Film Oluşumunda Hybrid Perovskit Fabrikasyon Yöntemleri, Elektronik Yapısı ve Güneş Pili Performans Etkisi

Bu kapsamlı çalışmanın genel amacı, organik inorganik perovskit ince filmler için farklı üretim yöntemlerinin kristal yapıları, durumların yoğunluğunu, enerji seviyelerini ve güneş pili performansını nasıl etkilediğini sunmaktır. Bu çalışma, hibrit organik inorganik perovskitler alanındaki temel soruların, özellikle hazırlama yöntemlerinin çeşitli ince tabaka özelliklerini nasıl etkileyebileceğinin yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Yaklaşımımız, film bileşimini, morfolojiyi ve/veya durumların yoğunluğunu izlemek için fotoelektron spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu gibi yöntemler kullanarak farklı şekilde üretilmiş perovskit katmanlarını kategorize etmektir.

Film üretimindeki küçük değişiklikler kadar kritik olan işleme ve karakterize etme adımlarının görsel bir gösterimi, ince filmin kalitesi üzerinde büyük etkilere sahip olabilir. Prosedürü gösterenler, grubumdan bir yüksek lisans ve iki doktora öğrencisi olan Ines Schmidt, Tobias Schnier ve Jennifer Emara olacak. Ines ve Tobias çözelti işlemeye odaklanırken, Jenny vakumla biriktirilen katmanları inceliyor.

Alt temas olarak kullanılacak iletken anot malzemesini hazırlamak için önce 2,5 x 2,5 santimetrekare İndiyum Kalay Oksit kaplı cam parçalarını aşındırın, temizleyin ve ozonlayın. Daha sonra, suya en az 150 mikrolitre% 1.5 PEDOT: PSS çekin. Şırınga ucuna 0,45 mikronluk bir filtre uygulayın.

Bir ITO cam alt tabakayı% 30 ila% 50 bağıl neme sahip havadaki bir spin kaplayıcı üzerine monte edin. Filtrelenmiş PEDOT: PSS süspansiyonunun 150 mikrolitresini alt tabakanın yüzeyine dağıtın. Alt tabakayı 25 saniye boyunca 2.500 RPM'de ve saniyede 4.000 RPM'lik bir ivme ile beş saniye boyunca 4.000 RPM'de döndürün. PEDOT: PSS filminden kalan suyu çıkarmak için spin kaplı alt tabakayı sıcak bir plaka üzerinde 150 santigrat derecede 10 dakika ısıtın.

Perovskit kaplı alt tabakayı buhar biriktirme ile hazırlamak için, önce PEDOT: PSS kaplı alt tabakayı alet vakum odasına yerleştirin ve odayı boşaltın. Oda basıncı 10 ila negatif yedi milibara ulaştığında, alt tabakayı buharlaşma odasına taşıyın. Numune kapağının kapalı olduğundan emin olun ve takım kuvars kristali mikro terazisini numune konumunun önüne getirin.

Kurşun iyodür kaynağını 320 santigrat dereceye ve metilamonyum iyodür veya MAI kaynağını 190 santigrat dereceye ısıtın. MAI buharlaşmasının neden olduğu oda basıncındaki artışı izleyin. Daha sonra her kaynak için, numunenin yanına yerleştirilmiş QCM üzerine bir film yerleştirin ve aynı anda kaynak ve numune QCM'lerinde gösterilen kalınlıkları kaydedin.

Bundan yola çıkarak kurşun, iyodür ve MAI için takım faktörlerini hesaplayın. Birlikte buharlaştırmayı gerçekleştirmek için, kaynak sıcaklıklarını, biriktirme oranlarının oranı MAI'ye yaklaşık bir ila iki kurşun iyodür olacak şekilde ayarlayın. Ardından numune kapağını açın ve perovskit filmi bırakın.

Alternatif olarak, sıralı buharlaştırma gerçekleştirmek için, kaynak sıcaklıklarını yalnızca kurşun iyodür kaynağını ısıtacak şekilde ayarlayın. Numune kapağını açın, alt tabakaya 50 nanometrelik bir kurşun iyodür tabakası bırakın ve numune kapağını kapatın. Kurşun iyodür tabakasının birikmesinden sonra, kurşun iyodür kaynak sıcaklığını düşürün ve MAI kaynağını buharlaşma sıcaklığına yönlendirin.

Önceden kaplanmış alt tabakaya 50 nanometrelik bir MAI tabakası yerleştirin. İstenilen kalınlığa ulaşılana kadar kurşun iyodür ve MAI katmanlarının alternatif olarak biriktirilmesi. Film her iki yöntemle de istenen kalınlığa ulaştığında, deklanşörü kapatın ve kaynak ısıtıcılarını kapatın.

Numuneyi vakum odasındaki bir ısıtma aşamasına taşıyın ve uçucu maddeleri çıkarmak ve perovskit oluşumunu tamamlamak için filmi bir saat boyunca 70 santigrat derecede tavlayın. Sıralı biriktirme ile perovskit oluşturmak için, önce PEDOT: PSS kaplı bir alt tabakayı nitrojen dolu bir torpido gözü içindeki bir spin kaplayıcıya yerleştirin. Bir pipet kullanarak, alt tabaka üzerine mililitre başına 400 miligram kurşun iyodür ve DMF çözeltisinin 150 mikrolitresini bırakın.

Alt tabakayı 3.000 RPM'de 30 saniye boyunca döndürün. Daha sonra, mililitre başına 10 miligramlık bir MAI ve izopropanol çözeltisinin 150 mikrolitresini substratın yüzeyine bırakın ve 40 saniye bekletin veya substratı 40 saniye boyunca MAI çözeltisine batırın. 3.000 RPM'de 30 saniye boyunca sıkma kaplaması ile fazla çözeltiyi alt tabakadan çıkarın.

Sıralı biriktirme işlemini tamamlamak için alt tabakayı 100 santigrat derecede 15 dakika sıcak bir plaka üzerinde tavlayın. Perovskit filmi ko-çözelti yöntemiyle biriktirmek için, nitrojen dolgulu bir torpido gözünde, mililitre başına 250 miligramlık bir öncü çözelti elde etmek için yeterli miktarda kurşun iyodür ve MAI'yi DMF'de istenen oranda çözün. Moleküler bir katkı maddesine ihtiyaç duyulursa, öncü çözeltide mililitre başına 18 ila 20 miligramlık bir konsantrasyon elde etmek için yeterli amonyum klorür ekleyin.

Öncü çözeltiyi beş saat boyunca 50 santigrat derecede karıştırın. Daha sonra PEDOT: PSS kaplı bir alt tabakayı 50 santigrat derecede sıcak bir plaka üzerinde beş dakika önceden ısıtın. Isıtılmış alt tabakayı sıkma kaplayıcıya yerleştirin.

Sıkma kaplaması sırasında bir toluen atmosferi oluşturmak için sıkma kaplayıcı kasesine 200 mikrolitre toluen ekleyin. Alt tabakaya 150 mikrolitre öncü çözelti pipetleyin ve 30 saniye boyunca 3.000 RPM'de sıkın. Yardımcı çözelti işlemini bitirmek için spin kaplı alt tabakayı 110 santigrat derecede sıcak bir plaka üzerinde 30 saniye ısıtın.

Perovskit filmin kalitesi, yüzeyin parlaklığına bağlı olarak görsel olarak değerlendirilebilir. Güneş pili üretimine devam etmek için, nitrojen dolu bir torpido gözünde, alıcı malzeme olarak klorobenzen içinde mililitre başına 20 miligram 60 PCBM çözeltisi hazırlayın. Çözeltiyi en az 24 saat boyunca 50 santigrat derecede karıştırın.

Ardından, oda sıcaklığına soğutmak için yeni termal olarak tavlanmış perovskit kaplı bir alt tabakayı 30 saniye boyunca metal bir plaka üzerine yerleştirin. Soğutulmuş alt tabakayı bir spin kaplayıcıya monte edin. Alt tabakaya 150 mikrolitre 60 PCBM solüsyonu yerleştirin ve alıcı katmanı oluşturmak için 30 saniye boyunca 2.000 RPM'de döndürün.

Ardından, alt tabakayı bir buhar biriktirme numune tutucusuna yerleştirin ve alt tabakayı bir gölge maskesi ile örtün. ITO katmanını ortaya çıkarmak için açıkta kalan temas yerlerinden birini bir neşterle çizin. Ardından maskelenmiş alt tabakayı vakum odasına yerleştirin ve alüminyumun buharla birikmesi için hazırlanın.

Saniyede en fazla 0,5 angstrom hızında 10 nanometre alüminyum biriktirin ve maksimum üç çarpı 10 ila negatif altı milibar basınç uygulayın. Daha sonra hızı saniyede 2,5 angstrom'a yükseltin ve alüminyum katot üst temasını oluşturmak için alüminyum tabaka 100 nanometre kalınlığa gelene kadar biriktirmeye devam edin. Hücreyi bir güneş simülatörü kurulumuna taşıyın ve 0,02 voltluk adımlarla negatif 0,5'ten pozitif 1,5 volta süpürün.

Ardından histerezis olup olmadığını kontrol etmek için ters yönde tarayın. Perovskit ince filmler, tarif edilen yöntemlerin her biri ile ve MAI'ye değişen oranlarda kurşun iyodür ile hazırlandı. Buharla biriken filmlerin taramalı elektron mikroskobu ve bir katkı maddesi ile ko-çözeltiden hazırlanan filmler, istenen pürüzsüz iğne deliği olmayan yüzeyi göstermiştir.

Kurşun iyodür / MAI molar oranındaki değişikliklerle morfolojide varyasyon gözlendi. Katkı maddesi olmadan ko-çözeltiden hazırlanan filmler ve daldırma ve damla kaplama ile hazırlanan filmler daha az arzu edilen boşluklar, yüzey pürüzlülüğü ve iğne benzeri yapılar göstermiştir. Farklı kurşun iyodür ila MAI molar oranlarına sahip altı ko-çözelti numunesinin X-ışını kırınımı, tipik tetragonal kristal yapısını gösterdi.

MAI veya kurşun iyodürün ek fazları gözlenmedi, bu da x-ışını kırınım yöntemlerinin film bileşimi hakkında bilgi sağlayamadığını gösteriyor. İnce filmlerin sırasıyla stokiyometri ve iyonlaşma enerjilerini değerlendirmek için X-ışını ve UV foto elektron spektroskopisi kullanıldı. Tüm yöntemlerde artan kurşun iyodür içeriği ile artan iyonlaşma enerjisi eğilimi gözlenmiştir, bu da etkinin hazırlama yönteminden bağımsız olduğunu göstermektedir.

Çeşitli kurşun iyodür / MAI molar oranlarına sahip ince filmlerin güneş pili yetenekleri değerlendirildi. En yüksek verimlilik, stokiyometrik perovskit bileşimine en yakın olan 1.02'lik bir molar oran ile gözlenmiştir. Genel olarak, bu hibrit perovskit alanına yeni olan bireyler, film oluşumu hazırlama yöntemine çok hassas olduğu için mücadele edeceklerdir.

Çok çeşitli farklı cihaz verimlilikleri, morfolojileri ve özellikle enerji seviyesi değerleri ve literatür dikkatimizi çeken ve bu çalışmayı motive eden şeydi. Yüksek derecede tekrarlanabilirlik sağlamak çok önemlidir. Tüm işleme adımları ve karakterizasyon yöntemleri, perovskitin suya maruz kalmasıyla derecelenmesini önlemek için inert bir atmosfer altında gerçekleştirilmelidir.

Ve kurşun iyodür ile çalışmanın son derece tehlikeli olabileceğini ve bu nedenle bu prosedürleri gerçekleştirirken torpido gözünde çalışmak gibi önlemlerin her zaman alınması gerektiğini unutmamalısınız. Bu videoyu izledikten sonra, perovskitler için farklı hazırlama yöntemlerinin kristal yapılar, durumların yoğunluğu, enerji seviyeleri ve nihayetinde güneş pili performansı üzerindeki etkilerini iyi anlamış olmalısınız. Yaklaşımımızla, yapmak istediğimiz şey, bir yandan film hazırlama ile diğer yandan güneş pili performansını nihai olarak etkileyen fiziksel özellikler arasındaki korelasyonlar hakkında fikir vermektir.

Özellikle ilgi çekici olan, perovskit filmlerin iyonlaşma enerjisinin, MAI veya kurşun iyodür interstitialis'in kasıtlı olarak dahil edilmesiyle ayarlanması olasılığıdır. Bu, yeni cihaz mimarilerinde arayüz optimizasyonu için kullanılabilir. Gelecekteki teknikler, slot göz kaplama, püskürtme teknikleri ve büyük ölçekli baskı gibi yöntemler de dahil olmak üzere geniş cihaz alanlarını hedefleyen daha gelişmiş hazırlama tekniklerine bakacaktır.