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Chemistry

फिल्म निर्माण पर संकर perovskite निर्माण विधियों, इलेक्ट्रॉनिक संरचना, और सौर सेल प्रदर्शन का प्रभाव

Published: February 27, 2017 doi: 10.3791/55084
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry, University of Cologne

Summary

हम क्रिस्टल संरचनाओं, राज्यों, ऊर्जा के स्तर का घनत्व, और अंततः सौर सेल प्रदर्शन की तुलना द्वारा जैविक / अकार्बनिक perovskite पतली फिल्मों के लिए विभिन्न निर्माण विधियों के प्रभाव पर एक व्यापक अध्ययन प्रस्तुत करते हैं।

Abstract

हाइब्रिड कार्बनिक / अकार्बनिक halide perovskites हाल ही में आवेदन सेल सौर के क्षेत्र में बहुत रुचि का विषय रहा है, की क्षमता के साथ डिवाइस अन्य पतली फिल्म डिवाइस टेक्नोलॉजीज से अधिक क्षमता हासिल करने के लिए। फिर भी, इस उपकरण की दक्षता और बुनियादी भौतिक गुणों में बड़े बदलाव की सूचना है। इस फिल्म के प्रसंस्करण के दौरान अनजाने में बदलाव, जो पर्याप्त अब तक जांच नहीं की गई है के कारण है। इसलिए हम आकृति विज्ञान और सीएच 3 राष्ट्रीय राजमार्ग 3 PBI 3 perovskite की एक बड़ी संख्या है, जहां हम दिखाने के इलेक्ट्रॉनिक संरचना का एक व्यापक अध्ययन किया कैसे तैयारी विधि के साथ ही educts methylammonium आयोडाइड और सीसा (द्वितीय) आयोडाइड प्रभाव गुण तरह का मिश्रण अनुपात फिल्म निर्माण, क्रिस्टल संरचना, राज्यों के घनत्व, ऊर्जा का स्तर, और अंततः सौर सेल प्रदर्शन।

Introduction

पतली फिल्म फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी उनके कम सामग्री की खपत और लचीला substrates पर प्रयोज्यता के कारण आवेदन सेल सौर के अनुसंधान के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। सबसे विशेष रूप से, जैविक / अकार्बनिक halide perovskite सामग्री सेल उपकरणों सौर में व्यवहार्य सक्रिय परतों, उच्च क्षमता के लिए अग्रणी साबित किया है। Perovskites इस तरह के उच्च अवशोषण गुणांक 1, उच्च आरोप वाहक गतिशीलता 2, और कम exciton बंधन ऊर्जा 3 के रूप में लाभप्रद गुण शामिल हैं। Perovskite परतों विभिन्न समाधान या भाप चरण आधारित निर्माण विधियों की बढ़त (द्वितीय) आयोडाइड (PBI 2) और methylammonium आयोडाइड (एमएआई) की तरह कम लागत अग्रदूत सामग्री का उपयोग करके उत्पादन किया जा सकता है। इस तरह से व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की तुलना में कम तापमान निर्माण का उपयोग कर उच्च crystallinity फिल्मों का एक आसान तैयार करने के लिए अनुमति देता है।

यह थानेदार किया गया हैWN कि कई मापदंडों यह exciton प्रसार लंबाई और आरोप वाहक गतिशीलता को प्रभावित करती है, के रूप में perovskite सौर कोशिकाओं, सबसे उल्लेखनीय फिल्म आकृति विज्ञान के प्रदर्शन पर एक मजबूत प्रभाव है। एनआईई एट अल। पता चला है कि कवरेज और औसत क्रिस्टल आकार, सौर सेल प्रदर्शन बढ़ जाती है 4, 5 के बारे में, perovskite फिल्मों की आकृति विज्ञान में सुधार के द्वारा। आकृति विज्ञान (जैसे नेतृत्व एसीटेट 6 का उपयोग), (ii) आणविक additives 7, (iii) विलायक के चुनाव, (एनएच 4 सीएल तरह) (iv) थर्मल द्वारा (i) अग्रदूत सामग्री का चुनाव प्रभावित हो दिखाया गया है विलायक माहौल है, और विशेष रूप से (v) तैयारी विधि 9 की पसंद (टोल्यूनि या chlorobenzene 8 की तरह) के तहत annealing। समाधान आधारित 17% 4 से अधिक क्षमता के साथ सौर कोशिकाओं में एक या दो कदम-कदम स्पिन कोटिंग परिणाम की तरह प्रक्रियाओं </ sup>, 10, 11, 12, whilst वैक्यूम जमा perovskite सौर कोशिकाओं 15.4% 13 की क्षमता निकलेगा।

यह दिखाया गया है कि अतिरिक्त PBI 2 perovskite परतों में अनाज की सीमाओं पर 14 perovskite फिल्म के passivation द्वारा एक बेहतर संतुलन वाहक PBI 2 से होने के कारण सौर सेल प्रदर्शन के लिए फायदेमंद है। हालांकि, छोटे से काम perovskite फिल्म सामग्री पर stoichiometry के प्रभाव की भूमिका को समझने के लिए किया गया है।

इस पत्र में हम अलग ढंग से तैयार perovskite फिल्मों की एक विस्तृत श्रृंखला पर एक व्यापक अध्ययन के वर्तमान और दिखाने के लिए कैसे तैयारी के तरीकों और अग्रदूत stoichiometry प्रभाव आकृति विज्ञान, crystallinity, राज्यों के घनत्व, फिल्म संरचना, और सौर सेल प्रदर्शन। एक समग्र अवलोकन characteri फिल्म के लिए प्रस्तुत किया जाता है, निर्माण से लेकरzation सभी डिवाइस प्रदर्शन करने के लिए तरीका है।

Protocol

1. आईटीओ Substrates

नोट: एक बेहतर नमूना संपर्क करने के लिए और उपकरणों के shorting से बचने के लिए, आईटीओ लेपित ग्लास substrates लिथोग्राफी और नक़्क़ाशी नमूनों का उपयोग किया जाना है। ऊपर और नीचे इलेक्ट्रोड के ओवरलैप का उत्पादन सौर कोशिकाओं के सक्रिय क्षेत्र को परिभाषित करता है।

  1. एक गिलास कटर के साथ इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) लेपित गिलास प्लेट कट 2.5 सेमी substrates से 2.5 सेमी उपज के लिए।
  2. एक आईटीओ के केंद्र में एक परिपत्र के आकार का लेबल (व्यास = 1.6 सेमी) गोंद सब्सट्रेट को कवर किया।
  3. 10 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर एक हाइड्रोक्लोरिक 1 एम FeCl 3 समाधान में substrates रखकर आईटीओ खोदना।
  4. साफ क्लोरोफॉर्म, एसीटोन और एक अल्ट्रासोनिक स्नान में साबुन के घोल (2%) के साथ substrates क्रमिक।
  5. एक बार एन 2 प्रवाह के तहत आसुत जल के साथ अधिक से सूखी कुल्ला।

2. आईटीओ Substrates की Ozonation

नोट: कार्बनिक अशुद्धियों को दूर करने के लिए, टीवह आईटीओ substrates OZONIZED किया जाना है। इस oxidic सतह को सक्रिय करता है और सब्सट्रेट, जो बाद में परतों की प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बयान के लिए महत्वपूर्ण है के गीला गुण बढ़ जाती है।

  1. माउंट आईटीओ एक नमूना धारक पर substrates और एक Ozonation चैम्बर में जगह है।
  2. के तहत (वायुमंडलीय) एक पराबैंगनी दीपक (20 डब्ल्यू) कि ओजोन उत्पन्न के साथ ऑक्सीजन 10 मिनट के लिए रोशन।

3. PEDOT का बयान: पीएसएस होल एकत्रित संपर्क

नोट: पाली (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (PEDOT: पीएसएस) की एक फिल्म परिवेश की स्थिति (25 से 40% सापेक्ष आर्द्रता) के तहत एक जलीय निलंबन से स्पिन कोटिंग द्वारा जमा किया जाता है। यह परत, एक छेद एकत्रित संपर्क के रूप में प्रयोग किया जाता है और एक उच्च काम समारोह सुविधाएँ pinholes कम कर देता है, और उपकरणों की वृद्धि की reproducibility के लिए होता है।

  1. सब्सट्रेट पर एक सिरिंज के साथ पानी निलंबन (1.5%) में पीएसएस अपरोक्ष छानने के बाद: PEDOT के 150 μL रखेंऊ एक 0.45 माइक्रोन फिल्टर।
  2. स्पिन 25 S के लिए 2,500 आरपीएम की घूर्णन गति का उपयोग करते हुए कोट सीधे 4000 rpm / एस प्रत्येक के एक त्वरण के साथ 5 एस के लिए 4,000 आरपीएम द्वारा पीछा किया। पीएसएस फिल्मों: यह प्रक्रिया 40 से 45 एनएम मोटी PEDOT की ओर जाता है।
  3. thermally हवा में 10 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर substrates annealing द्वारा फिल्म से अवशिष्ट पानी निकाल दें।

4. perovskite परतें के बयान

सावधानी: लीड आयोडाइड (PBI 2) मनुष्य के लिए बेहद जहरीला है। यहां तक ​​कि छोटे मात्रा में तंत्रिका, hematopoietic, गुर्दे, यकृत और प्रणालियों के लिए बेहद खतरनाक हैं। देखभाल के साथ समाधान युक्त नेतृत्व संभाल लेना।
नोट: इस पत्र में जांच की perovskite फिल्मों अग्रदूत सामग्री के रूप में PBI 2 और 3 सीएच राष्ट्रीय राजमार्ग 3 मैं (एमएआई) का उपयोग करते हुए पाँच अलग अलग तरीकों से तैयार किया जाता है। आदेश में गिरावट 15 से बचने के लिए, फिल्मों और उपकरणों और उनके लक्षण वर्णन के निर्माण ख के लिए हैई एक एन 2 भरा दस्ताना बॉक्स (समाधान प्रसंस्करण) में अक्रिय वातावरण, उदाहरण के तहत प्रदर्शन या वैक्यूम के तहत (वाष्प जमाव)।

  1. समाधान प्रसंस्करण
    1. अनुक्रमिक बयान
      1. स्पिन coater पर सब्सट्रेट की जगह और ड्रॉप 150 μL PBI 2 सब्सट्रेट पर एक विंदुक के साथ एन एन dimethylformamide, DMF (400 मिलीग्राम / एमएल) में भंग कर दिया।
      2. 30 एस के लिए 3000 rpm पर स्पिन कोट तुरंत।
      3. डुबकी PBI 2 माई में फिल्मों isopropanol में भंग 40 S या सूखे PBI 2 फिल्म पर छोड़ एमएआई समाधान के लिए (10 मिलीग्राम / एमएल) और 40 एस के लिए वहाँ छोड़ दें।
      4. स्पिन कोट सब्सट्रेट बंद 30 एस के लिए 3000 rpm पर एमएआई समाधान शेष।
      5. एक hotplate पर सब्सट्रेट रखकर 100 डिग्री सेल्सियस पर 15 मिनट के लिए गर्मी।
    2. सह-समाधान:
      1. 250 मिलीग्राम की एक एकाग्रता के साथ एक अग्रदूत समाधान के लिए फार्म DMF में: (1 दाढ़ अनुपात आदर्श 1) वांछित अनुपात में दोनों PBI 2 और माई भंग/ एमएल।
      2. कम से कम 5 घंटे के लिए 50 डिग्री सेल्सियस पर अग्रदूत समाधान हिलाओ।
      3. एक hotplate पर 5 मिनट के लिए 50 डिग्री सेल्सियस पर पीएसएस: पहले से गरम substrates PEDOT के साथ कवर किया।
      4. एक डिवाइस श्रृंखला के दौरान एक वृद्धि reproducibility की गारंटी, स्पिन coater कटोरा अंदर विलायक (200 μL) की एक छोटी राशि टपकता है, जबकि स्पिन कोटिंग perovskite परत द्वारा एक टोल्यूनि वातावरण बनाते हैं।
      5. सब्सट्रेट पर (4.1.2.1) से 150 μL अग्रदूत समाधान रखें।
      6. स्पिन कोट इस अग्रदूत समाधान से 30 एस के लिए 3000 rpm पर perovskite परतें। स्पिन कोट सब्सट्रेट प्रति perovskite सामग्री की एक परत।
      7. एक hotplate पर 110 डिग्री सेल्सियस पर 30 एस के लिए जिसके परिणामस्वरूप perovskite परतों हीट।
    3. आण्विक Additive:
      1. सह-भंग एनएच 4 सीएल स्पिन कोटिंग समाधान में (18-20 मिलीग्राम / एमएल) (के रूप में 4.1.2.1 में वर्णित) बेहतर फिल्म गठन को सुनिश्चित करने के लिए। पहले के रूप में आगे बढ़ें।
        नोट: इस के सह इसलिए इसके लिए एक विकल्प है4.1.2 से lution।
  2. निर्वात बयान
    1. सामान्य प्रक्रिया
      1. निर्वात प्रणाली में साफ substrates लोड और खाली।
      2. बाद 10 -7 मिलीबार के दबाव वाष्पीकरण कक्ष में पहुंच गया, हस्तांतरण के नमूने और यह एक शटर के साथ evaporations स्रोतों से बंद ढाल है।
      3. दो स्रोतों कि PBI 2 के लिए और माई के लिए 140 डिग्री सेल्सियस लगभग 330 डिग्री सेल्सियस के लिए अग्रदूत सामग्री शामिल हीट। पता है कि चैम्बर में दबाव माई के अस्थिर स्वभाव के कारण लगभग 10 -4 मिलीबार को जन्म देगा बनें।
      4. एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल मॉनिटर (QCM) का उपयोग कर दो सामग्री के लिए वाष्पीकरण दरों जांचना स्रोत के करीब तैनात है, जबकि अन्य एक नमूना स्थिति में है। एक वाष्पीकरण तापमान के लिए सामग्री गर्मी और साथ ही साथ दोनों QCMs पर दिखाया संबंधित मोटाई लिखो। अनुपात द्वारा टूलींग कारक की गणनादो मानों की। मोटाई गणना के लिए उपयोग 6.16 और 1.23 ग्राम / सेमी -3 PBI 2 और माई, क्रमशः के लिए।
    2. सह-वाष्पीकरण
      1. बढ़ रही है या स्रोतों का तापमान कम एक stoichiometrically सही perovskite फिल्म को प्राप्त करने के द्वारा 2: लगभग 1 के लिए माई PBI 2 की दरों को समायोजित करें।
      2. नमूना के सामने शटर खुला बयान शुरू करने के लिए। बाद में इरादा मोटाई तक पहुँच जाता है, शटर और सूत्रों के ताप की बारी बंद कर दें।
      3. निर्वात चैम्बर के अंदर 70 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे के लिए फिल्मों गर्मी अस्थिर यौगिकों और पूरा फिल्म निर्माण हटाने के लिए।
    3. अनुक्रमिक वाष्पीकरण
      1. वाष्पीकरण (लगभग। 100 डिग्री सेल्सियस) के बिंदु से नीचे फिर से एमएआई स्रोत के तापमान में कमी और वाष्पीकरण शुरू होता है जब तक PBI 2 स्रोत तक गर्मी; शुद्ध PBI 2 की 50 एनएम जमा।
      2. बाद में, PBI 2 शांत हो जाओस्रोत और वैसे ही माई के 50 एनएम लुप्त हो जाना। बड़ा मोटाई के लिए कदम 4.2.3.1 और 4.2.3.2 वैकल्पिक रूप से दोहराएँ।
      3. निर्वात चैम्बर के अंदर 70 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे के लिए फिल्मों गर्मी अस्थिर यौगिकों और पूरा फिल्म निर्माण हटाने के लिए।

5। सौर कोशिकाओं की तैयारी

  1. 20 मिलीग्राम / एमएल की एकाग्रता में स्वीकर्ता फिनाइल-सी 60 -butyric एसिड मिथाइल एस्टर (पीसी 60 बीएम) chlorobenzene में भंग और 50 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर कम से कम एक दिन के लिए हलचल।
  2. perovskite परत (एडिटिव के साथ सह-समाधान की प्रक्रिया) के रूप में पहले से पता चला तैयार (4.1.3 देखें।)।
  3. कमरे के तापमान को एक धातु की थाली पर 30 एस के लिए गर्म perovskite परतों शांत हो जाओ।
  4. सब्सट्रेट पर 150 μL पीसी 60 के बीएम समाधान की जगह
  5. स्पिन कोट पीसी 50 एनएम मोटी परतों में जिसके परिणामस्वरूप perovskite फिल्म के शीर्ष पर 30 एस के लिए 2000 rpm पर 60 बीएम।
  6. पूरी तरह से लेपित substrates की जगहआदेश में एक नमूना धारक और एक छाया मुखौटा के साथ कवर में सक्रिय परतों के शीर्ष पर संपर्क करने के लिए लुप्त हो जाना।
  7. आदेश आईटीओ एनोड के लिए संपर्क स्थापित करने में एक छुरी के साथ संपर्क में से एक स्क्रैच।
  8. कैथोड शीर्ष संपर्क के बयान के लिए एक निर्वात चैम्बर में स्थानांतरण।
  9. के 0.5 ए / एस एक दर, के रूप में एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल की निगरानी द्वारा मापा साथ पी = 3 एक्स 10 -6 मिलीबार की एक अधिकतम दबाव में जमा 10 एनएम एल्यूमीनियम। पहले 10 एनएम के बाद दर तक 100 एनएम की एक परत मोटाई तक पहुँच जाता है 2.5 ए / एस तक बढ़ाया जा सकता है।
  10. बनाम वोल्टेज (जेवी) -0.5 1.5 वी के लिए (कदम = 0.02 वी) का वोल्टेज रेंज के एक सूत्र माप इकाई का उपयोग सौर कोशिकाओं की माप वर्तमान घनत्व प्रदर्शन करना। सुनिश्चित करें कि कोई हिस्टैरिसीस जेवी विशेषताओं में दिखाई दे रहा है, रिवर्स स्कैन दिशा के रूप में अच्छी तरह से मापने के लिए, के रूप में अच्छी तरह से 1.5 -0.5 वी से पूर्वाग्रह व्यापक द्वारा। एक सौर सिम्युलेटर (100 मेगावाट सेमी ²) एक प्रमाणित सिलिकॉन photodiode का उपयोग कर calibrated का प्रयोग करें।

Representative Results

आदेश perovskite फिल्मों के लिए विभिन्न निर्माण विधियों पर एक समग्र दृष्टिकोण प्राप्त करने के लिए, यह संरचनात्मक, इलेक्ट्रॉनिक, और युक्ति लक्षण गठबंधन करने के लिए महत्वपूर्ण है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) आकृति विज्ञान की एक अच्छी छाप देता है। इसलिए, विभिन्न निर्माण विधियों द्वारा उत्पादित सभी फिल्मों की जांच की गई। Perovskite पतली फिल्मों का एक प्रतिनिधि सबसेट चित्रा 1, जो फिल्म आकृति विज्ञान पर तैयारी विधि का महत्वपूर्ण प्रभाव visualizes में दिखाया गया है।

आदर्श रूप में, एक चिकनी और पिन-होल मुक्त फ़िल्म उपकरणों के लिए वांछित है। देखा जा सकता है, इस वाष्प-जमा फिल्मों (च, छ), डुबकी लेपित वाले (डी, ई), और फिल्मों एडिटिव एनएच 4 सीएल और टोल्यूनि वातावरण के साथ सह-समाधान से तैयार के लिए मामला (A1 है एक अलग अनुपात 1.4 को 0.6 की माई PBI 2 के आर के साथ A5) करने के लिए। इसके विपरीत, फिल्मों witho केन्द्र शासित प्रदेशों के एडिटिव (ज), साथ ही डुबकी लेपित (डी, ई) और ड्रॉप-लेपित वाले (बी, सी) बड़े रिक्तियों, संरचनाओं की तरह सुई, या बड़े सतह खुरदरापन दिखाने के लिए और इसलिए डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी नहीं हैं।

आकृति 1
चित्रा 1: विभिन्न प्रसंस्करण विधियों द्वारा तैयार perovskite फिल्मों के SEM छवियों। (A1 - A5) additive और माई (आर), (ख) 40 S लोडिंग समय के साथ ड्रॉप-कोटिंग, (ग) से PBI 2 के विभिन्न अनुपात के साथ टोल्यूनि वातावरण के साथ सह-समाधान ड्रॉप-कोटिंग 120 S लोडिंग समय के साथ, ( घ) डुबकी कोटिंग (10 से लोडिंग समय), (ई) डुबकी कोटिंग (3,600 रों लोडिंग समय), (च) के सह-वाष्पीकरण, (छ) अनुक्रमिक वाष्पीकरण, (ज) एडिटिव के बिना सह समाधान। स्केल सलाखों 1 माइक्रोन की लंबाई संकेत मिलता है।tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

अंत में, चित्रा 1 1.4 को 0.6 से माई PBI 2 के अनुपात आर मिश्रण additive और टोल्यूनि वातावरण के साथ सह-समाधान तैयारी का उपयोग करने में A1-A5 शो विविधताओं। सतह कवरेज और क्रिस्टल आकार शो में बदलाव है कि यहाँ के रूप में अच्छी तरह से अलग फिल्म morphologies दिखाई देते हैं।

हालांकि SEM आकृति विज्ञान और पतली फिल्मों की कवरेज कल्पना करने के लिए और फिल्म खुरदरापन पर एक छाप पाने के लिए एक अच्छा साधन है, लेकिन कोई संरचनात्मक जानकारी दी गई है।

इसलिए, ताकि आगे perovskite फिल्मों को चिह्नित करने के लिए, एक्स-रे विवर्तन (XRD) का इस्तेमाल किया गया था। इस तकनीक में एक घन कश्मीर का उपयोग कर के साथ α एनोड (λ = 1.54056 ए) 10 के बीच 2θ की रेंज में क्रिस्टल चरणों 6; और 40 डिग्री (0.00836 डिग्री के कदम आकार) पर नजर रखी और विशेषता थे। कई प्रकाशनों में XRD perovskite फिल्मों की गुणवत्ता निर्धारित करने के लिए प्रयोग किया जाता है।

चित्रा 2 माई PBI 2 के छह विभिन्न मिश्रण अनुपात में होने नमूनों की एक सबसेट के XRD माप से पता चलता है, और इसलिए चित्रा 1A1-A5 में SEM छवियों से मेल खाती है। इसके अलावा, शुद्ध PBI 2 के स्पेक्ट्रम दिखाया गया है। इस से, perovskite परतों की गुणवत्ता पर अग्रदूत समाधान में stoichiometry के प्रभाव, इस तरह के विभिन्न चरणों की उपस्थिति, PBI 2 और माई के अतिरिक्त चरणों के समावेश अर्थात् के रूप में के रूप में, जांच की है। स्पेक्ट्रा एक चौकोर क्रिस्टल संरचना दिखाने के लिए, और प्रतिबिंब उनके इसी क्रिस्टल विमानों के साथ अनुक्रमित रहे हैं। हैरानी की बात है, माई या PBI 2 के लिए कोई अतिरिक्त चरणों ऑफ stoichiometric फिल्मों में मनाया गया।

NT "> चित्र 2
चित्रा 2: शुद्ध PBI 2 की XRD पैटर्न के रूप में अच्छी तरह से सह-समाधान विधि (एनएच 4 सीएल और टोल्यूनि वातावरण के साथ) द्वारा तैयार perovskite नमूने व्यापारियों (सही पर संख्या के द्वारा दिए गए अनुपात) के विभिन्न दाढ़ अनुपात का उपयोग। तुलनीयता के लिए, घटता 14.11 डिग्री पर पीक करने के लिए सामान्यीकृत और खड़ी स्थानांतरित कर रहे हैं। संदर्भ 16 से अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। कॉपीराइट 2015 विले-VCH। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

XRD फिल्म की संरचना के बारे में जानकारी प्रदान नहीं किया के रूप में, एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) का इस्तेमाल किया जाता है, जो सीधे फिल्म stoichiometry को मापने के लिए सक्षम है। इस माप के लिए एक मिलीग्राम कश्मीर α उत्तेजना स्रोत (hν = 1252.6 eV) 10 eV (ऊर्जा संकल्प = 800 एमईवी) के एक पास ऊर्जा के साथ प्रयोग किया जाता है। रिश्तेदार संवेदनशीलता कारकों (आरएसएफ) प्रत्येक व्यक्तिगत रूप से मापा जाता तत्व के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए। जैसे, यह हमारे माप प्रणाली के लिए RSFs (मिलीग्राम कश्मीर α स्रोत, एक्स-रे स्रोत और विश्लेषक 50.0 डिग्री के बीच कोण) जांच करने के लिए महत्वपूर्ण है। हम Tris- (4-iodphenyl) -amine (सी 18 एच 12 मैं 3 एन) के साथ आयोडीन चोटी जांच करने के लिए छोटे अणुओं के एक नंबर का इस्तेमाल किया, और PBI 2 के माध्यम से पंजाब calibrated। कार्बन एक आरएसएफ (C1S) = 1 के साथ इस तरह के रूप में, एक संदर्भ के रूप में प्रयोग किया जाता है, इसलिए, अलग-अलग तत्वों के लिए आरएसएफ कारक हैं; आरएसएफ (N1s) = 1.8, आरएसएफ (I3d 5/2) = 32.8, और आरएसएफ (Pb4f 7/2) = 16.5।

चित्रा 3 एक वाष्प जमा फिल्म के एक प्रतिनिधि एक्सपीएस स्पेक्ट्रम, ऊपरी उप-आकृति में संकेत विशेषता कोर स्तर चोटियों साथ दिखाता है। कम subfigures I3d 5/2 (619.6 eV), N1s में (402.7 eV), C1s (286.6eV), और Pb4f 7/2 (138.6 eV) चोटियों दिखाए जाते हैं। सभी संकेतों केवल आयोडीन उच्च ऊर्जा बंधन में एक छोटे से सुविधा आम तौर पर मनाया जाता है के मामले में जो हालांकि एक मंथन चोटी है और इसलिए एक वास्तविक अतिरिक्त संबंध राज्य से संबंधित नहीं, एक एकल मिश्रित गाऊसी / Lorentzian चोटी से लगाया जा सकता है। हम संकेत तीव्रता से अधिक एकीकृत करने और उनके संबंधित आरएसएफ 16 से यह सामान्य से सब तैयार perovskite परतों के रिश्तेदार फिल्म रचना निकालने में सक्षम हैं। 1: 1: 1 का मैं: एन: पंजाब फिल्मों में से कुछ में, बड़े विचलन आदर्श फिल्म stoichiometry सी से पाए गए 3; उदाहरण के लिए 0.4 एक घ 1.5 के बीच विभिन्न नाइट्रोजन अनुपात करने के लिए नेतृत्व। यह वाष्प जमा फिल्मों, जहां सह वाष्पीकरण को नियंत्रित करने और पुन: पेश करने के लिए मुश्किल है के लिए विशेष रूप से सच था। समाधान संसाधित नमूने के लिए, दूसरे हाथ पर, वास्तविक और अग्रदूत के मिश्रण अनुपात की अंतिम फिल्म संरचना के साथ बहुत अच्छी तरह से सहमत इरादा के रूप में चुना गयाएक्सपीएस से।

चित्र तीन
चित्रा 3: प्रतिनिधि एक्सपीएस स्पेक्ट्रा। ऊपर एक पूर्ण एक्सपीएस स्कैन से पता चला है, करीब-नीचे एक्सपीएस एकीकृत चोटियों की माप दिखाए जाते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आदेश कैसे फिल्म रचना में इन बदलावों राज्यों के घनत्व प्रभाव की जांच करने के लिए हम यूवी Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (यूपीएस) में बदल गया। यूपीएस मापन का प्रदर्शन करने के लिए, एक हीलियम मुक्ति दीपक (21.22 eV पर उन्होंने कहा कि मैं, नमूना पूर्वाग्रह -8 वी) एक 2 eV पास ऊर्जा के साथ प्रयोग किया जाता है, और एक 110 एमईवी ऊर्जा संकल्प (फर्मी बढ़त चौड़ाई से निर्धारित रूप में)। सभी नमूनों के लिए, एक पूर्ण स्पेक्ट्रम पहले, मापा गया था तो एक उच्च विश्लेषक एपर्चर का उपयोग कर शोर अनुपात करने के लिए संकेत बढ़ाने के लिए, एक विस्तृत के उच्च संकल्प स्कैन वीबी क्षेत्र का प्रदर्शन किया गया था। यूपीएस स्पेक्ट्रा, विशेष रूप से वीबी क्षेत्र स्कैन, उपग्रह अनेक रंगों वह मैं विकिरण से उत्पन्न चोटियों डेटा विश्लेषण के दौरान संख्यानुसार के लिए सही थे।

चित्रा 4, सभी की जांच के नमूने की पूरी डाटासेट के यूपीएस घटता से पता चलता दोनों सह-अनुक्रमिक और वाष्पीकरण (प्रकाश लाल) के साथ ही विभिन्न समाधान प्रसंस्करण (गहरे लाल) तरीकों को कवर। हम केवल तनाव है कि आयनीकरण ऊर्जा (आईई) में महत्वपूर्ण बदलाव, मनाया जाता है चित्रा 4 के बाएं हाथ की साजिश में उच्च बंधन ऊर्जा कटऑफ स्थिति की विविधताओं से उल्लेखनीय चाहते हैं। इन परिवर्तनों के प्रसंस्करण और फिल्म की संरचना में बदलाव के बारे में लाया और 5.67 और 6.4 eV के बीच IE के एक tunability के लिए नेतृत्व कर रहे हैं। एक अधिक विस्तृत चर्चा के लिए, संदर्भ के लिए 16 देखें।

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चित्रा 4: जांच के लिए नमूने के एक प्रतिनिधि सबसेट के यूपीएस स्कैन। बाएं पैनल, उच्च बंधन ऊर्जा कटऑफ (HBEC) और valence बैंड क्षेत्र दिखाने जबकि दाएँ हाथ की ओर वाष्प-जमा (प्रकाश लाल लाइनों) के लिए वीबी शुरुआत के ऊपर बंद उच्च संकल्प पता चलता है और समाधान संसाधित (गहरे लाल लाइनों) perovskite फिल्मों। सभी घटता क्रम में एक्स अक्ष के साथ भर्ती कराया गया है चारों ओर 3 EV पर सुविधा के लिए गठबंधन किया है। संदर्भ 16 से अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। कॉपीराइट 2015 विले-VCH। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

जैसा कि हम हमारे पिछले प्रयोगों है कि फिल्म के क्रिस्टल संरचना में खलल न डालें बिना विभिन्न अग्रदूत मिश्रण अनुपात से तैयार फिल्मों perovskite इलेक्ट्रॉनिक संरचना में बदलाव के लिए नेतृत्व से सीखा है, हम चाहते थेसौर सेल के प्रदर्शन पर अग्रदूत अनुपात के प्रभाव की जांच करने के लिए। इसलिए, इतो / PEDOT: पीएसएस / perovskite / पीसी 60 बीएम / अल सौर कोशिकाओं सह समाधान संसाधित perovskite परतों (additive और टोल्यूनि वातावरण के साथ) का उपयोग कर तैयार करने के लिए 1.2 0.7 से माई PBI 2 के अनुपात का उपयोग। चित्रा 5 सौर सेल विशेषताओं सत्ता परिवर्तन दक्षता पर फिल्म stoichiometry (इरादा अनुपात आर) के प्रभाव (PCE), शॉर्ट सर्किट वर्तमान (जम्मू अनुसूचित जाति), खुले सर्किट वोल्टेज (वी ओसी) और भरने के कारक (एफएफ) से पता चलता है। 9.6% की उच्चतम क्षमता 1.02 का एक उद्देश्य दाढ़ अनुपात, यानी आदर्श perovskite रचना के करीब के लिए पाया जाता है।

चित्रा 5
चित्रा 5: PCE, जम्मू अनुसूचित जाति, वी मैडोना, और एफएफ की विशेषता मूल्यों। इन मूल्यों को सौर सेल उपकरणों indep की माप से निकाले गए थेइरादा मिश्रण अनुपात आर PBI 2 की माई int के endent फिल्म तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया। संदर्भ 16 से अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। कॉपीराइट 2015 विले-VCH। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

हम पता चला प्रसंस्करण की स्थिति फिल्म आकृति विज्ञान और फिल्म कवरेज पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। यही कारण है कि अनुसंधान समूहों की एक बहुत ही perovskite सामग्री के लिए सौर सेल प्रदर्शन और आयनीकरण क्षमता के बारे में अलग-अलग परिणाम प्रकाशित है।

आदेश reproducibility सुनिश्चित करने के लिए, यह महत्वपूर्ण है सभी प्रसंस्करण कदम और लक्षण तरीकों के लिए माहौल निष्क्रिय (या वैक्यूम) के तहत किया जा करने के लिए नमी से गिरावट से बचने के लिए। इसके अलावा पवित्रता और educts के विक्रेता से एक महत्वपूर्ण भूमिका (यहाँ नहीं जांच) खेलते हैं। यह स्पष्ट है कि वैक्यूम जमा perovskite परतों अत्यधिक क्रिस्टलीय फिल्मों की सुविधा; हालांकि, इसकी तुलना में, समाधान संसाधित फिल्मों के लिए एक उच्च throughput के साथ गढ़े जा सकता है।

हमारे अध्ययन, एनएच 4 सीएल अग्रदूत समाधान में एक additive और स्पिन coater कटोरी में एक टोल्यूनि वातावरण के रूप में प्रयोग में सबसे प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य है और चिकनी perovskit प्रदान कीई फिल्मों। दूसरी ओर, डुबकी और ड्रॉप कोटिंग प्रक्रियाओं बल्कि किसी न किसी सतहों के लिए नेतृत्व, और आगे डिवाइस आवेदन के लिए विचार नहीं किया गया। अन्त में, वैक्यूम संसाधित परतों समग्र छोटे क्रिस्टल आकार (~ 100 एनएम), लेकिन पूरी फिल्म और चिकनी सतहों के माध्यम से कवरेज की एक उच्च डिग्री के साथ शामिल है। अग्रदूत अनुपात के साथ अलग नमूना श्रृंखला से हमने सीखा रचना फिल्म निर्माण पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव के रूप में अच्छी तरह से किया है। हालांकि, जब XRD के साथ इन परतों (चित्रा 2) की जांच कर सभी फिल्मों, स्फटिकता के एक उच्च डिग्री है और एक समान चौकोर क्रिस्टल संरचना प्रतिबिंब ने संकेत 14.11 डिग्री और 28.14 डिग्री पर (110) और (220) विमानों का प्रतिनिधित्व शो के कुछ है, जबकि परतों से थोड़ा अधिक अव्यवस्थित लग रहा था, कमजोर (002) की उपस्थिति और (004) प्रतिबिंब द्वारा देखा जा सकता है। हालांकि, XRD विवर्तन चोटी का कोई महत्वपूर्ण विस्तार मनाया जाता है। दिलचस्प, 12.63 डिग्री पर PBI 2 के अलग-अलग चरणों के कोई संकेत नहीं हैं पाया भी शामिल PBI 2 के बड़े अतिरिक्त मात्रा के लिए। यह इंगित करता है कि PBI 2 एक अलग चरण या nanocrystalline द्वीपों लेकिन जैसा पतला समाने है, जो यह XRD द्वारा undetectable बनाता है के रूप में नहीं शामिल किया है। इस प्रकार, XRD का उपयोग सीमित है।

दूसरी ओर, एक्सपीएस पुष्टि की है कि PBI 2 या माई (निर्माण विधि के आधार पर) की अतिरिक्त मात्रा में नाइट्रोजन अनुपात करने के लिए नेतृत्व में बदलाव से स्पष्ट रूप में फिल्म में मौजूद हैं। बदले में ये समाने फिल्म के इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव के रूप में पहले उल्लेख किया है। अब, यूपीएस द्वारा पता चला आयनीकरण ऊर्जा में मतभेद के अवलोकन के साथ एक्सपीएस से निष्कर्ष के संयोजन इन दो संबंध घटनाओं के लिए हमें सक्षम बनाता है। चित्रा 6 संयुक्त साजिश जहां मापा IE मूल्य इसी फिल्म के फिल्म रचना (नाइट्रोजन अनुपात करने के लिए सीसा) के एक समारोह के रूप में साजिश रची है दिखाता है।

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चित्रा 6: निकाले पूरा डेटा 40 perovskite फाई एलएमएस के सेट के लिए माप अंक। नाइट्रोजन सामग्री (के रूप में एक्सपीएस द्वारा निर्धारित) के लिए नेतृत्व की मौलिक अनुपात आर EXP पर आयनीकरण ऊर्जा की निर्भरता; ठोस लाइन डेटा के लिए एक रेखीय फाई टी है और धराशायी लाइनों ± 0.12 eV के मानक विचलन के निशान। तल में, फाई टी के बच दिखाए जाते हैं। संदर्भ 16 से अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। कॉपीराइट 2015 विले-VCH। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

हम इन दो मूल्यों के बीच एक स्पष्ट रैखिक संबंध हैं। हमारे परिणाम है, इसलिए, संकेत मिलता है कि अधिक में माई के साथ एक perovskite फिल्म दर्शाती एक कम आईई, जबकि एक PBI 2 अमीर परत को बढ़ाता है आईई। हम 6.05 ± 0.10 eV की एक IE खोजनाआर ऍक्स्प = 1, जो 5.4 eV की अक्सर प्रकाशित IE की तुलना में काफी बड़ा है का इष्टतम दाढ़ अनुपात के लिए। इस विसंगति के रूप में हम अलग ढंग से तैयार perovskite फिल्मों की एक किस्म के लिए इस मूल्य मिल जाए, प्रसंस्करण की स्थिति के कारण होने की संभावना नहीं है। बल्कि यह डेटा मूल्यांकन जहां यहां इस्तेमाल राज्यों ढलान के रैखिक घनत्व अधिक पढ़ा गया मूल्यों में यह परिणाम में मतभेद के कारण है। इस मुद्दे का एक व्यापक चर्चा संदर्भ 17 में पाया जा सकता है। ऐसा नहीं है कि हम इन फिल्मों के ऑप्टिकल bandgap में कोई परिवर्तन नहीं (ई जी = 1.60 ± 0.02 eV, डेटा नहीं दिखाया गया है) मिल जाए, जिसका मतलब है कि यह अलग-अलग अनुपात के साथ IE के लिए न केवल एक बदलाव है, लेकिन सक्रियण ऊर्जा है नोट करना महत्वपूर्ण है (ईए) एक साथ पाली।

अधिकतम सौर सेल दक्षता एक दाढ़ अनुपात 1.02 से (PBI 2 माई) 9.6% की सत्ता परिवर्तन दक्षता के साथ जो साहित्य 14 कि थोड़ा से निष्कर्ष की पुष्टि R के लिए मिला थाPBI 2 अमीर फिल्मों अनाज की सीमाओं पर perovskite फिल्म के passivation द्वारा एक बेहतर वाहक व्यवहार PBI 2 से शामिल है। बढ़ती PBI 2 सामग्री के साथ 200 एमईवी द्वारा खुले सर्किट वोल्टेज में कमी पाई जा सकती है। चूंकि perovskite सामग्री के bandgap में कोई परिवर्तन नहीं होता, वी आयोजन समिति की कमी फोटोवोल्टिक अंतराल के एक समवर्ती कमी से बल्कि अपर्याप्त छेद अवरुद्ध करके perovskite और PCBM के इंटरफेस में नहीं समझाया जा सकता है (यानी PCBM = 6.2 eV) की वजह से perovskite IE में वृद्धि हुई है। इसके साथ ही 0.8 से 0.7 के लिए आर> 1.05 घटने के लिए एफएफ इन निष्कर्षों जो समर्थन करता है।

अंत में, हम perovskite तैयारी के तरीकों की एक किस्म के द्वारा बनाई गई फिल्मों की एक व्यापक अध्ययन प्रस्तुत किया है और पाया है कि मजबूत रूपों फिल्म निर्माण, इलेक्ट्रॉनिक संरचना और डिवाइस के प्रदर्शन में होते हैं। विशेष रूप से ब्याज की माई ओ की जानबूझकर समावेश से perovskite आईई को समायोजित करने की संभावना हैआर PBI 2 समाने जो उपन्यास डिवाइस आर्किटेक्चर में इंटरफ़ेस अनुकूलन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। भविष्य के अध्ययन के लिए और अधिक उन्नत तैयार करने की तकनीक है कि बड़ा डिवाइस क्षेत्रों की ओर उद्देश्य पर दिखेगा। ये डॉक्टर blading, स्प्रे तकनीक, और बड़े पैमाने पर मुद्रण है कि वर्तमान में COPT.centre (कॉप्ट = जैविक उत्पादन प्रौद्योगिकियों के लिए केंद्र) पर हमारे सुविधा में स्थापित कर रहे हैं जैसे तरीके शामिल हैं।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखकों परियोजना पेरो को बढ़ावा देने के (EFRE, परियोजना कोड NW-1-1-040a) के माध्यम से नॉर्थ राइन वेस्टफेलिया के राज्य द्वारा वित्तीय सहायता को स्वीकार करना होगा। धन्यवाद निर्माण और 2-कदम समाधान के लक्षण वर्णन के साथ सहायता के लिए अजार Jahanbakhsh और इनेस श्मिट (कोलोन के दोनों विश्वविद्यालय) के लिए जाना संसाधित perovskite परतों, डॉ जुरगेन Schelter एमएआई सामग्री के संश्लेषण के लिए (कोलोन विश्वविद्यालय) के साथ ही प्रोफेसर डा। Riedl और Neda Pourdavoud (वुपर्टल दोनों विश्वविद्यालय) XRD मापन के लिए।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 99.995%
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

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References

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रसायन विज्ञान अंक 120 perovskite निर्माण विधि Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी एक्स-रे विवर्तन सौर सेल
फिल्म निर्माण पर संकर perovskite निर्माण विधियों, इलेक्ट्रॉनिक संरचना, और सौर सेल प्रदर्शन का प्रभाव
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Schnier, T., Emara, J., Olthof, S.,… More

Schnier, T., Emara, J., Olthof, S., Meerholz, K. Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance. J. Vis. Exp. (120), e55084, doi:10.3791/55084 (2017).

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