JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimica

Invloed van Hybrid Perovskite fabricagemethoden on Film Formation, Electronic Structure en Zonnecel prestaties

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

Summary

We presenteren een uitgebreide studie over de effecten van verschillende fabricagemethoden voor organische / anorganische perovskiet dunne films door het vergelijken van kristalstructuren, toestandsdichtheid, energie, en uiteindelijk de zonnecel prestaties.

Abstract

Hybride organische / anorganische halogenide perovskieten hebben de laatste tijd een onderwerp van groot belang op het gebied van de zonnecel toepassingen geweest, met het potentieel om de efficiëntie apparaat van meer dan andere technologieën dunne film-apparaat te bereiken. Toch, grote variaties in de doelmatigheid en fysische eigenschappen worden gerapporteerd. Dit is als gevolg van onbedoelde variaties in tijdens de verwerking, die onvoldoende dusver onderzocht. Daarom voerde een uitgebreid onderzoek van de morfologie en elektronische structuur van een groot aantal CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet waarin we zien hoe de bereidingswijze en de mengverhouding van educten methylammonium jodide en lood (II) jodide slagvastheid als filmvorming, kristalstructuur, dichtheid van de staten, energie, en uiteindelijk de zonnecel prestaties.

Introduction

Dunne film photovoltaic technologieën hebben veel aandacht in het onderzoek zonneceltoepassingen aangetrokken vanwege hun lage materiaalverbruik en toepasbaarheid op flexibele substraten. Het meest opvallend zijn organische / anorganische halogenide perovskietmaterialen bewezen levensvatbare actieve lagen zonnecel inrichtingen, wat leidt tot hoge rendementen zijn. Perovskieten beschikken over voordelige eigenschappen, zoals een hoge absorptiecoëfficiënt 1, hoge ladingsdragers mobiliteit 2 en lage exciton binden energie 3. Perovskiet lagen kunnen worden geproduceerd door verschillende oplossing of dampfase gebaseerd vervaardigingswerkwijzen gebruikt goedkope voorlopermaterialen zoals lood (II) jodide (PBI 2) en methylammonium jodide (MAI). Zo zorgt voor een eenvoudige bereiding van hoge kristalliniteit films middels lage fabricage temperaturen in vergelijking met de commercieel beschikbare silicium zonnecellen.

Het is sho geweestwn die meerdere parameters een sterke invloed op de prestaties van perovskiet zonnecellen, vooral filmmorfologie, zoals beïnvloedt exciton diffusielengte en ladingsdragermobiliteit. Nie et al. gebleken dat door verbetering van de morfologie van perovskiet films over het toepassingsbereik en gemiddelde kristalgrootte, de zonnecel prestatiesverhogingen 4, 5. De morfologie is aangetoond beïnvloed door (i) het kiezen van het voorlopermateriaal (bijvoorbeeld het gebruik van loodacetaat 6), (ii) moleculaire additieven (zoals NH4Cl) 7, (iii) gekozen oplosmiddel, (iv) thermische annealing onder atmosfeer oplosmiddel (zoals tolueen of chloorbenzeen 8), en met name (v) de keuze van bereidingswijze 9. -Oplossing op basis van processen als een stap of twee stappen spin-coating resultaat in zonnecellen met een efficiëntie van meer dan 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 terwijl opgedampte perovskiet zonnecellen op rendement van 15,4% 13.

Aangetoond is dat overtollige PBI 2 in perovskiet lagen is voordelig voor zonnecel capaciteit door een beter evenwicht vervoerder met passivering van de perovskiet film van PBI 2 aan de korrelgrenzen 14. Er is echter weinig onderzoek gedaan naar de rol van de effecten van stoichiometrie voor perovskiet filmmaterialen begrijpen.

In dit artikel presenteren wij een uitgebreid onderzoek naar een groot aantal van verschillend bereide perovskiet films en hoe de bereidingswijzen en precursor stoichiometrie invloed van de morfologie, kristalliniteit, toestandsdichtheid, filmsamenstelling en zonnecel prestaties. Een holistische overzicht gegeven, variërend van fabricage naar film karakteriseringsatie helemaal naar prestaties van het apparaat.

Protocol

1. ITO Substrates LET OP: Voor een verbeterde monster in contact brengen en kortsluiting van apparaten te voorkomen, de ITO gecoat glas substraten moeten worden gevormd met behulp van lithografie en etsen. De overlap van de bovenste en onderste elektrode definieert het actieve gebied van de geproduceerde zonnecellen. Snijd de indium tin oxide (ITO) gecoat glas plaat met een glassnijder tot 2,5 cm op 2,5 cm substraten. Lijm een ​​cirkelvormig label (diameter = 1,6 cm) in het midden van een ITO-substraat bedekt. ITO etsen door het plaatsen van de substraten in een 1 M zout- FeCl3 oplossing bij 60 ° C gedurende 10 minuten. Reinig de substraten achtereenvolgens met chloroform, aceton en zeepoplossing (2%) in een ultrasoon bad. Spoel eenmaal met gedestilleerd water en droog onder N2-stroom. 2. Ozonisatie van de ITO Substrates LET OP: Met het oog op organische verontreinigingen te verwijderen, thij Ito substraten moeten worden geozoniseerd. Dit activeert de oxidische oppervlak verhoogt de bevochtigingseigenschappen van het substraat, wat cruciaal is voor de reproduceerbare afzetting van de volgende lagen. Mount ITO substraten op een monster houder en plaats het in een ozonation kamer. Verlichten gedurende 10 minuten onder (atmosferische) zuurstof met een UV-lamp (20 W), die ozon genereert. 3. Afzetting van de PEDOT: PSS-Hole verzamelen Contact OPMERKING: Een film van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) poly (styreensulfonaat) (PEDOT: PSS) wordt afgezet door spincoating van een waterige suspensie onder omgevingsomstandigheden (25 tot 40% relatieve vochtigheid). Deze laag wordt gebruikt als een gat verzamelen contact en heeft een hoge werkfunctie, vermindert pinholes, en leidt tot verhoogde reproduceerbaarheid van apparaten. Plaats 150 pi van de PEDOT: PSS suspensie in water (1,5%) met een spuit op het substraat na verfijning through een 0,45 pm filter. Spin coat met een rotatiesnelheid van 2500 rpm gedurende 25 s direct gevolgd door 4000 rpm gedurende 5 s bij een versnelling van 4000 rpm / s elk. Deze procedure leidt tot 40-45 nm dik PEDOT: PSS films. Resten water uit de film van thermisch uitgloeien van de substraten op een verwarmingsplaat bij 150 ° C gedurende 10 min in lucht. 4. Afzetting van de Perovskite Lagen Let op: Lead jodium (PBI 2) is zeer giftig voor de mens. Zelfs kleine hoeveelheden uiterst gevaarlijk zijn voor het zenuwstelsel, hematopoietische, nier-, lever- en systemen. Behandel leiden bevattende oplossingen met zorg. LET OP: De perovskiet films onderzocht in dit document worden bereid door vijf verschillende methoden met behulp van PBI 2 en CH 3 NH 3 I (MAI) als voorloper materialen. Om afbraak 15 te voorkomen, de fabricage van films en inrichtingen en karakterisatie moeten be uitgevoerd onder inerte atmosfeer, bijvoorbeeld in een N2 gevulde handschoenkast (oplossing verwerking) of onder vacuüm (dampdepositie). oplossing verwerking sequentiële afzetting Plaats substraat spin coater en dalen 150 pl PBI 2 opgelost in N, N-dimethylformamide, DMF (400 mg / ml) met een pipet op het substraat. Spin jas meteen bij 3.000 rpm gedurende 30 s. Dip PBI 2 films MAI opgelost in isopropanol (10 mg / ml) gedurende 40 s of kom MAI oplossing op de gedroogde film PBI 2 en laat gedurende 40 s. Spin coat resterende MAI oplossing bij 3000 rpm gedurende 30 seconden uit het substraat. Verwarm gedurende 15 minuten bij 100 ° C door het plaatsen van het substraat op een kookplaat. Co-oplossing: Lossen zowel PBI 2 en MAI in de gewenste verhouding (bij voorkeur 1: 1 molaire verhouding) in DMF om een precursor-oplossing met een concentratie van 250 mg vormen/ ML. Roer precursor oplossing bij 50 ° C gedurende ten minste 5 uur. Verwarm substraten bedekt met PEDOT: PSS bij 50 ° C gedurende 5 minuten op een kookplaat. Een verhoogde reproduceerbaarheid gedurende één reeks apparaat garanderen, creëren een tolueenoplossing atmosfeer Druppelapplicatie een kleine hoeveelheid van het oplosmiddel (200 ui) in de spin coater bowl terwijl spincoaten perovskiet laag. Plaats 150 pi voorloperoplossing (van 4.1.2.1) op het substraat. Spin jas perovskiet lagen bij 3.000 tpm gedurende 30 s van deze precursor-oplossing. Spin coat één laag van perovskietmateriaal per substraat. Verwarm het verkregen perovskiet lagen gedurende 30 seconden bij 110 ° C op een kookplaat. Moleculaire Additive: Co-lossen NH4 Cl (18-20 mg / ml) in de spin bekledingsoplossing (zoals beschreven in 4.1.2.1) betere filmvorming. Ga als voorheen. Opmerking: Dit is een alternatief voor de toevoeging van de co-zolutie van 4.1.2. vacuümdepositie Algemene procedure Laad de gereinigde substraten in het vacuümsysteem en evacueren. Na een druk van 10 mbar wordt bereikt -7, doorvoermonsters in de verdampingskamer en het schild af van de verdampingen bronnen met een sluiter. Verwarm beide bronnen de voorlopermaterialen voor PBI bevatten 2 tot ongeveer 330 ° C en 140 ° C gedurende MAI. Wees ervan bewust dat de druk in de kamer zal stijgen tot ongeveer 10 -4 mbar vanwege de vluchtige aard van het MAI. Kalibreer de verdamping van de twee materialen via een kwartskristal monitor (QCM) zo dicht bij de bron, terwijl de andere is de monsterpositie. Verwarm het materiaal tot een verdampingstemperatuur en tegelijkertijd noteer de op beide QCMS respectieve diktes. Bereken het werktuig factor de verhoudingvan de twee waarden. Voor de dikte berekening gebruik 6,16 en 1,23 g / cm -3 respectievelijk PBI 2 en MAI,. Co-verdamping Stel de tarieven van pBI 2 tot MAI ongeveer 1: 2 door verhoging of verlaging van de temperatuur van de bron tot een stoichiometrisch juiste perovskiet film te bereiken. Opent de sluiter voor het monster om de afzetting te starten. Na de voorgenomen dikte wordt bereikt, sluit de sluiter en begin van de verwarming van de bronnen. Verwarm de films gedurende 1 uur bij 70 ° C in de vacuümkamer vluchtige verbindingen en volledige filmvorming verwijderen. Sequential verdamping Verlaag de temperatuur van de MOI bron opnieuw onder het punt van verdamping (ca. 100 ° C.) En verwarm de PBI 2 bron tot de verdamping begint; deponeren 50 nm van pure PBI 2. Daarna afkoelen de PBI 2source en verdampen 50 nm van MAI evenzo. Voor grotere diktes Herhaal stap 4.2.3.1 en 4.2.3.2 alternatief. Verwarm de films gedurende 1 uur bij 70 ° C in de vacuümkamer vluchtige verbindingen en volledige filmvorming verwijderen. 5. Voorbereiding van de Solar Cells Los de acceptor fenyl-C 60 boterzuur methylester (PC 60 BM) in chloorbenzeen bij een concentratie van 20 mg / ml en roer gedurende ten minste één dag op een verwarmingsplaat bij 50 ° C. Bereid de perovskiet laag (co-oplossing proces additief) zoals eerder getoond (zie 4.1.3.). Afkoelen de verwarmde perovskiet lagen gedurende 30 s op een metaalplaat tot kamertemperatuur. Plaats 150 pi van PC 60 BM oplossing op het substraat Spin coat PC 60 BM bij 2000 rpm gedurende 30 s bovenop de perovskiet film waardoor 50 nm dikke lagen. Plaats volledig gecoate substratenin een monsterhouder en deksel met een schaduwmasker om contacten bovenop de actieve lagen verdampen. Kras een van de contacten met een scalpel om contact met de ITO anode vast. Over in een vacuümkamer voor de afzetting van de kathode topcontact. Borg 10 nm aluminium op een maximale druk van p = 3 x 10 -6 mbar met een snelheid van 0,5 A / s, zoals gemeten met een kwartskristal monitor. Na de eerste 10 nm de snelheid kan worden verhoogd tot 2,5 A / s tot een laagdikte van 100 nm bereikt. Voer stroomdichtheid versus voltage (JV) metingen van de zonnecellen met een bron maateenheid in het spanningsbereik van -0,5 tot 1,5 V (afstand = 0,02 V). Om ervoor te zorgen dat er geen hysteresis wordt opgenomen in de JV karakteristieken, het meten van de scan omgekeerde richting ook, door het vegen van de vertekening van 1,5 tot -0,5 V ook. Gebruik een zonnesimulator (100 mW cm²) gekalibreerd met behulp van een gecertificeerde silicium fotodiode. </ol>

Representative Results

Om een ​​holistische kijk op de verschillende vervaardigingswerkwijzen voor perovskiet films te verkrijgen, is het belangrijk om structurele, elektronische en inrichting karakterisering combineren. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) geeft een goede indruk van de morfologie. Daarom zijn alle films geproduceerd door de verschillende vervaardigingswerkwijzen onderzocht. Een representatieve deelverzameling perovskiet dunne films wordt getoond in figuur 1, waarbij de invloed van de bereidingswijze op de filmmorfologie visualiseert. Idealiter is een vlotte en pin-hole gratis film gewenst voor apparaten. Zoals te zien is, is dit het geval voor de opgedampte films (f, g), de dip coating die (d, e) en de folies bereid uit co-oplossing met het additief NH4CI en tolueen atmosfeer (a1 A5) met een variërende verhouding R van pBI 2 tot MAI van 0,6-1,4. Daarentegen films witho ut additief (h), evenals de dip-coating (d, e) en drop-omhulde pralines (b, c) tonen grote holtes, naaldachtige structuren of grote oppervlakteruwheid en zijn derhalve niet bruikbaar voor toestel toepassingen. Figuur 1: SEM afbeeldingen perovskiet films bereid met de verschillende verwerkingsmethoden. (A1 – A5) Co-oplossing met een additief en tolueen sfeer met verschillende verhouding van PBI 2 tot MAI (R), (b) drop-coating met 40 s laadtijd, (c) drop-coating met 120 s laadtijd, ( d) dip coating (10 s laadtijd), (e) dip coating (3600 s laadtijd), (f) co-verdamping (g) sequentieel verdamping, (h) co-oplossing zonder additief. De schaalbalken geven een lengte van 1 pm.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. Tot slot, Figuur 1 a1-a5 tonen variaties in de mengverhouding R van PBI 2 tot MAI 0,6-1,4 met behulp van de voorbereiding co-oplossing met een additief en tolueen sfeer. De variaties in oppervlak dekking en kristal grootte laten zien dat hier ook andere film morfologie verschijnen. Hoewel SEM is een goed hulpmiddel om de morfologie en de dekking van dunne films te visualiseren en om een ​​indruk op film ruwheid te krijgen, is echter geen structurele informatie gegeven. Teneinde verder te karakteriseren perovskiet films, röntgendiffractie (XRD) werd toegepast. Met behulp van een Cu K deze techniek α anode (λ = 1,54056 Â) kristallijne fasen in het traject tussen 10 2θ 6; en 40 ° (stapgrootte van 0,00836 °) werden gecontroleerd en gekarakteriseerd. In vele publicaties XRD wordt gebruikt om de kwaliteit van perovskiet films te bepalen. Figuur 2 toont XRD metingen van een subset van monsters met zes verschillende mengverhoudingen van pBI 2 tot MAI, en derhalve overeenkomt met de SEM-afbeeldingen in Figuur 1A1-a5. Bovendien is het spectrum van pure pBI 2 getoond. Hieruit de invloed van stoichiometrie in de precursor oplossing op de kwaliteit van het perovskiet lagen, zoals bijvoorbeeld het uiterlijk van verschillende fasen, dwz integratie nevenfasen van pBI 2 en MAI, onderzocht. De spectra tonen een tetragonale kristalstructuur, en de reflecties worden geïndexeerd met hun corresponderende kristalvlakken. Verrassenderwijs geen extra fasen van MAI of pBI 2 waargenomen in de off-stoïchiometrische films. nt "> Figuur 2: röntgendiffractiepatroon zuivere pBI 2 en perovskiet monsters bereid door het co-oplossingsmethode (met NH4Cl en tolueen atmosfeer) onder toepassing van verschillende molaire verhoudingen van de precursors (verhoudingen van de getallen aan de rechterkant). Voor de vergelijkbaarheid zijn de curves genormaliseerd om de piek bij 14,11 ° en verticaal verschoven. Met toestemming overgenomen uit referentie 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Als XRD geen gegevens over de samenstelling van de film heeft verstrekt, is X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) gebruikt, dat in staat is direct te meten film stoichiometrie. Voor deze meting een Mg K α excitatiebron (hv = 1252,6 eV) Met een pas energie van 10 eV (Energie resolutie = 800 MeV) wordt gebruikt. De relatieve sensitiviteit factoren (RSF) moet rekening worden gehouden met voor elk afzonderlijk gemeten element. Als zodanig is het belangrijk om de RSFs onze meetsysteem (Mg K α bron hoek tussen röntgenbron en analyzer 50,0 °) te kalibreren. We gebruikten een aantal kleine moleculen jodium piek met tris (4-iodphenyl) -amine (C 18 H 12 I 3 N) kalibreren en gekalibreerd Pb via PBI 2. Koolstof wordt gebruikt als referentie, heeft als zodanig een RSF (C1s) = 1, dus de RSF factoren voor de afzonderlijke elementen; RSF (N1S) = 1,8, RSF (i3d 5/2) = 32,8, en RSF (Pb4f 7/2) = 16,5. Figuur 3 toont een representatief XPS spectrum van een damp-afgezette film, met de kenmerkende kernniveau pieken aangegeven bovenste sub-cijfer. In de lagere deelfiguren i3D 02/05 (619,6 eV), N1S (402,7 eV), C1s (286.6eV), en Pb4f 02/07 (138,6 eV) pieken worden getoond. Alle signalen kunnen worden aangebracht door één gemengde Gausse / Lorentz piek alleen in het geval van een kleine jodium functie bij hogere bindingsenergie wordt kenmerkend waargenomen die echter een schokgolf piek- en derhalve niet met betrekking tot een werkelijke extra binding staat. Wij kunnen de relatieve Filmsamenstelling allemaal bereid perovskiet lagen extraheren door integratie via signaalintensiteit en normaliseren door hun RSF 16. In sommige films werden grote afwijkingen gevonden van het ideale film stoichiometrie C: N: Pb: I 1: 1: 1: 3; bijvoorbeeld de voorsprong naar stikstof verhouding varieerde tussen 0,4 een d 1.5. Dit geldt in het bijzonder voor de opgedampte films, waarbij de co-verdamping moeilijk te controleren en te reproduceren. Voor de oplossing verwerkte monsters, anderzijds, de actuele en beoogde mengverhoudingen van de precursor erg goed met de uiteindelijke film samenstelling zoals bepaaldvan XPS. Figuur 3: Representatieve XPS spectra. Boven een volledige XPS-scan wordt getoond, onder de close-up XPS metingen van de geïntegreerde pieken worden getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Om te onderzoeken hoe deze variaties in de film samenstelling van invloed op de dichtheid van de staten, draaide we aan UV-foto-elektron spectroscopie (UPS). UPS metingen, een ontladingslamp helium (He I bij 21,22 eV, monster vertekening -8 V) wordt gebruikt, met een 2 eV pas energie en een energieresolutie 110 meV (bepaald door de Fermi randbreedte). Voor alle monsters werd een volledig spectrum eerst gemeten en vervolgens met een hogere analyzer diafragma op de signaal-ruisverhouding te verhogen, een gedetailleerd hogere resolutie scan van regio VB uitgevoerd. In het UPS-spectra bijzonder de VB regio scan werden satelliet pieken als gevolg van de polychromatische straling Hij I numerieke gecorrigeerd tijdens gegevensanalyse. Figuur 4 toont UPS krommen van de volledige dataset van alle onderzochte monsters, die zowel co-verdamping en sequentiële (licht rood) en de andere oplossing verwerking (donkerrood) gedefinieerd. We willen alleen maar benadrukken dat aanzienlijke verschillen in de ionisatie energieën (IE) worden waargenomen, opmerkelijke van de variaties van de hoge binding energie cutoff positie in de linker grafiek van figuur 4. Deze veranderingen worden veroorzaakt door variaties in de verwerking en film samenstelling en leiden tot een tunability van IE tussen 5,67 en 6,4 eV. Voor een meer gedetailleerde bespreking, zie referentie 16. jpg "/> Figuur 4: UPS scans van een representatief deel van de onderzochte monsters. De linker panelen tonen de hoge binding energie cutoff (HBEC) en de valentieband regio, terwijl de rechterzijde toont de hoge resolutie close-up van het VB onset voor opgedampt (licht rode lijnen) en oplossingsgericht verwerkt (donkerrood lijnen) perovskiet films. Alle krommen zijn verschoven langs de x-as teneinde te worden aangepast aan de functie op ongeveer 3 eV. Met toestemming overgenomen uit referentie 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Als we onze eerdere experimenten dat films bereid uit verschillende precursor mengverhoudingen Perovskite leiden tot verschillen in elektronische structuur zonder verstoring van de kristalstructuur van de film leerden we wildenhet effect van voorloperverhouding op de zonnecel prestaties te onderzoeken. Daarom ITO / PEDOT: PSS werden / perofskiet / PC 60 BM / Al zonnecellen met behulp van co-oplossing verwerkt perovskiet lagen (met additief en tolueen sfeer) met behulp van verhoudingen van PBI 2 tot MAI 0,7-1,2. Figuur 5 toont het effect van film stoichiometrie (beoogde verhouding R) op de zonnecel kenmerken energieconversie-efficiëntie (PCE), kortsluitstroom (J SC), open circuit voltage (VOC) en vullinggraad (FF). Het hoogste rendement van 9,6% wordt gevonden voor een voorgenomen molverhouding van 1,02, dat wil zeggen dicht bij de ideale perovskiet samenstelling. Figuur 5: Karakteristieke waarden van PCE, J SC, V OC en FF. Deze waarden werden uit de metingen van de zonnecel inrichtingen independent van de beoogde mengverhouding R int pBI van 2 tot MAI voor de bereiding film. Met toestemming overgenomen uit referentie 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

We toonden aan dat de verwerkingscondities een significante invloed op de film morfologie en filmbedekking. Dit is de reden waarom veel onderzoeksgroepen bekend verschillende resultaten betreffende zonnecel performantie en ionisatiepotentiaal voor dezelfde perovskiet materialen.

Om reproduceerbaarheid te waarborgen, is het essentieel dat alle verwerkingsstappen en karakterisatiemethodes het onder inerte atmosfeer (of vacuüm) worden uitgevoerd om afbraak door vocht te vermijden. Ook de zuiverheid en verkoper van de educten een belangrijke rol spelen (hier niet onderzocht). Het is duidelijk dat opgedampte lagen perovskiet hebben sterk kristallijn films; echter, in vergelijking oplossing ontwikkelde films kunnen worden vervaardigd met een hogere doorvoer.

In onze studie gebruikt NH4CI als additief in de voorloperoplossing en een tolueenoplossing sfeer in de spin coater bowl ontvangen de meest reproduceerbaar en soepel perovskite films. Anderzijds, onderdompeling en neerzetten bekledingswerkwijzen hebben geleid tot enigszins ruwe oppervlakken en werden niet verder onderzocht voor opbrenginrichting. Tenslotte vacuüm bewerkte lagen hebben algemeen kleinere kristalgrootte (~ 100 nm), maar met een hoge bedekkingsgraad door de hele film en gladdere oppervlakken. Uit de steekproef serie met variërende voorloper ratio, leerden we dat de samenstelling een significante invloed op de vorming van de film ook. Bij het onderzoek van deze lagen met XRD (figuur 2) Alle films vertonen een hoge mate van kristalliniteit en een vergelijkbare tetragonale kristalstructuur aangeduid door reflecties aan 14,11 ° en 28,14 ° vertegenwoordiger van (110) en (220) vlakken, terwijl sommige lagen leek enigszins wanordelijke, die kan worden gezien door het optreden van zwakke (002) en (004) reflecties. Echter geen significante verbreding van de XRD diffractiepiek waargenomen. Intrigerend, geen teken van afzonderlijke fasen van PBI 2 op 12.63 ° zijn gevonden, zelfs voor grotere overmaat opgenomen PBI 2. Dit geeft aan dat PBI 2 niet wordt opgenomen als een afzonderlijke fase of nanokristallijn eilanden maar verdund interstitial, die stellen bij XRD maakt. Zo is het gebruik van XRD beperkt.

Anderzijds, XPS bevestigt dat extra hoeveelheden pBI 2 of MAI (afhankelijk van de fabricagemethode) aanwezig zijn in de film, zoals blijkt uit de variaties in de stand naar stikstofverhouding. Deze Interstitials beurt een belangrijke invloed op de elektronische structuur van de film zoals eerder vermeld. Nu, het combineren van de bevindingen uit XPS met de waarneming van de verschillen in ionisatie energieën onthuld door UPS stelt ons in staat om deze twee fenomenen te correleren. Figuur 6 toont het gecombineerde grafiek waarin de gemeten waarde IE wordt uitgezet als functie van de filmsamenstelling (lead stikstof-verhouding) van de overeenkomstige film.

Figuur 6 "src =" / files / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
Figuur 6: Gehaald meetpunten voor de set van 40 perovskiet fi lms volledige data. Afhankelijk van de ionisatie-energie van de elementaire verhouding R van de exp leiden tot stikstofgehalte (zoals bepaald met XPS); De getrokken lijn is een lineaire pasvorm voor de gegevens en de stippellijnen markeren de standaardafwijking van ± 0,12 eV. Onderaan zijn de residuen van de pasvorm weergegeven. Met toestemming overgenomen uit referentie 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

We vinden een duidelijke lineaire correlatie tussen deze twee waarden. Onze resultaten, dus aangeven dat een perovskiet film met MAI dan vertoont een lagere IE, terwijl een PBI 2 rijke laag van de IE vergroot. We vinden een IE van 6,05 ± 0,10 eVde optimale molaire verhouding van R = exp 1, die aanzienlijk groter is dan de vaak gepubliceerde IE van 5,4 eV. Dit verschil is waarschijnlijk toe te schrijven aan procesomstandigheden, zoals we deze waarde voor een verscheidenheid van verschillend bereide perovskiet folies. Het is veeleer te wijten aan verschillen in beoordeling van gegevens waar de lineaire dichtheid van de staten helling hier gebruikt resulteert in een hogere uitlezing waarden. Een uitgebreide bespreking van dit onderwerp is te vinden in referentie 17. Het is belangrijk op te merken dat we vinden geen verandering in de optische bandgap van deze films (e g = 1,60 ± 0,02 eV, gegevens niet getoond), waardoor het niet alleen een verschuiving van IE met variërende verhouding, maar de activeringsenergie (EA) verschuift tegelijk.

De maximale zonnecelrendement werd gevonden voor een molverhouding R van 1,02 (PBI 2 tot MAI) met een vermogen omzettingsrendement van 9,6% die de bevindingen uit de literatuur 14 die enigszins bevestigtPBI 2 rijke films zijn voorzien van een verbeterde carrier gedrag van passiveren van de perovskiet film van PBI 2 aan de korrelgrenzen. Een afname nullastspanning van 200 MeV met toenemende PBI 2 inhoud kan worden gevonden. Aangezien geen verandering in de bandgap van de perovskietmateriaal optreedt, de daling van VOC kan niet worden verklaard door een gelijktijdige verlaging van de fotovoltaïsche gap maar door onvoldoende gat blokkering op het grensvlak van perovskiet en PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) door de toename van de perovskiet IE. Tegelijkertijd wordt de FF R> 1,05 afneemt 0,8-0,7 welke steunt deze bevindingen.

Concluderend we bevatte een gedetailleerd onderzoek van perovskiet films van verschillende bereidingswijzen en vond dat grote verschillen optreden in filmvorming, elektronische structuur en werking van het apparaat. Van bijzonder belang is de mogelijkheid om IE van perovskiet aanpassen door opzettelijke incorporatie van MAI or PBI 2 interstitial die kunnen worden gebruikt voor Interface optimalisatie nieuwe apparaat architecturen. Toekomstige studies zullen kijken naar meer geavanceerde voorbereiding technieken die streven naar een groter apparaat gebieden. Deze omvatten methoden zoals doctor blading, spuittechnieken, en grootschalige afdrukken die op dit moment in onze faciliteit in de COPT.centre (COPT = centrum voor biologische productie technologieën) zijn geïnstalleerd.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen graag financiële steun van de deelstaat Noord-Rijnland-Westfalen erkennen door middel van het project PERO-BOOST (EFRE, project code NW-1-1-040a). Dank aan Azar Jahanbakhsh en Ines Schmidt (beiden Universiteit van Keulen) voor hulp bij de fabricage en karakterisering van de 2-staps oplossing verwerkt perovskiet lagen, Dr. Jürgen Schelter (Universiteit van Keulen) voor de synthese van de MAI zowel materiële als Prof . Dr. Riedl en Neda Pourdavoud (beiden Universiteit van Wuppertal) voor de XRD metingen.

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

Hybrid PerovskiteFabrication MethodsFilm FormationElectronic StructureSolar Cell PerformancePhotoelectron SpectroscopyScanning Electron MicroscopySolution ProcessingVacuum DepositionPEDOT:PSSIndium Tin Oxide (ITO)Lead IodideMethylammonium Iodide

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