Мы представляем обширное исследование о влиянии различных методов изготовления для органических / неорганических перовскита тонких пленок путем сравнения кристаллических структур, плотности состояний, уровней энергии и в конечном итоге производительность солнечных батарей.
Гибридные органические / неорганические галоидные перовскитами в последнее время стало предметом большой интерес в области применения солнечных батарей, с потенциалом для достижения эффективности устройств превосходящие другие технологии тонких устройств пленки. Тем не менее, большие различия в эффективности прибора и основных физических свойств сообщается. Это происходит из-за непреднамеренных изменений во время обработки пленки, которые не были достаточно исследованы до сих пор. Поэтому мы провели обширное исследование морфологии и электронной структуры большого количества CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита , где мы покажем , как метод подготовки, а также соотношение смешения йодида эдуктов метиламмония и свинца (II) йодид ударопрочных как формирование пленки, кристаллическая структура, плотность состояний, уровни энергии, и в конечном итоге производительность солнечных батарей.
Тонкие технологии пленки фотоэлектрические привлекли значительное внимание в исследованиях применения солнечных батарей из-за их низкого расхода материала и применения на гибких подложках. В частности, органический / неорганический галогенид перовскит- материалы оказались жизнеспособными активных слоев в устройствах солнечных элементов, что приводит к высокой эффективности. Перовскиты имеют выгодные свойства , такие как высокий коэффициент поглощения 1, высокой подвижности носителей заряда 2 и энергией связи 3 низкой экситона. Перовскита слои могут быть получены различными раствора или пар методов изготовления фазы на основе с использованием недорогих материалов – предшественников , таких как свинец (II) , йодид (PBI 2) и йодида метиламмония (MAI). Таким образом, позволяет легко приготовления пленок высокой кристалличности с использованием низких температур изготовления по сравнению с солнечными батареями коммерчески доступными кремния.
Это было шошп, что несколько параметров оказывают сильное влияние на производительность перовскита солнечных элементов, в первую очередь пленки морфологии, так как она влияет на длину диффузии экситонов и подвижность носителей заряда. Nie и др. показали , что за счет улучшения морфологии перовскита пленок, в отношении охвата и средний размер кристаллов, солнечная увеличивает производительность ячейки 4, 5. Морфология Было показано , что под влиянием (I) , выбор материала – предшественника (например, использование ацетата свинца 6), (II) молекулярные добавки (например , NH 4 Cl) 7, (III) выбор растворителя, (IV) термический отжиг в атмосфере растворителя (например , толуол или хлорбензол 8), а в частности , (v) выбор метода приготовления 9. Решение на основе процессов , как один шаг или двухступенчатого результате нанесения покрытия в солнечных элементах с эффективностью , превышающей 17% 4 </ SUP>, 10, 11, 12 в то время как напыленных перовскита солнечных батарей дают КПД 15,4% 13.
Было показано , что избыток PbI 2 в перовскита слоев является выгодным для производительности солнечных батарей за счет улучшенного баланса несущей пассивирование перовскита фильма PbI 2 на границах зерен 14. Тем не менее, мало работы было сделано, чтобы понять роль эффектов стехиометрии на перовскита пленочных материалов.
В этой статье мы представляем обширное исследование по широкому кругу по-разному подготовленных перовскита пленок и показать, как способы получения и влияние стехиометрии предшественника морфология, степень кристалличности, плотность состояний, состав пленки, а также производительность солнечных батарей. Целостный обзор представлен, начиная от изготовления снимать characteriзация все пути к производительности устройства.
Мы показали, что условия обработки оказывают существенное влияние на морфологию пленки и покрытия пленки. Это является причиной того, почему многие исследовательские группы публикуют различные результаты в отношении производительности солнечных батарей и потенциал ионизации для одних и тех же материалов перовскита.
Для обеспечения воспроизводимости результатов, важно, чтобы все этапы обработки и методы определения характеристик включенному в инертной атмосфере (или в вакууме), чтобы избежать деградации в результате воздействия влажности. Кроме того, чистота и поставщик эдуктов играют важную роль (не расследуются в настоящем документе). Понятно, что вакуум на хранение перовскитовых слои имеют высокую кристаллические пленки; Тем не менее, по сравнению, решение проявленных пленок могут быть изготовлены с более высокой пропускной способностью.
В нашем исследовании с использованием NH 4 Cl в качестве добавки в раствор предшественника и в атмосфере толуола в чаше спина нанесения покрытий при условии наиболее воспроизводимые и гладкой перовскитае фильмы. С другой стороны, падения и падение процессов покрытия приводит к довольно грубые поверхности, и не были дополнительно рассмотрены для применения устройства. И, наконец, вакуум обрабатываются слои имеют общий меньшие размеры кристаллов (~ 100 нм), но с высокой степенью охвата через весь фильм и более гладкой поверхностью. Из серии образцов с различным соотношением предшественника, мы узнали, что композиция оказывает существенное влияние на формирование пленки, а также. Тем не менее, при исследовании этих слоев с РСА (рисунок 2) все фильмы показывают высокую степень кристалличности и аналогичную тетрагональную кристаллическую структуру , обозначенную отражений при 14,11 ° и 28,14 ° , представляющую (110) и (220) плоскостей, в то время как некоторые из слои, казалось, немного более неупорядоченной, который можно увидеть появление слабой (002) и (004) отражений. Тем не менее, не наблюдается значительное расширение ДРЛ дифракционного пика. Интересно, что никаких признаков отдельных фаз PbI 2 при 12,63 ° не нашли, даже для больших избыточных количеств включенного PbI 2. Это указывает на то, что PbI 2 включено не в виде отдельной фазы или нанокристаллических островков , но , как разбавленных междоузлий, что делает его невозможно обнаружить с помощью XRD. Таким образом, использование XRD ограничено.
С другой стороны, XPS подтверждает , что дополнительное количество PbI 2 или MAI ( в зависимости от способа их производства) присутствуют в пленке, как это видно из вариаций приводит к азоту. Эти междоузельные в свою очередь, оказывают существенное влияние на электронную структуру пленки, как упоминалось ранее. Теперь, комбинируя выводы из XPS с наблюдением различия в энергии ионизации, выявленных ИБП позволяет соотнести эти два явления. На фиг.6 показан комбинированный график , где измеренное значение ИЭ на графике как функцию от состава пленки (свинцовой к азоту) соответствующей пленки.
Рисунок 6 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
Рисунок 6: Извлеченные точки измерения для полного набора данных из 40 перовскита пленками. Зависимость энергии ионизации от элементарного отношения R ехр свинца к содержанию азота (как определено XPS); сплошная линия представляет собой линейную фи т к данным и пунктирные линии обозначают стандартное отклонение ± 0,12 эВ. В нижней части, остатки ФИ т показаны. Печатается с разрешения автора из ссылки 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Мы находим четкую линейную корреляцию между этими двумя значениями. Наши результаты, таким образом, показывают , что перовскита пленка с МАИ в избытке обладает меньшей IE, в то время как PbI 2 богатый слой увеличивает IE. Мы находим IE 6,05 ± 0,10 эВдля оптимального мольном соотношении R ехр = 1, что значительно больше , чем часто опубликованную IE 5,4 эВ. Это несоответствие, вероятно, не будет из-за условий обработки, как мы находим это значение для различных по-разному подготовленных перовскита пленок. Это скорее связано с различиями в оценке данных, где линейная плотность состояний склона используется здесь приводит к более высоким значениям считывания. Широкое обсуждение этого вопроса можно найти в ссылке 17. Важно отметить , что мы не обнаружили изменений в оптическом запрещенной зоне этих пленок (E G = 1,60 ± 0,02 эВ, данные не показаны), что означает , что это не только смещение IE с переменным отношением, но энергия активации (EA) одновременно смещается.
Максимальная эффективность солнечных батарей была обнаружена для молярном отношении R 1,02 (PBI 2 до MAI) с эффективностью преобразования энергии на 9,6% , что подтверждает выводы из литературы 14 , что чуть – чутьPbI 2 богатые пленки имеют улучшенное поведение по несущей пассивирование перовскита фильм PbI 2 на границах зерен. Уменьшение напряжения холостого хода 200 мэВ с увеличением содержания PbI 2 можно найти. Так как никаких изменений в запрещенной зоне перовскита материала не происходит, уменьшение V OC не может быть объяснено одновременным уменьшением разрыва фотоэлектрической, а недостаточной блокировки дырок на границе раздела перовскита и PCBM (IE PCBM = 6,2 эВ) из – за увеличение перовскита IE. Одновременно FF для R> 1,05 уменьшается от 0,8 до 0,7, который поддерживает эти выводы.
В заключение мы представили обширное исследование перовскита пленок, изготовленных различными способами приготовления и обнаружили, что сильные изменения происходят в формировании пленки, электронной структуры и работы устройства. Особый интерес представляет возможность настроить IE перовскита путем преднамеренного включения MAI Oг PbI 2 междоузельные которые могут быть использованы для оптимизации интерфейса в новых архитектур устройств. Будущие исследования будут смотреть на более продвинутых методов подготовки, которые направлены в сторону больших областей устройств. К ним относятся такие методы, как доктора лопатками, техники распыления и крупномасштабного печати, которые в настоящее время установлена на нашем предприятии в COPT.centre (COPT = центр для органических технологий производства).
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку со стороны государства федеральной земли Северный Рейн-Вестфалия через проекта PERO-BOOST (EFRE, код проекта NW-1-1-040a). Благодаря идти к Азар Jahanbakhsh и Инес Шмидт (оба Кельнский университет) за помощь в изготовлении и характеризации 2-ступенчатым раствора обработанные перовскитовых слои, д-р Юрген Schelter (Кельнский университет) для синтеза материала МАИ, а также профессор . доктор Ридл и Неда Pourdavoud (оба университета Вупперталь) для измерений РСА.
ITO | Rose | < 15 Ω/sq | |
PEDOT:PSS | Heraeus Clevios | P VP .Al 4083 | |
MAI | Synthesized as found in literature | ||
PbI2 | Alfa Aesar | 44314 | 99.999% trace metals basis , -10 mesh beads |
NH4Cl | Suprapure | 101143 | 99995% |
PCBM | Nano C | 99.9% | |
Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 270644 | Chromasolv for HPLC (99.9%) |
N,N-Dimethylformamide | Acros Chemicals | 348430010 | Extra dry, stored over molecular sieves (99.8%) |
Toluene | Sigma Aldrich | 244511 | anhydrous |