CH tek değerlikli katyon doping
19 Mart 2017
Burada, yüksek verimli perovskit güneş hücreleri elde etmek için tek değerli bir katyondur katkı maddelerinin dahil edilmesi yoluyla çözelti işleme CH3 NH3 PBI 3 özelliklerini ayarlamak için bir protokol mevcut.
Bu prosedürün genel amacı, yüksek verimli perovskit güneş hücreleri üretmek için monovalent katyon katkılaması yoluyla kurşun halojenür perovskitin optoelektronik özelliklerini geliştirmektir. Monovalent katyonların kurşun halojenür perovskite dahil edilmesi, bu malzemenin yarı iletken kalitesini ve fotoelektrik davranışını önemli ölçüde iyileştirir. Perovskit malzemelere düşük maliyetli monovalent katyon katkı maddelerinin uygun miktarda eklenmesi, yük hareketliliğini artırır ve enerjik düzensizliği bir derece azalttırır.
Substrat karşılaştırmasına başlamak için, FTO kaplı bir cam lamın iletken tarafının 2/3'ünü kapatmak amacıyla yarı şeffaf akrilik yapışkan bant kullanın. Ardından, açıkta kalan alanları çinko tozu ile kaplayın. Substratı aşındırmak için lamın üzerine distile su içerisinde hazırlanmış 2 molar hidroklorik asit çözeltisi dökün.
Lamın açıkta kalan bölümlerindeki kalıntıları silmek için bir pamuklu çubuk kullanın. Aşındırılmış FTO substratı distile su ile durulayın ve ardından bandı çıkarın. Aşındırılmış yüzeyi, ağırlıkça hacimce %2'lik alkali sıvı deterjan konsantresi ve su çözeltisi ile yıkayın.
FTO altlığı sırasıyla aseton ve izopropanol banyolarında 10'ar dakika boyunca sonike edin. Aşındırılmış altlığın temizliğini tamamlamak için FTO altlığını bir oksijen plazma temizleyicide 15 dakika boyunca işleme tabi tutun. Bloklayıcı kompakt titanyum oksit tabakasının tamamını kaplamak için, öncelikle aşındırılmış ve temizlenmiş FTO altlığını 450 °C sıcaklıktaki ısıtıcı plakaya yerleştirin.
Temas alanını hemen önceden kesilmiş bir lam ile kapatın ve alt tabakanın 450 °C sıcaklığa ulaşmasını bekleyin. 0.6 mL TAA'yı 7 mL izopropanol ile karıştırın. Alt tabaka 450 °C sıcaklıktayken, taşıyıcı gaz olarak hava kullanarak sprey piroliz yoluyla TAA çözeltisini alt tabakaya uygulayın.
Numuneyi 30 dakika boyunca 450 °C'de bekletin. Ardından numunenin oda sıcaklığına soğumasını sağlayın. Substrat soğuduktan sonra cam kapağı çıkarın.
Elektron taşıma tabakasını oluşturmak için, önce 30 nanomolar titanyum oksit pastayı etanol ile 2:7 ağırlık oranında seyreltin. Süspansiyonu 30 dakika boyunca sonikasyon işlemine tabi tutun. Ardından, örneği süspansiyonla, saniyede 2.000 RPM hızlanma oranıyla 5.000 RPM'de 30 saniye boyunca spin coating yöntemiyle kaplayın.
Mezogözenekli bir titanyum oksit film elde etmek için titanyum filmi 500 °C'de 30 dakika boyunca tavlayın. Ardından örneği, titanyum klorür ve distile sudan oluşan 40 mM'lık bir çözeltiye daldırın. Örnekleri 70 °C'de 20 dakika boyunca işleme tabi tutun.
Titanyum klorür ile işlem görmüş numuneyi 450 °C'de 30 dakika daha tavlayın. Numuneyi, nem oranı %1'den düşük olan, azotla doldurulmuş bir glove box'a aktarın. Düşük su, düşük oksijen içeren inert bir atmosferde, 553 mg kurşun iyodüre 1 mL DMF ekleyin. Kurşun iyodür tamamen çözünene kadar, sürekli karıştırarak karışımı 80 °C'ye ısıtın.
Ardından, seçilen monovalent katyon halürün kurşun iyodür çözeltisi içinde 0,02 molar bir çözeltisini hazırlayın. Kurşun iyodür içindeki monovalent katyon halür çözeltisinden substrata 80 µL uygulayın. Substratı, saniyede 4.000 RPM rampa hızıyla 6.500 RPM'de 30 saniye boyunca spin coat işlemine tabi tutun.
Elde edilen ince filmi 80 °C'de 30 dakika boyunca pişirin. Ardından, 40 mg metilamonyum iyodürü 5 mL izopropanol içerisinde çözün. Kurşun iyodür kaplı altlığı bir spin kaplayıcıya yerleştirin ve 120 µL MAI çözeltisi uygulayın.
Çözeltinin substrat üzerinde 45 saniye boyunca beklemesine izin verin ve ardından substratı MAI ile 4.000 RPM'de 20 saniye boyunca spin kaplayın. Perovskit filmi 100 °C'de 45 dakika boyunca tavlayın. Tüm taşıma katmanını çöktürmek için, öncelikle 72,3 mg spiro-methoxyTAD'a 1 mL klorobenzen ekleyin.
Çözelti şeffaf görünene kadar karışımı çalkalayın. 1 mililitre asetonitril içerisinde 520 miligram lityum TFSI içeren bir stok çözelti hazırlayın. Ardından, 28,8 mikrolitre 4-tert-bütilpiridin ile karıştırılmış 17,5 mikrolitre lityum TFSI çözeltisini spiro-metoksiTAD çözeltisi ile karıştırın.
Bu karışımı, 2.000 RPM/saniye hızlanma oranıyla 4.000 RPM'de 30 saniye boyunca numuneye spin kaplayın. Numuneyi, güneş pilinin üst kontakları için bir maske deseniyle kapatın. Güneş pili imalatını tamamlamak için numuneye 0,01 nanometre/saniye hızla 80 nanometrelik bir altın tabakası kaplayın.
Saf ve katkı maddesi bazlı perovskitlerin ince filmleri, karşılaştırmalı olarak ilgili kurşun iyodür filmleri ile kıyaslanmıştır. Katkı maddesi olarak sodyum iyodür kullanıldığında, FESEM ile büyük, asimetrik perovskit kristallerinin yanı sıra büyük, dal şeklinde kurşun iyodür kristalleri gözlemlenmiştir. Katkı maddesi olarak bakır iyodür ve gümüş iyodür kullanıldığında ise homojen, iğne deliği içermeyen perovskit katmanları gözlemlenmiştir.
X-ışını kırınımı, katyon katkılamanın perovskit kristal yapısı üzerinde herhangi bir etkisinin olmadığını göstermiştir. Sodyum iyodür veya bakır bromür katkı maddesi olarak kullanıldığında, dönüşmemiş kurşun iyodüre karşılık gelen herhangi bir pik gözlemlenmemiştir. Kelvin prob kuvvet mikroskopisi, katkılanmış perovskit fermi seviyelerinin valans bandına doğru kaydığını göstermiştir.
Katkılanmış numuneler, özellikle sodyum iyodür ve bakır bromür numuneleri için elektron ve toplam mobilitelerde artan iletkenlik göstermiştir. Ayrıca, dolum faktöründeki kısa devre akımında da artışlar gözlemlenmiştir. Bakır bromür ve sodyum iyodür tabanlı hücrelerdeki daha yüksek kısa devre akımı artışı, kurşun iyodürün tam dönüşümüne ve iyileştirilmiş yük mobilitesine bağlanmıştır.
Bakır iyodür ve gümüş iyodür tabanlı güneş hücrelerinde, muhtemelen tekdüze ve iğne deliği içermeyen yüzeyleri nedeniyle açık devre voltajında iyileşmeler gözlemlenmiştir. Sodyum iyodür, bakır bromür ve bakır iyodür tabanlı güneş hücrelerinin güç dönüşüm verimliliklerinin tamamı, saf bir perovskit hücrenin verimliliğinden belirgin şekilde daha yüksekti. Mezoskopik perovskit güneş hücresi yapısında soğurucu tabaka olarak metilamonyum kurşun halid perovskitin çözelti işlemiyle uyumlu, kolay bir katkılama yöntemi göstermiş bulunmaktayız.
Kurşun halojenür perovskit malzemelerin optoelektronik ve yapısal özellikleri, monovalent katyon katkı miktarları kontrol edilerek ayarlanabilir ve bu durum üstün fotovoltaik performansa yol açabilir. Yöntemimiz, fotovoltaik alanındaki araştırmacıların, perovskit ince filmlerin elektronik kalitesini daha da artırmak için bu tekniği perovskit güneş hücrelerinin diğer konfigürasyonlarında keşfetmelerine ön ayak olmuştur.
Genel Bakış
Bu makale, monovalent katyon katkılaması yoluyla kurşun halojenür perovskit güneş hücrelerinin optoelektronik özelliklerini geliştirmek için bir protokol sunmaktadır. Bu katkı maddelerinin dahil edilmesi, yarı iletken kalitesini ve yük hareketliliğini önemli ölçüde artırmaktadır.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Malzeme Bilimi
- Fotovoltaikler
- Optoelektronik
Arka Plan
- Kurşun halid perovskitler, güneş pilleri için gelecek vadeden malzemelerdir.
- Tek değerli katyonlar bu malzemelerin özelliklerini iyileştirebilir.
- Yük hareketliliğinin artırılması, güneş pili verimliliği için kritik öneme sahiptir.
- Perovskit tabakalarının hazırlanmasında yaygın olarak çözelti işlem teknikleri kullanılır.
Çalışmanın Amacı
- Kurşun halojenür perovskitin tek değerli katyonlarla katkılanması için bir yöntem geliştirmek.
- Katkılamanın, perovskit güneş hücrelerinin optoelektronik özellikleri üzerindeki etkisini değerlendirmek.
- Katkılandırılmış ve katkılandırılmamış perovskit filmlerin performansını karşılaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Aşındırma ve temizleme yoluyla FTO altlıkların hazırlanması.
- Sprey pirolizi ve spin kaplama ile titanyum oksit tabakalarının uygulanması.
- Kurşun iyodürün monovalent katyon halidlerle katkılanması.
- Elde edilen filmlerin çeşitli mikroskopi ve difraksiyon teknikleri kullanılarak karakterizasyonu.
Temel Sonuçlar
- Katkılandırılmış perovskit filmler, gelişmiş yük mobilitesi ve iletkenlik sergilemiştir.
- Katkılandırılmış hücrelerde artırılmış kısa devre akımı ve dolgu faktörü gözlemlenmiştir.
- Katkılandırma nedeniyle kristal yapı üzerinde herhangi bir olumsuz etki kaydedilmemiştir.
- Katkılandırılmış hücrelerin güç dönüşüm verimlilikleri, katkısız hücrelerin verimliliklerini aşmıştır.
Sonuçlar
- Katkılama yöntemi etkili ve çözeltiyle işleme uygundur.
- Tek değerli katyon katkı maddeleri, perovskit güneş hücrelerinin performansını önemli ölçüde artırır.
- Bu çalışma, güneş hücresi teknolojisindeki gelecekteki geliştirmeler için bir yol sunmaktadır.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Sektörel Uygunluk
Perovskit malzemelerin monovalent katyonla doplanması, şarj mobilitesi ve enerjik düzensizlik dahil olmak üzere, fotovoltaik verimliliği doğrudan etkileyen optoelektronik malzeme kalitesindeki temel zorlukları ele almaktadır. Bu yaklaşım, defekt yoğunluğunu azaltarak ve şarj taşınımını iyileştirerek malzeme performansında öngörülebilir bir güven sağlamakta ve ardından gelen cihaz optimizasyonunu desteklemektedir. Bu yöntem, fotovoltaik Ar-Ge süreçlerinde erken aşama malzeme taraması ve öncü madde belirleme için uygun, perovskit tabanlı sistemlerdeki elektronik özellikleri ayarlamaya yönelik ölçeklenebilir ve çözeltiyle uyumlu bir strateji sunmaktadır.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Yarı iletken malzemelerde dopant etkilerinin yük taşıyıcı dinamikleri ve kusur pasivasyonu üzerindeki sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Optoelektronik işlevselliği artıran katyon katkı maddelerinin hızlı bir şekilde taranmasını destekler.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değer: Karşılaştırmalı analiz için standartlaştırılmış optoelektronik çıktılara sahip katkılanmış perovskite filmlerin hazırlanmasını kolaylaştırır.
- Operasyonel Değer: Farklı katkı maddesi varyantları arasında yük hareketliliği ve iletkenlik ölçümlerinin tekrarlanabilirliğini artırır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Malzeme katkılamadan fonksiyonel cihaz performansına kadar olan sürekliliği göstererek, riske göre ayarlanmış geliştirme kararlarını destekler.
- Operasyonel Değer: Translasyonel potansiyeli değerlendirmek için nicel kriterler (örneğin, açık devre voltajı, kısa devre akımı) sağlar.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Katkılama yöntemi, fotovoltaik araştırmalarda öncü madde tanımlamasını ve klinik öncesi cihaz doğrulamasını bilgilendiren erken dönem malzeme optimizasyonuna imkan tanıyarak keşif sürekliliğine entegre olur.
- Keşif Biyolojisi: Tek değerli katyonların perovksit örgü yapılarındaki kusur yoğunluğunu ve yük taşınımını nasıl etkilediğine dair hipotez testlerini destekler.
- Tarama: Geliştirilmiş delik mobilitesine ve azaltılmış alt-bant aralığı absorbsiyonuna sahip katkılanmış filmlerin analize hazır şekilde hazırlanmasını sağlar.
- Analitikler: Karşılaştırmalı değerlendirme için Fermi seviyesi kaymaları, iletkenlik artışları ve fotovoltaik parametre iyileştirmeleri gibi nicel çıktılar üretir.
- Translasyonel Araştırma: İyileştirilmiş dökme özelliklerini, açık devre voltajı ve fotoakım yoğunluğu gibi gelişmiş cihaz metrikleriyle ilişlendirerek preklinik sürekliliği destekler.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Çeşitli perovksit bileşimleri ve cihaz mimarileri genelinde uygulanabilir, yeniden kullanılabilir bir katkılama protokolü oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Enerjik düzensizliğin azaltılması ve kütle delik hareketliliğinin artırılması yoluyla malzeme kalitesinde öngörülebilir güvenilirlik.
- Operasyonel Değer: Tekrarlanabilir optoelektronik ayarlama için çözelti işlemenin ve katkı maddesi eklenmesinin standartlaştırılması.
- Stratejik Değer: Voltaj ve akım çıkışındaki ölçülebilir iyileştirmelere dayanarak malzeme adayları hakkında karar verme süreçlerini bilgilendirir.
- Portföy Etkisi: Üstün güç dönüşüm verimliliği gösteren katkılı perovskite formülasyonlarının riskle uyumlu önceliklendirilmesini sağlar.
Uygulama Hususları
- Yarı iletken malzemeler, çözelti işlemleri ve ince film biriktirme tekniklerinde uzmanlık.
- Spin kaplama, termal tavlama ve optoelektronik karakterizasyon (örneğin, FESEM, XRD, KPFM) için kullanılan cihazlar.
- Deneysel gruplar genelinde katkı maddesi konsantrasyonunun ve altlık hazırlığının standartlaştırılması.
- Farklı tek değerli katyon halojenürleri ve perovskit bileşimleri için adaptasyon değerlendirmeleri.
- Pratik kısıtlamalar arasında, katkı maddesi ekleme sırasında homojen film oluşumunun sağlanması ve kristalleşme kinetiğinin kontrol edilmesi yer alır.
