JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Chimica

Indflydelse af Hybrid perovskit Fabrication Metoder på film Formation, Elektronisk Struktur og Solar Cell ydeevne

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

Summary

Vi præsenterer en omfattende undersøgelse af virkningerne af forskellige fremstillingsmetoder for økologiske / uorganiske perovskit tynde film ved at sammenligne krystalstrukturer, tæthed af stater, energi niveauer, og i sidste ende den solcelle ydeevne.

Abstract

Hybrid organiske / uorganiske halogenid perovskitter har sidst været et emne af stor interesse inden for solcelle applikationer, med potentiale til at opnå enhedens effektivitet overstiger andre tynde film enhed teknologier. Alligevel er store variationer i enhedens effektivitet og grundlæggende fysiske egenskaber rapporteret. Dette skyldes utilsigtede variationer under film behandling, som ikke er blevet tilstrækkeligt undersøgt hidtil. Vi har udført derfor en omfattende undersøgelse af morfologien og elektroniske struktur af et stort antal CH3 NH3 PBI 3 perovskit hvor vi viser hvordan fremstillingsmetoden samt blandingsforholdet mellem edukterne methylammonium iodid og bly (II) iodid slagstyrkeegenskaber som filmdannelse, krystalstruktur, tæthed af stater, energi niveauer, og i sidste ende solcellens ydelse.

Introduction

Tynde film fotovoltaiske teknologier har tiltrukket en betydelig opmærksomhed i forskningen af ​​solcelle applikationer på grund af deres lave materialeforbrug og anvendelighed på fleksible substrater. Mest bemærkelsesværdigt er organisk / uorganisk halogenid perovskit materialer vist sig at være levedygtige aktive lag i solcelle-enheder, der fører til høje virkningsgrader. Perovskitter har fordelagtige egenskaber såsom høj absorptionskoefficient 1, høj ladningsbærer mobilitet 2, og lav exciton bindingsenergi 3. Perovskit lag kan fremstilles ved forskellige opløsning eller dampfase baseret fabrikation metoder under anvendelse billige precursormaterialer som bly (II) iodid (PBI 2) og methylammonium iodid (MAI). Denne måde muliggør en let fremstilling af høj krystallinitet film under anvendelse lave fabrikation temperaturer sammenlignet med de kommercielt tilgængelige silicium solceller.

Det har været shown at flere parametre har en stærk indflydelse på udførelsen af ​​perovskit solceller, især film morfologi, da det påvirker exciton diffusion længde og ladningsbærere mobilitet. Nie et al. viste, at ved at forbedre morfologi perovskit film, med hensyn til dækning og gennemsnitlige krystal størrelse, solcelle ydeevne stiger 4, 5. Morfologien har vist sig at være påvirket af (i) valg af forstadiemateriale (fx anvendelse af blyacetat 6), (ii) molekylære additiver (ligesom NH4CI) 7, (iii) valg af opløsningsmiddel, (iv) termisk annealing under opløsningsmiddel atmosfære (som toluen eller chlorbenzen 8), og især (v) valget af fremstillingsfremgangsmåden 9. Løsning-baserede processer som et-trins eller to-trins spin-coating resultat i solceller med virkningsgrader på over 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12, mens vakuum-deponeret perovskit solceller giver virkningsgrader på 15,4% 13.

Det er blevet vist, at overskydende PBI 2 i perovskit lag er fordelagtigt for solcelle ydeevne på grund af en forbedret bærer balance ved passivering af perovskit film af PBI 2 ved korngrænserne 14. Imidlertid har lidt arbejde er blevet gjort for at forstå betydningen af ​​virkningerne af støkiometrien på perovskit filmmaterialer.

I denne afhandling præsenterer vi en omfattende undersøgelse af en bred vifte af forskelligt forberedt perovskit film og vise, hvordan tilberedningsmetoder og forløber støkiometri indflydelse morfologi, krystallinitet, tæthed af stater, film sammensætning, og solcelle ydeevne. En holistisk overblik præsenteres, lige fra fabrikation til film træk enning hele vejen til enhedens ydeevne.

Protocol

1. ITO Substrater BEMÆRK: For en forbedret prøve kontakt og for at undgå kortslutning af enheder, de ITO belagt glas substrater skal mønstrede hjælp litografi og ætsning. Overlapningen af ​​øverste og nederste elektrode definerer det aktive område af de fremstillede solceller. Skær indiumtinoxid (ITO) belagt glasplade med et glas cutter, hvilket gav 2,5 cm med 2,5 cm substrater. Lim en cirkelformet etiket (diameter = 1,6 cm) i centrum af en ITO dækket substrat. Etch ITO ved at placere substraterne i en saltsyre 1 M FeCl3 opløsning ved 60 ° C i 10 min. Rengør substrater sekventielt med chloroform, acetone og sæbe opløsning (2%) i et ultralydsbad. Skyl en gang mere med destilleret vand og tør under N2-strøm. 2. ozonisering af ITO Substrater BEMÆRK: For at fjerne organiske urenheder, than ITO substrater skal ozoniseres. Dette aktiverer oxidisk overflade og øger befugtningsegenskaber af substratet, som er afgørende for reproducerbare aflejring af de efterfølgende lag. Mount ITO substrater på en prøve holder og læg den i en ozonisering kammer. Oplys i 10 min under (atmosfærisk) ilt med en ultraviolet lampe (20 W), der genererer ozon. 3. Deponering af PEDOT: PSS Hole-opsamling Kontakt BEMÆRK: En film af poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) afsættes ved spin-coating fra en vandig suspension under omgivende forhold (25 til 40% relativ luftfugtighed). Dette lag anvendes som et hul indsamling kontakt og har en høj arbejdsfunktion, reducerer småhuller, og fører til forøget reproducerbarhed af anordninger. Placer 150 pi af PEDOT: PSS i vand suspension (1,5%) med en sprøjte på substratet efter filtrering throUH et 0,45 um filter. Spin coat anvendelse af en rotationshastighed på 2.500 rpm i 25 s direkte efterfulgt af 4.000 rpm i 5 s med en acceleration på 4,000 rpm / s hver. Denne fremgangsmåde fører til 40 til 45 nm tykt PEDOT: PSS film. Fjerne resterende vand fra filmen ved termisk annealing af substrater på en varmeplade ved 150 ° C i 10 minutter i luft. 4. Deponering af perovskit Lag Forsigtig: Lead iodid (PBI 2) er stærkt giftige for mennesker. Selv små mængder er ekstremt farlige for nervøs, bloddannende, nyre- og lever-systemer. Håndtag føre opløsninger med omhu. BEMÆRK: perovskit film undersøgte hele dette papir fremstilles ved fem forskellige metoder under anvendelse af PBI 2 og CH3 NH3 I (MAI) som precursormaterialer. For at undgå nedbrydning 15, fremstilling af filmene og anordninger og deres karakterisering til be udføres under inert atmosfære, fx i en N2-fyldt handskekasse (opløsning forarbejdning) eller under vakuum (dampaflejring). Løsning behandling Sekventiel deposition Placer substrat i spin coater og slip 150 pi PBI 2 opløst i N, N-dimethylformamid, DMF (400 mg / ml) med en pipette på substratet. Spin lag umiddelbart ved 3000 rpm i 30 s. Dip PBI 2 film i MAI opløst i isopropanol (10 mg / ml) i 40 s eller drop MAI løsning på den tørrede PBI 2 film og forlade der i 40 s. Spin resterende MAI opløsning ved 3000 rpm i 30 s off substratet pels. Varme i 15 minutter ved 100 ° C ved at anbringe substratet på en varmeplade. Co-løsning: Opløs både PBI 2 og MAI i det ønskede forhold (ideelt 1: 1 molforhold) i DMF til dannelse af en precursor-opløsning med en koncentration på 250 mg/ ML. Omrør precursor-opløsning ved 50 ° C i mindst 5 timer. Forvarmes substrater dækket med PEDOT: PSS ved 50 ° C i 5 minutter på en varmeplade. For at garantere en forøget reproducerbarhed i hele én enhed serie, oprette en toluen atmosfæren ved at dryppe en lille mængde af opløsningsmidlet (200 pi) inde spin coater skålen, mens spincoating perovskit lag. Placer 150 pi precursor-opløsning (fra 4.1.2.1) på substratet. Spin coat perovskit lag ved 3000 rpm i 30 s fra denne precursor opløsning. Spin coat et lag af perovskit materiale pr substrat. Opvarm den resulterende perovskit lag til 30 s ved 110 ° C på en varmeplade. Molekylær Additiv: Co-opløs NH4Cl (18-20 mg / ml) i spin-coating-opløsning (som beskrevet i 4.1.2.1) for at sikre en bedre filmdannelse. Fortsæt som før. BEMÆRK: Dette er et alternativ til tilsætning af co-solution fra 4.1.2. vacuum deposition generel procedure Læg de rensede substrater i vakuum systemet og evakuere. Efter et tryk på 10 -7 mbar er nået, overføre prøver til fordampning kammeret og skjold det ud fra inddampninger kilder med en lukker. Varm de to kilder, der indeholder precursormaterialer til ca. 330 ° C i PBI 2 og 140 ° C i MAI. Vær opmærksom på at trykket i kammeret vil stige til ca. 10 -4 mbar på grund af den flygtige natur af MAI. Kalibrer fordampningen for de to materialer ved anvendelse af en kvartskrystal monitor (QCM) placeret tæt på kilden, mens den anden er i prøven position. Varm materiale til en fordampningstemperatur og samtidig nedskrive de respektive tykkelser vist på begge QCMs. Beregn værktøjet faktor ved forholdetaf de to værdier. Til beregning af tykkelsen bruge 6,16 og 1,23 g / cm -3 for PBI 2 og MAI hhv. Co-inddampning Juster satserne for PBI 2 til MAI til ca. 1: 2 ved forøgelse eller formindskelse af temperaturen af kilderne for at opnå en støkiometrisk korrekt perovskit film. Åbne lukkeren foran prøven for at starte deposition. Efter den påtænkte tykkelse er nået, lukkes lukkeren og drejning af opvarmningen af ​​kilderne. Varm filmene i 1 time ved 70 ° C i vakuumkammeret for at fjerne flygtige forbindelser og fulde filmdannelse. Sekventiel fordampning Sænk temperaturen til MAI kilden igen under punktet af fordampning (ca. 100 ° C.) Og opvarmning af PBI 2 kilde indtil fordampningen begynder; deponere 50 nm ren PBI 2. Bagefter afkøle PBI 2kilde og fordampe 50 nm af MAI samme. For større tykkelser gentage trin 4.2.3.1 og 4.2.3.2 alternativt. Varm filmene i 1 time ved 70 ° C i vakuumkammeret for at fjerne flygtige forbindelser og fulde filmdannelse. Fem. Udarbejdelse af solceller Opløs acceptor phenyl-C 60 -smørsyremethylester (PC 60 BM) i chlorbenzen ved en koncentration på 20 mg / ml og omrør i mindst en dag på en varmeplade ved 50 ° C. Forbered perovskit lag (co-løsning proces med additiv) som vist før (se 4.1.3.). Køl ned de opvarmede perovskit lag til 30 s på en metalplade til stuetemperatur. Placer 150 pi PC 60 BM opløsning på substratet Spin coat PC 60 BM ved 2.000 rpm i 30 s oven på perovskit folie resulterer i 50 nm tykt lag. Placer fuldt belagte substrateri en prøveholder og dække med en skygge maske for at fordampe kontakter på toppen af ​​de aktive lag. Skrab en af ​​kontakterne med en skalpel for at etablere kontakt til ITO anode. Overføres til et vakuumkammer til udfældning af katoden øverste kontakt. Depositum 10 nm aluminium ved et maksimalt tryk på p = 3 x 10 -6 mbar med en hastighed på 0,5 A / S, som målt ved et kvarts krystal skærm. Efter de første 10 nm den kan øges op til 2,5 Å / s, indtil en lagtykkelse på 100 nm er nået. Udfør strømtæthed versus spænding (JV) målinger af solcellerne ved hjælp af en kilde måleenhed i spændingen intervallet -0,5 til 1,5 V (trin = 0,02 V). For at sikre, at ingen hysterese bliver vist i JV egenskaber, måle den modsatte scan retning så godt, ved at feje den skævhed fra 1,5 til -0,5 V så godt. Brug en solsimulator (100 mW cm) kalibreret under anvendelse af en certificeret silicium fotodiode. </ol>

Representative Results

For at opnå et holistisk syn på de forskellige fremstillingsmetoder til perovskit film, er det vigtigt at kombinere strukturelle, elektroniske, og enheden karakterisering. Scanning elektronmikroskopi (SEM) giver et godt indtryk af morfologi. Derfor blev alle film produceret af de forskellige fabrikationsmetoder undersøgt. En repræsentativ delmængde af perovskit tynde film er vist i figur 1, der visualiserer den betydelige indflydelse af fremstillingsmetoden på filmen morfologi. Ideelt set er en glat og pin-hole gratis film ønskes til enheder. Som det kan ses, er dette tilfældet for de dampafsat film (f, g), dip overtrukket dem (D, E), og de film fremstillet fra co-opløsning med additivet NH4Cl og toluen atmosfære (a1 til a5) med en varierende forholdet R af PBI 2 til MAI fra 0,6 til 1.4. Derimod filmene witho ut additiv (h), samt dip-coated (d, e) og drop-belagte dem (b, c) viser store hulrum, nål lignende strukturer, eller stor overfladeruhed og er derfor ikke anvendelig til programmer på enheden. Figur 1: SEM billeder af perovskit film udarbejdet af de forskellige forarbejdningsmetoder. (A1 – a5) Co-løsning med additiv og toluen atmosfære med forskellige forhold mellem PBI 2 til MAI (R), (b) drop-belægning med 40 s loading tid, (c) drop-belægning med 120 s loading tid, ( d) dip coating (10 s indlæsningstiden), (e) dip coating (3,600 s indlæsningstiden), (f) co-inddampning, (g) sekventiel fordampning, (h) co-opløsning uden additiv. Skalaen søjler indikerer en længde på 1 um.tp_upload / 55.084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal. Endelig Figur 1 a1-a5 viser variationer i blandingsforhold R af PBI 2 til MAI 0,6-1,4 ved hjælp af co-løsningen forberedelse med additiv og toluen atmosfære. Variationerne i overfladen dækning og krystal størrelse viser, at her samt forskellige film morfologier vises. Selvom SEM er et godt redskab til at visualisere morfologi og dækning af tynde film og for at få et indtryk på film ruhed, er dog ingen strukturel information gives. Derfor, for yderligere at karakterisere perovskit film blev røntgendiffraktion (XRD) anvendes. Med denne teknik under anvendelse af en Cu K α anode (λ = 1,54056 Å) krystalfaser i området 2θ mellem 10 6; og 40 ° (trinstørrelse på 0,00836 °) blev overvåget og karakteriseret. I mange publikationer XRD anvendes til at bestemme kvaliteten af ​​perovskit film. Figur 2 viser XRD målinger af en delmængde af prøver med seks forskellige blandingsforhold af PBI 2 til MAI, og derfor svarer til SEM billeder i figur 1A1-a5. Desuden er spektret af ren PBI 2 vist. Fra dette, påvirkning af støkiometri i pro-opløsning på kvaliteten af perovskit lag, som f.eks udseendet af forskellige faser, dvs. inkorporering af yderligere faser af PBI 2 og MAI, undersøges. Spektrene viser en tetragonal krystalstruktur, og refleksionerne er indekseret med deres tilsvarende krystal fly. Overraskende blev der ikke yderligere faser af MAI eller PBI 2 observeret i off-støkiometriske film. nt "> Figur 2: XRD mønster af rent PBI 2 samt perovskit prøver fremstillet ved co-opløsning metoden (med NH4Cl og toluen atmosfære) under anvendelse af forskellige molære forhold af de forstadier (forhold, som fremgår af tallene til højre). For sammenlignelighed, er kurverne normaliseret til toppen ved 14,11 ° og flyttet lodret. Genoptrykt med tilladelse fra henvisning 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik her for at se en større version af dette tal. Da XRD ikke gav oplysninger om sammensætningen af ​​filmen, er X-fotoelektronspektroskopi (XPS), der anvendes, som er i stand til direkte at måle film støkiometri. Til denne måling en Mg K α excitation kilde (hv = 1252,6 eV) Med en pass energi på 10 eV (Energy opløsning = 800 MeV) anvendes. De relative følsomhed faktorer (RSF), skal tages i betragtning for hver individuelt målte element. Som sådan er det vigtigt at kalibrere RSFs for vores målesystem (Mg K α kilde, vinkel mellem røntgenkilden og analysator 50,0 °). Vi anvendte en række små molekyler til at kalibrere iod top med tris- (4-iodphenyl) amin (C18 H 12 I 3 N), og kalibreret Pb via PBI 2. Carbon bruges som reference, som sådan med en RSF (C1s) = 1, derfor de RSF faktorer for de enkelte elementer er; RSF (N1S) = 1,8, RSF (i3d 5/2) = 32,8, og RSF (Pb4f 7/2) = 16,5. Figur 3 viser et repræsentativt XPS-spektret af et pådampet film, med de karakteristiske core peaks angivet i øvre sub-tallet. I de lavere subfigures i3d 5/2 (619,6 eV), N1S (402.7 eV), C1s (286.6eV), og Pb4f 7/2 (138,6 eV) toppe er vist. Alle signaler kan monteres af en enkelt blandet gaussisk / Lorentzian peak, kun i tilfælde af iod en lille funktion ved højere bindingsenergier typisk observeret, hvilket er imidlertid en ryste op top og derfor ikke relateret til en egentlig ekstra binding tilstand. Vi er i stand til at udtrække den relative film ifølge alle fremstillet perovskit lag ved at integrere over signalintensitet og normalisere den ved deres respektive RSF 16. I nogle af de film, blev store afvigelser fundet fra den ideelle film støkiometri C: N: Pb: I på 1: 1: 1: 3; f.eks føringen til kvælstof-forholdet varierede mellem 0,4 en d 1.5. Dette var især tilfældet for damp deponeret film, hvor co-inddampning er vanskeligt at kontrollere og reproducere. For løsningen behandlede prøver, på den anden side, den faktiske og tilsigtede blandingsforhold i precursor aftalt meget godt med den endelige film sammensætning som bestemtfra XPS. Figur 3: repræsentant XPS-spektre. Over en fuld XPS scanning vises, under nærbillede XPS målinger af de integrerede toppe er vist. Klik her for at se en større version af dette tal. For at undersøge, hvordan disse variationer i filmsammensætningen påvirke tætheden af ​​stater, vendte vi for UV photoelectron spectroscopy (UPS). For at udføre målinger UPS, en helium udladningslampe (Han I ved 21,22 eV, prøve skævhed -8 V) anvendes, med en 2 eV pass energi, og en 110 MeV energi beslutning (som bestemt ud fra Fermi kant bredde). For alle prøver blev et fuldt spektrum først måles, og derefter at anvende en højere analysator blænde for at øge signal-støj-forhold, en detaljeret højere opløsning scanning af VB-regionen blev udført. I UPS-spektre, specifikt VB region scanning blev satellit toppe som følge af polykromatiske Han I stråling korrigeret for numerisk under dataanalyse. Figur 4 viser UPS kurver af den komplette datasæt for alle de undersøgte prøver, som dækker både co-og sekventiel fordampning (lys rød) samt den anden løsning forarbejdning (mørkerøde) metoder. Vi ønsker kun at understrege, at betydelige variationer i ioniseringsenergier (IE) er overholdt, bemærkelsesværdig fra variationer af den høje bindingsenergi cutoff position i venstre plot af figur 4. Disse ændringer som følge af variationer i behandling og film sammensætning og føre til en justerbarhed af IE mellem 5.67 og 6.4 eV. For en mere detaljeret diskussion henvises til at henvise 16. jpg "/> Figur 4: UPS scanninger af en repræsentativ delmængde af de undersøgte prøver. De venstre paneler viser den høje bindingsenergi cutoff (HBEC) og valens band regionen, mens den højre side viser den høje opløsning nærbillede af VB debut for damp-deponeret (lyse røde linjer) og løsningsorienteret bearbejdes (mørkerød linjer) perovskit film. Alle kurver er blevet flyttet langs x-aksen for at blive tilpasset til funktionen på omkring 3 eV. Genoptrykt med tilladelse fra henvisning 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik her for at se en større version af dette tal. Som vi lært af vores tidligere eksperimenter, perovskit film fremstillet fra forskellige precursor blandingsforhold føre til variationer i elektronisk struktur uden at forstyrre krystalstrukturen af ​​filmen, vi ønskedeat undersøge effekten af ​​precursor-forhold på solcelle ydeevne. Derfor ITO / PEDOT: blev PSS / perovskit / PC 60 BM / Al solceller fremstillet under anvendelse af co-løsning behandlet perovskit lag (med additiv og toluen atmosfære) ved hjælp af forhold mellem PBI 2 til MAI 0,7-1,2. Figur 5 viser virkningen af filmens støkiometri (beregnet forholdet R) på solcelle egenskaber magt virkningsgrad (PCE), kortslutningsstrøm (J SC), åbne kredsløb spænding (V OC) og fyld faktor (FF). Den højeste effektivitet på 9,6% er fundet for en tilsigtet molforholdet mellem 1,02, dvs. tæt på den ideelle perovskit sammensætning. Figur 5: karakteristiske værdier af PCE, J SC, V OC, og FF. Disse værdier blev ekstraheret fra målingerne af solcellen enheder independent den planlagte blandingsforhold R int af PBI 2 til MAI anvendt til filmen forberedelse. Genoptrykt med tilladelse fra henvisning 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Vi viste, at forarbejdningsbetingelserne har en betydelig indflydelse på filmen morfologi og film dækning. Dette er grunden til, at en masse af forskergrupper udgiver forskellige resultater vedrørende solcelle ydeevne og ionisering potentiale for de samme perovskit materialer.

For at sikre reproducerbarhed, er det afgørende for, der skal udføres alle procestrin og karakteriseringsmetoder under inert atmosfære (eller vakuum) for at undgå nedbrydning af fugt. Også renheden og sælger af edukterne spiller en vigtig rolle (ikke undersøgt heri). Det er klart, at vakuum deponeret perovskit lag har meget krystallinske film; Men i sammenligning opløsning forarbejdede film kan fremstilles med en højere gennemløb.

I vores undersøgelse, hjælp NH4Cl som tilsætningsstof i pro-løsning og en toluen atmosfære i spin-coater skålen forudsat den mest reproducerbare og glat perovskite film. På den anden side, dip og slip coating processer føre til temmelig ru overflader, og blev ikke yderligere i betragtning til enhed applikation. Endelig vakuum forarbejdede lag har generelt mindre krystalstørrelser (~ 100 nm), men med en høj grad af dækning gennem hele filmen og glattere overflader. Fra prøveserie med varierende forløber ratio, lærte vi, at sammensætningen har en betydelig indflydelse på dannelse film så godt. Men når han undersøger disse lag med XRD (Figur 2) alle film viser en høj grad af krystallinitet og en lignende tetragonal krystalstruktur angivet med reflektioner ved 14.11 ° og 28,14 ° repræsenterer de (110) og (220) fly, mens nogle af de lag syntes lidt mere uordnet, som kan ses ved fremkomsten af ​​svage (002) og (004) refleksioner. Imidlertid er der ikke observeret nogen signifikant udvidelse af top i XRD diffraktion. Interessant nok ingen tegn på separate faser af PBI 2 ved 12,63 ° er fundet, selv for større overskydende mængder af inkorporeret PBI 2. Dette indikerer, at PBI 2 er inkorporeret ikke som en separat fase eller nanokrystallinske øer, men som fortyndede mellemliggende, hvilket gør det ikke kan påvises ved XRD. Anvendelsen af ​​XRD er begrænset.

På den anden side, XPS bekræfter, at yderligere mængder af PBI 2 eller MAI (afhængigt af fremstillingsmetoden) er til stede i filmen, som det fremgår af variationerne i føringen til nitrogen-forhold. Disse interstitielle til gengæld har en betydelig indflydelse på den elektroniske struktur af filmen som nævnt før. Nu, der kombinerer resultaterne fra XPS med observation af forskelle i ioniseringsenergier afsløret af UPS kan vi korrelere disse to fænomener. Figur 6 viser den kombinerede plot, hvor den målte IE værdi er plottet som funktion af filmsammensætningen (bly til nitrogen-forhold) af den tilsvarende film.

Figur 6 "src =" / files / ftp_upload / 55.084 / 55084fig6.jpg "/>
Figur 6: Udvundet målepunkter for det fulde datasæt af 40 perovskit fi lm. Afhængighed af ionisering energi på elementært forholdet R exp af føringen til kvælstofindholdet (bestemt ved XPS); den optrukne linje er en lineær fi t til dataene og de stiplede linier markerer standardafvigelse på ± 0,12 eV. Nederst vises residualerne i fi t. Genoptrykt med tilladelse fra henvisning 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik her for at se en større version af dette tal.

Vi finder en klar lineær korrelation mellem disse to værdier. Vores resultater derfor indikere, at et perovskit film med MAI i overskud udviser en lavere IE, mens en PBI 2 rig lag øger IE. Vi finder en IE af 6,05 ± 0,10 eVfor den optimale molære forhold mellem R exp = 1, hvilket er betydeligt større end ofte offentliggjort IE på 5,4 eV. Denne forskel er ikke sandsynligt, at skyldes procesbetingelser, da vi finder denne værdi for en bred vifte af forskelligt forberedt perovskit film. Det er snarere skyldes forskelle i vurderingen af ​​data, hvor den lineære tæthed af stater hældning bruges her resulterer i højere udlæsning værdier. Kan findes en omfattende drøftelse af dette spørgsmål i henvisning 17. Det er vigtigt at bemærke, at vi finder ingen ændring i den optiske båndgab af disse film (E g = 1,60 ± 0,02 eV, data ikke vist), hvilket betyder, at det ikke kun er en forskydning af IE med varierende forhold, men aktiveringsenergien (EA) skifter samtidigt.

Den maksimale solcelle effektivitet blev fundet for et molforhold R på 1,02 (PBI 2 til MAI) med en effekt virkningsgrad på 9,6%, hvilket bekræfter resultater fra litteraturen 14, der lidtPBI 2 rige film har en forbedret luftfartsselskab adfærd ved passivering af perovskit film af PBI 2 ved korngrænserne. Et fald i åbne kredsløb spænding ved 200 MeV med stigende PBI 2 indhold kan findes. Da ingen ændring i båndgab perovskit materiale forekommer, faldt V OC kan ikke forklares ved en samtidig formindskelse af det fotovoltaiske hul men af utilstrækkelig hul blokering ved grænsefladen mellem perovskit og PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) på grund af stigningen i perovskit IE. Samtidig FF for R> 1,05 falder 0,8-0,7 som understøtter disse resultater.

Afslutningsvis præsenterede vi en omfattende undersøgelse af perovskit film af en række forskellige tilberedningsmetoder og fandt, at stærke forekomme variationer i filmdannelse, elektroniske struktur og enhedens ydeevne. Af særlig interesse er muligheden for at justere dvs. perovskit ved forsætlig inkorporering af MAI oR PBI 2 mellemliggende, som kan anvendes for interface optimering i hidtil ukendte enhed arkitekturer. Fremtidige undersøgelser vil se på mere avancerede forberedelse teknikker, der sigter mod større enhed områder. Disse omfatter metoder som læge blading, sprøjteteknik, og print i stor skala, der i øjeblikket er installeret i vores anlæg på COPT.centre (kopter = center for økologiske produktionsteknologier).

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende økonomisk støtte af staten Nordrhein-Westfalen gennem projektet PERO-BOOST (EFRE, projekt kode NW-1-1-040a). Tak til Azar Jahanbakhsh og Ines Schmidt (begge universitetet i Köln) for at få hjælp med fremstilling og karakterisering af de to-trins løsning forarbejdede perovskit lag, Dr. Jürgen Schelter (universitetet i Köln) til syntese af MAI materiale samt Prof . Dr. Riedl og Neda Pourdavoud (begge Universitet Wuppertal) for XRD målinger.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8, 506-514 (2014).
  2. 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).
  3. Saba, M., et al. Correlated electron-hole plasma in organometal perovskites. Nat. commun. 5, 5049 (2014).
  4. Nie, W., et al. High-efficiency solution-processed perovskite solar cells with millimeter-scale grains. Science. 347, 522-525 (2015).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Zuo, C., Ding, L. An 80.11% FF record achieved for perovskite solar cells by using the NH4Cl additive. Nanoscale. 6, 9935-9938 (2014).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. , (2015).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
  14. 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).
  15. Yamamoto, K., et al. Degradation mechanism for planar heterojunction perovskite solar cells. Jpn. J. Appl. Phys. 07, (2016).
  16. Emara, J., et al. Impact of Film Stoichiometry on the Ionization Energy and Electronic Structure of CH3NH3PbI3 Perovskites. Adv. Mater. 28, 553-559 (2016).
  17. Olthof, S. The electronic structure of hybrid perovskite layers and their energetic alignment in devices. APL Mater. 4, 091502 (2016).

Tags

Keywords: Hybrid PerovskiteFabrication MethodsFilm FormationElectronic StructureSolar Cell PerformancePhotoelectron SpectroscopyScanning Electron MicroscopySolution ProcessingVacuum DepositionPEDOT:PSSIndium Tin Oxide (ITO)Lead IodideMethylammonium Iodide
check_url/it/55084?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image