Cationi monovalenti doping di CH₃ NH₃ PBI₃ Per efficienti celle solari Perovskite

Emissione di campo microscopia elettronica a scansione (FESEM) è stato usato per registrare sia immagini a sezione trasversale delle celle solari fabbricate perovskite (Figura 1) e visualizzare immagini migliori dei depositati PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3 film (Figura 2). Diffrazione di raggi X (XRD) e raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS) sono stati impiegati per caratterizzare le proprietà strutturali dei film perovskite (figure 3 e 4). Photothermal deflessione spettroscopia (PDS) e Kelvin forza microscopia a sonda (KPFM) sono stati usati per sondare le proprietà ottiche ed elettriche dei film perovskite, rispettivamente (figure 5 e 6). Inoltre, misure di trasporto bulk dipendenti dalla temperatura, basate su carica spaziale corrente limitata (SCLC) è stata eseguita sui dispositivi perovskite (Figura 7). Infine, una serie photovoltamisura ic dei dispositivi fabbricati stata eseguita (Figura 8 e Tabella 1). Basato sul top-view immagini SEM della PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3 depositato sul mesoporosa TiO 2 strati (mp-TiO 2) mostrato in figura 2, l'effetto degli additivi sulla morfologia di perovskite è stato illustrato dove grandi cristalli a forma di ramo di PBI 2 sono stati ottenuti nel campione NaI-based. Ciò ha portato alla formazione di grandi cristalli asimmetrici di perovskite. Inoltre, abbiamo ottenuto uno strato uniforme e perovskite pinhole senza tappatura per i campioni a base di Agi CuI- e (Figura 2c e 2e). Per studiare l'effetto degli additivi alogenuri catione monovalente sulla struttura cristallina di CH 3 NH 3 PBI 3 e sulla conversione di PBI 2 in CH 3 NH 3 PBI3, diffrazione di raggi X è stata eseguita (Figura 3). Sebbene la struttura cristallina della perovskite finale è rimasta la stessa per tutti i campioni, è evidente che il picco di diffrazione a 2θ = 12,6, che corrisponde ai non convertiti PBI 2, è stato eliminato in presenza di additivi NaI e CuBr. Per confermare la presenza di questi cationi monovalenti all'interno CH 3 NH 3 PBI 3 film perovskite, abbiamo condotto un'analisi XPS, come mostrato nella figura 4. Sulla base dei dati XPS, abbiamo dimostrato la presenza di Na e Ag ioni all'interno dei film perovskite, mentre la concentrazione di Cu non può essere stimato, probabilmente a causa della vicinanza di ioduro (I 3P1 / 2) e rame (Cu 2P1 / 2) i picchi. L'effetto degli additivi catione monovalente sullo spettro di assorbimento della perovskite è mostrato in figura 5a, che è stata misurata dal PDS.È evidente che l'additivo a base di CH 3 NH 3 PBI 3 ha un minore assorbimento di sub-bandgap rispetto al campione incontaminato. Inoltre, una coda di assorbimento è stata osservata per i campioni Cu-based, che ha avuto origine dalla assorbimento intrinseca di alogenuro di rame (figura 5b). Anche se la coda di assorbimento conferma la presenza di cationi Cu nei film perovskite finali, è evidente, sulla base del confronto tra i PDS di cui a base PBI 2 e CH 3 NH 3 PBI 3, che la loro incorporazione non è completa. Inoltre, l'energia Urbach (Eu), che è una misura del grado di disordine energetico di un materiale, è stato stimato per incontaminata, perovskite NaI-, CuBr-, CuI- e AgI a base ei valori sono 15,6, 11.8, 12.8, 13.5, 15.2 e meV, rispettivamente, (inserto di figura 5a). Per esplorare l'influenza degli additivi suddetti sul elettrStruttura onic di CH 3 NH 3 PBI 3, abbiamo eseguito KPFM, dove è stata misurata la differenza di potenziale di contatto (CPD) dei profili di linea. Ciò corrisponde alla funzione lavoro superficiale (Φ) della perovskite illustrato in figura 6. Un netto spostamento nella CPD (cioè, 0,1 V) di additivo basato perovskite rispetto a quella incontaminata mostra che il livello di Fermi perovskite è spostato verso la banda di valenza. Questa variazione del livello di Fermi di perovskite può essere attribuita a sostituzionale p-doping (ad esempio, la sostituzione di Pb 2+ con cationi monovalenti X +) o passivazione superficiale sulle superfici cristalline di perovskite. Per studiare l'effetto di drogaggio dalla densità delle cariche e sulle proprietà di trasporto in CH 3 NH 3 PBI 3, abbiamo effettuato misure di trasporto di massa in funzione della temperatura (Figura 7a </strong>). Abbiamo quindi stimato la mobilità bulk carrier (μ SCL) in base alla carica spaziale corrente limitata (SCLC) dell'elettrone completa e dispositivi perovskite basati additivo hole-solo incontaminata e. Un notevole aumento della conducibilità e in entrambe le mobilità degli elettroni e fori sono stati raggiunti, in particolare per i campioni NaI e CuBr rispetto a perovskite incontaminata (Tabella 1). È da notare che il miglioramento della mobilità di carica e conducibilità sono coerenti con il miglioramento della corrente di cortocircuito (J sc) e fattore di riempimento (FF) delle celle solari fabbricate mostrato in Figura 7b. Inoltre, abbiamo stimato l'energia di attivazione per il trasporto di carica (IT) sia per l'elettrone e il buco utilizzando misure di trasporto di massa in funzione della temperatura, in cui una netta diminuzione è stato raggiunto per perovskite additivo a base di. Tale miglioramento è attribuito alla maggiore densità dei vettori a causa di drogaggio e riempimento thtrappole di trasporto e, che si traduce in un calo significativo nella barriera trasporti. Abbiamo fabbricato celle solari perovskite sulla base delle suddette alogenuri monovalenti cazione, le corrispondenti curve JV, ei parametri fotovoltaici che sono riassunte nella Figura 8a e Tabella 1. Un miglioramento significativo in tensione a vuoto è stato ottenuto sia CuI- (0,99 V) e AgI- (1,02 V) basato celle solari a causa della copertura della superficie ideale (figura 2c e 2e). Inoltre, un notevole aumento della corrente di cortocircuito (≈2 mA cm -2) per CuBr- e celle solari NaI-base è stato raggiunto, che può essere attribuito alla conversione completa di PBI 2 in CH 3 NH 3 PBI 3. Questo miglioramento è stato confermato dagli spettri fotone incidente-corrente efficienza di conversione (IPCE) mostrata nella figura 8b. Infine, higher efficienza di conversione di potenza (PCE) livelli del 15,2%, 15,6% e 15,3% sono stati raggiunti per NaI-, CuBr-, e dispositivi di cui a base, rispettivamente confronta con il valore di 14,0% per la cella solare perovskite incontaminata. Figura 1: Mesoscopic perovskite architettura delle celle solari. SEM in sezione di un dispositivo completo con la seguente struttura: FTO / compact-TiO 2 / mesoporosi-TiO 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / Spiro-OMeTAD / Au. Figura 2: Analisi morfologica del piombo ioduro e strutture perovskite. Top-Visualizza immagini SEM di PBI 2 (lato sinistro) e CH 3 NH 3 PBI 3 strutture (lato destro): (a) incontaminato, ( <st rong> b) CuBr-, (c) CuI-, (d) NaI-, e (e) i campioni perovskite AGI-based depositati su un mesoporosa TiO2 Rivestiti FTO. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 3: Effetto di additivi alogenuri catione monovalente sulla cristallinità perovskite. Diffrazione di raggi X spettri incontaminato e additivo a base di CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite che è cresciuto su mesoporosa TiO 2 film, che si deposita sul vetro FTO rivestita. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18.t = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 4: Traccia di cationi monovalenti in CH 3 NH 3 PBI 3 struttura perovskite. Analisi XPS di film perovskite incontaminate, CuBr-, CuI-, NaI-, e di Agi-based. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 5: Proprietà ottiche di film perovskite. (A) Gli spettri di assorbimento del film perovskite derivati da fonti di piombo incontaminato e additivi a base misurata con la tecnica PDS. Ilinserto mostra le corrispondenti energie Urbach per tutti i campioni. La barra di errore è definito dalla SD nel montaggio della coda Urbach. (B) confronto degli spettri di assorbimento PDS di film incontaminato e piombo ioduro CuBr-based e perovskite, nonché CuBr depositato su ms-TiO 2 e CuBr soli film. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 6: Effetto di additivi cationi monovalenti sul potenziale superficie di film perovskite. profili linea CPD registrate dai film perovskite incontaminate e additivi a base utilizzando KPFM. L'immagine topografica AFM è mostrato sulla parte superiore. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18 . Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 7: caratteristiche di trasporto di carica dei film perovskite. (A) le caratteristiche dei dispositivi JV foro di solo (ITO / PEDOT PSS / Perovskite / UA), utilizzati per stimare la mobilità buco SCLC. Si noti che la densità di corrente (J) viene scalata con lo spessore degli strati perovskite. (B) le tendenze del SC J, μ h, e μ e per perovskite incontaminata e additivo a base di. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figura 8: caratteristiche prestazionali fotovoltaico. (A) caratteristiche corrente-tensione di dispositivi in una illuminazione di 100 mW / cm 2, ottenuti utilizzando diversi tipi di cationi monovalenti alogenuri aggiunti alla soluzione di fonte di piombo. (B) Incidente efficienza fotone-corrente (IPCE) spettri in funzione della lunghezza d'onda di luce monocromatica per incontaminate, celle solari perovskite CuBr-, CuI-, NaI- e AgI basati. Questo dato è stato riprodotto da riferimento 18. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Tipo di campione J SC V OC FF PCE μ e μ h E A e E A h (cm -2 mA) (V) (%) (cm 2 / Vs) (cm 2 / Vs) (MeV) (MeV) incontaminato 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 <td> 0,04 88 132 CuI 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 Tabella 1: fotovoltaici e di trasporto di carica parametri del PSC. Sintesi dei parametri fotovoltaici conseguenti a misurazioni JV e le mobilità di carica, insieme con l'energia di attivazione per le celle solari perovskite incontaminate e additivi a base che mostrano le migliori prestazioni e sono stati fabricated utilizzando il metodo di deposizione in due fasi. È da notare che le statistiche dei parametri fotovoltaici seguono lo stesso andamento dei migliori dispositivi performanti. Questa tabella è stata riprodotta da riferimento 18.