تأثير الهجين طرق Perovskite التصنيع على تشكيل السينمائي، التركيب الإلكتروني، وأداء الخلايا الشمسية
Summary
نقدم دراسة موسعة عن آثار طرق تصنيع مختلفة ل/ غير العضوية الأغشية الرقيقة perovskite العضوية بمقارنة هياكل الكريستال، كثافة الحالات، ومستويات الطاقة، وأداء الخلايا الشمسية في نهاية المطاف.
Abstract
تم الهجينة العضوية perovskites هاليد / غير العضوية في الآونة الأخيرة موضوعا للاهتمام كبير في مجال تطبيقات الخلايا الشمسية، مع القدرة على تحقيق الكفاءة جهاز تتجاوز تقنيات جهاز رقيقة أخرى. ومع ذلك، ويتم الإبلاغ عن تغيرات كبيرة في كفاءة الجهاز والخصائص الفيزيائية الأساسية. ويرجع ذلك إلى اختلافات غير مقصودة أثناء معالجة الفيلم، الذي لم يتم التحقيق فيها بشكل كاف حتى الآن هذا. لذا، أجرينا دراسة موسعة من التشكل والتركيب الإلكتروني من عدد كبير من CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite حيث تبين لنا كيف أن طريقة التحضير فضلا عن نسبة خلط من يوديد educts methylammonium والرصاص (II) خصائص تأثير يوديد مثل تشكيل الفيلم، التركيب البلوري، كثافة الحالات، ومستويات الطاقة، وأداء الخلايا الشمسية في نهاية المطاف.
Introduction
وقد اجتذبت التقنيات فيلم الضوئية رقيقة اهتماما كبيرا في البحث عن تطبيقات الخلايا الشمسية نظرا لاستهلاك المواد منخفضة، وتطبيق على ركائز مرنة. أبرزها، وقد أثبتت المواد perovskite العضوية / غير العضوية هاليد أن تكون طبقات نشطة قابلة للحياة في أجهزة الخلايا الشمسية، مما يؤدي إلى كفاءة عالية. Perovskites تتميز خصائص مفيدة مثل ارتفاع معامل الامتصاص 1، تهمة عالية الناقل التنقل 2، وانخفاض الأكسيتون الطاقة 3 ملزمة. طبقات Perovskite يمكن أن تنتج عن طريق حل مختلف أو مرحلة على أساس أساليب تصنيع البخار باستخدام منخفضة مواد السلائف تكلفة مثل الرصاص (II) يوديد (PBI 2) ويوديد methylammonium (MAI). بهذه الطريقة يسمح لإعداد سهل من الأفلام التبلور عالية باستخدام درجات حرارة تصنيع منخفضة مقارنة مع خلايا السليكون الشمسية المتوفرة تجاريا.
فقد كان SHOسفل أن العديد من المعلمات لديها تأثير قوي على أداء الخلايا الشمسية perovskite، وأبرزها التشكل الفيلم، كما أنه يؤثر على طول الانتشار الأكسيتون والتنقل تهمة الناقل. نيه وآخرون. أظهر ذلك عن طريق تحسين التشكل من الأفلام perovskite، بخصوص التغطية ومتوسط حجم الكريستال، والطاقة الشمسية زيادة أداء الخلية 4، 5. وقد تبين مورفولوجية أن تتأثر (ط) اختيار مادة أولية (مثل استخدام خلات الرصاص 6)، (ب) المضافة الجزيئية (مثل NH 4 الكلورين) 7، (ج) اختيار المذيب، (د) الحرارية الصلب في جو من المذيبات (مثل التولوين أو الكلوروبنزن 8)، وعلى وجه الخصوص (ت) اختيار طريقة تحضير 9. العمليات القائمة على حل مثل خطوة واحدة أو خطوتين نتيجة تدور طلاء في الخلايا الشمسية مع الكفاءات تتجاوز 17٪ 4 </ سوب>، 10، 11، 12 بينما الخلايا الشمسية perovskite المودعة فراغ ينتج كفاءات 15.4٪ 13.
وقد تبين أن زيادة PBI 2 في طبقات perovskite هو مفيد لأداء الخلايا الشمسية بسبب وجود رصيد الناقل محسن من قبل التخميل من الفيلم perovskite من PBI 2 في حدود الحبوب 14. ومع ذلك، فقد تم القيام به القليل من العمل لفهم دور آثار العناصر المتفاعلة على مواد بلاستيكية perovskite.
في هذه الورقة نقدم دراسة موسعة على مجموعة واسعة من الأفلام perovskite أعدت بشكل مختلف، وإظهار كيف أن أساليب إعداد والنفوذ السلائف رياضيات الكيمياء التشكل، التبلور، كثافة الحالات، تكوين الفيلم، وأداء الخلايا الشمسية. ويقدم لمحة شاملة، بدءا من تلفيق لتصوير characteriاإلثيوبية كل وسيلة لأداء الجهاز.
Protocol
Representative Results
Discussion
أظهرنا أن ظروف التصنيع لديها تأثير كبير على التشكل فيلم وتغطية الفيلم. هذا هو السبب الذي يجعل الكثير من المجموعات البحثية نشر نتائج مختلفة بخصوص أداء الخلايا الشمسية وجهد التأين لنفس المواد perovskite.
من أجل ضمان إعادة الإنتاج، من الأهمية بمكان لجميع خطوات المعالجة وأساليب توصيف التي يتعين القيام بها في ظل جو خامل (أو الفراغ) لتجنب تدهور بفعل الرطوبة. أيضا النقاء وبمورد educts تلعب دورا هاما (لم يتم التحقيق في هذه الوثيقة). ومن الواضح أن الفراغ أودعت طبقات perovskite ميزة الأفلام البلورية للغاية. ومع ذلك، في المقارنة، حل معالجتها الأفلام يمكن أن تكون ملفقة مع إنتاجية أعلى.
في دراستنا، وذلك باستخدام NH 4 الكلور كمادة مضافة في حل السلائف وأجواء التولوين في وعاء تدور المغطي قدمت perovskit أكثر استنساخه وسلسالأفلام ه. من ناحية أخرى، تراجع وانخفاض عمليات الطلاء تؤدي إلى السطوح الخشنة نوعا ما، ولا تعتبر كذلك إلى تطبيق الجهاز. وأخيرا، فإن طبقات فراغ معالجتها ميزة أصغر حجما بشكل عام وضوح الشمس (~ 100 نانومتر)، ولكن مع وجود درجة عالية من التغطية من خلال الفيلم كله والأسطح سلاسة. من سلسلة عينة مع اختلاف نسبة السلائف، علمنا أن تكوين له تأثير كبير على تشكيل الفيلم أيضا. ومع ذلك، عند التحقيق في هذه الطبقات مع حيود الأشعة السينية (الشكل 2) تظهر كل الأفلام على درجة عالية من التبلور والتركيب البلوري رباعي الزوايا مماثل أشار انعكاسات على 14.11 ° و 28.14 ° يمثلون (110) و (220) طائرات، في حين أن بعض يبدو طبقات قليلا أكثر المختلين، وهو ما يمكن ملاحظته من قبل ظهور ضعيف (002) و (004) التأملات. ومع ذلك، يتم احترام أي التوسع الكبير في ذروة حيود الأشعة السينية الحيود. يثير الاهتمام والفضول، أي علامة على مراحل منفصلة من PBI 2 في 12.63 ° هم وجدت، حتى بالنسبة للكميات الزائدة أكبر من دمج PBI 2. هذا يدل على أن PBI 2 أدرج ليس كمرحلة منفصلة أو الجزر nanocrystalline لكن البينية كما المخففة، مما يجعله غير قابل للكشف من قبل حيود الأشعة السينية. وهكذا، واستخدام حيود الأشعة السينية محدودة.
من ناحية أخرى، يؤكد XPS أن كميات إضافية من PBI 2 أو MAI (اعتمادا على أسلوب تلفيق) موجودة في الفيلم وهو ما يتضح من الاختلافات في الصدارة إلى نسبة النيتروجين. هذه البينية بدورها لها تأثير كبير على التركيب الإلكتروني للفيلم كما ذكر من قبل. الآن، والجمع بين النتائج من XPS مع ملاحظة الاختلافات في طاقات التأين التي كشفت عنها شركة يو بي إس تمكننا من ربط هاتين الظاهرتين. ويبين الشكل 6 مؤامرة جنبا إلى جنب حيث يتم رسم القيمة IE مدروسة بوصفها وظيفة من تكوين فيلم (الرصاص إلى نسبة النيتروجين) من فيلم المقابلة.
الرقم 6 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
الشكل 6: المستخرجة نقاط القياس للبيانات كاملة مجموعة من 40 LMS فاي perovskite. الاعتماد على طاقة التأين على عنصري نسبة R إكسب من الرصاص لمحتوى النيتروجين (على النحو الذي يحدده XPS)؛ خط الصلبة هو فاي ر الخطي على البيانات والخطوط المتقطعة علامة الانحراف المعياري ± 0.12 فولت. في الجزء السفلي، وترد مخلفات ر فاي. أعيد طبعها بإذن من المرجع 16. حقوق التأليف والنشر 2015 ايلي VCH. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
نجد ارتباط خطي واضح بين هاتين القيمتين. نتائجنا، وبالتالي، تشير إلى أن فيلم perovskite مع MAI تتجاوز يسلك IE أقل، في حين أن PBI 2 طبقة الغنية يزيد من IE. نجد IE من 6.05 ± 0.10 فولتللحصول على نسبة المولي المثلى للR إكسب = 1، التي هي أكبر بكثير من IE في كثير من الأحيان نشرت من 5.4 فولت. هذا التناقض ليس من المحتمل أن يكون نتيجة لظروف التصنيع، حيث نجد هذه القيمة لمجموعة متنوعة من الأفلام perovskite أعدت بشكل مختلف. بل هو بسبب الاختلافات في تقييم البيانات حيث الكثافة الخطية من الدول المنحدر المستخدمة هنا نتائج في القيم قراءات أعلى. مناقشة مستفيضة لهذه القضية يمكن العثور في اشارة 17. من المهم أن نلاحظ أن نجد أي تغيير في فجوة الحزمة الضوئية من هذه الأفلام (E ز = 1.60 ± 0.02 فولت، لا تظهر البيانات)، وهو ما يعني أنه ليس فقط تحول من IE مع نسبة متفاوتة، ولكن طاقة التنشيط (EA) التحولات في وقت واحد.
تم العثور على أقصى كفاءة الخلايا الشمسية لنسبة R المولي 1.02 (PBI 2 إلى MAI) مع كفاءة تحويل الطاقة من 9.6٪ مما يؤكد النتائج من الأدب 14 أن قليلاميزة PBI 2 أفلام الغنية سلوك الناقل محسن من قبل التخميل من الفيلم perovskite من PBI 2 في حدود الحبوب. ويمكن الاطلاع على انخفاض في الدائرة المفتوحة الجهد بنسبة 200 إلكترون فولت مع زيادة محتوى PBI 2. لأنه لا تغيير في فجوة الحزمة من المواد perovskite يحدث، وانخفاض الخامس OC لا يمكن تفسيره من خلال انخفاض المتزامنة الفجوة الضوئية وإنما غير كاف حجب ثقب في واجهة perovskite وPCBM (IE PCBM = 6.2 فولت) وذلك بسبب الزيادة في perovskite IE. في وقت واحد FF لR> 1.05 انخفاض 0،8-0،7 التي تدعم هذه النتائج.
في الختام، قدمنا دراسة موسعة للأفلام perovskite التي أدلى بها مجموعة متنوعة من أساليب إعداد ووجدت أن تحدث تغيرات قوية في تشكيل الفيلم، التركيب الإلكتروني وأداء الجهاز. أهمية خاصة هو إمكانية ضبط IE من perovskite من قبل التأسيس المتعمد للMAI سص PBI 2 البينية والتي يمكن استخدامها لتحسين واجهة في أبنية جهاز الرواية. والدراسات المستقبلية تبدو في أكثر تقنيات إعداد المتقدمة التي تهدف نحو مجالات جهاز أكبر. وتشمل هذه الأساليب مثل blading الطبيب، وتقنيات الرش، والطباعة واسعة النطاق التي يتم تثبيتها حاليا في منشأتنا في COPT.centre (قبطي = مركز للتكنولوجيات الإنتاج العضوي).
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أن نعترف الدعم المالي من قبل ولاية شمال الراين وستفاليا من خلال مشروع PERO-بوشت (EFRE، رمز المشروع NW-1-1-040a). الشكر موصول الى عازار جهانبخش وإيناس شميت (كلا جامعة كولونيا) للحصول على المساعدة مع تصنيع وتوصيف الحل 2-خطوة طبقات perovskite معالجتها، الدكتور يورغن Schelter (جامعة كولونيا) لتركيب المواد MAI وكذلك البروفيسور الدكتور ريدل وندا Pourdavoud (كلا جامعة فوبرتال) لقياسات حيود الأشعة السينية.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8, 506-514 (2014).
- Stoumpos, C. C., Malliakas, C. D., Kanatzidis, M. G. Semiconducting Tin and Lead Iodide Perovskites with Organic Cations: Phase Transitions, High Mobilities, and Near-Infrared Photoluminescent Properties. Inorg. Chem. 52, 9019-9038 (2013).
- Saba, M., et al. Correlated electron-hole plasma in organometal perovskites. Nat. commun. 5, 5049 (2014).
- Nie, W., et al. High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains. Science. 347, 522-525 (2015).
- Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 24, 151-157 (2014).
- Li, C., et al. Efficient lead acetate sourced planar heterojunction perovskite solar cells with enhanced substrate coverage via one-step spin-coating. Org. Electron. 33, 194-200 (2016).
- Zuo, C., Ding, L. An 80.11% FF record achieved for perovskite solar cells by using the NH4Cl additive. Nanoscale. 6, 9935-9938 (2014).
- EL-Henawey, M. I., Gebhardt, R., El-Tonsy, M. M., Chaudhary, S. Organic solvent vapor treatment of the lead iodide layer in the two-step sequential deposition of CH3NH3PbI3-based perovskite solar cells. J. Mater. Chem. A. , (2015).
- Yang, L., Barrows, A. T., Lidzey, D. G., Wang, T. Recent progress and challenges of organometal halide perovskite solar cells. Reports Prog. Phys. 79. 79, 026501 (2016).
- Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. , (2015).
- Im, S. H., Heo, J. -. H., Han, H. J., Kim, D., Ahn, T. 18.1 % hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2015).
- Kim, B. -. S., Choi, M. -. H., Choi, M. -. S., Kim, J. -. J. Composition-controlled organometal halide perovskite via CH 3 NH 3 I pressure in vacuum co-deposition process. J. Mater. Chem. A. 4, 5663-5668 (2016).
- Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
- Chen, Q., Zhou, H. P., et al. Controllable Self-Induced Passivation of Hybrid Lead Iodide Perovskites toward High Performance Solar Cells. Nano Lett. 14, 4158-4163 (2014).
- Yamamoto, K., et al. Degradation mechanism for planar heterojunction perovskite solar cells. Jpn. J. Appl. Phys. 07, (2016).
- Emara, J., et al. Impact of Film Stoichiometry on the Ionization Energy and Electronic Structure of CH3NH3PbI3 Perovskites. Adv. Mater. 28, 553-559 (2016).
- Olthof, S. The electronic structure of hybrid perovskite layers and their energetic alignment in devices. APL Mater. 4, 091502 (2016).
