spiro OMETAD) og elektrontransportkæden lag (f.eks mesoporøse TiO 2) 23. Vi illustrerede, at tilsætning af monovalent kation halogenider (fx Cul og AGI) kan forbedre overfladen dækning af perovskit afsluttende lag, hvilket fører til en højere tomgangsspænding for enheden.

Den største fordel ved vores metode er doping trin, hvor vi indarbejdet monovalente kationer i CH3 NH3 PBI 3 struktur for at forbedre tætheden af afgifter, afgiften transport, og ledningsevnen af absorberen lag. Som nævnt i det foregående afsnit, de førnævnte dopingmidler væsentligt forbedret både elektronen og hullet mobilitet. Desuden er en bemærkelsesværdig nedgang i ladningstransport aktiveringsenergi, samt i den energiske sygdom i perovskite film, blev opnået ved monovalent kation doping.

I dette arbejde har vi vist en metode til at dope CH3 NH3 PBI 3 som en absorber lag i mesoskopisk perovskit solcelle struktur. Monovalent kation halogenider blev anvendt til at tune morfologiske, optiske og elektriske egenskaber af CH3 NH3 PBI 3 perovskit film for at øge det fotovoltaiske ydeevne. Derfor har vi indarbejdet tre forskellige monovalente kationer (dvs. Na +, Cu +, og Ag +), som har lignende ionisk radier til Pb 2+, i spidsen kilde i den sekventielle totrins aflejring af CH3 NH3 PBI 3 . Som et resultat, en bemærkelsesværdig forbedring i de strukturelle og optoelektroniske egenskaber af CH 3 NH 3 PBI 3 fandt sted i tilstedeværelsen af disse additiver, hvilket fører til højere PCES for de fabrikerede solceller. Derfor er vores arbejde highlights en let måde til at dotere CH3 NH3 PBI 3 som en absorber lag, som kan anvendes i alle andre konfigurationer af perovskit solceller (f.eks plane arkitektur) for yderligere at forbedre den elektroniske kvaliteten af perovskit tynde film.

De data, der ligger til grund dette papir findes på: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Acknowledgments

M. Abdi-Jalebi tak Nava Technology Limited for et ph.d.-stipendium. MI Dar og M.Grätzel takker Kong Abdulaziz City for Videnskab og Teknologi (KACST) og den schweiziske National Science Foundation (SNSF) om økonomisk støtte. Forfatterne vil gerne takke Dr. Pierre Mettraux i Molekylær og Hybrid Materialekarakterisering Center, EPFL for at udføre de XPS målinger. A.Sadhanala taknemmelig økonomisk støtte fra Indo-UK APEX-projektet. SP Senanayak anerkender Royal Society London for Newton Fellowship. RH Friend, M. Abdi-Jalebi, og A. Sadhanala vil gerne anerkende den 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 halogenid tilsætningsstoffer CH doping overflade passivering
Monovalent kation doping af CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Til Effektive 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