製膜上のハイブリッドペロブスカイト製造方法、電子構造、および太陽電池の性能に及ぼす影響

ペロブスカイト膜のための異なる製造方法に比べて全体的なビューを得るためには、構造的、電子的、およびデバイス特性を組み合わせることが重要です。走査型電子顕微鏡（SEM）の形態の良好な印象を与えます。したがって、別の製造方法によって生成されたすべてのフィルムを調べました。ペロブスカイト薄膜の代表的なサブセットは、フィルム形態の調製方法の有意な影響を視覚化する、 図1に示されています。 理想的には、滑らかで、ピンホールのないフィルムはデバイスのために望まれています。図から分かるように、これは、浸漬コーティングされたもの（D、E）、および添加NH 4 Clおよびトルエン雰囲気との共溶液から調製されたフィルムを蒸着フィルム（F、G）の場合である（A1 1.4から0.6のMAIにPBI 2の様々な比RとA5）へ。これとは対照的に、フィルムwitho UT添加剤（H）、並びに浸漬被覆（D、E）と、ドロップコーティングしたもの（b、c）は大きなボイド、構造針状、または大きな表面粗さを示し、従って、デバイス用途のために有用ではありません。 図1：異なる処理方法によって調製ペロブスカイト膜のSEM像。 （A1 – A5）MAI（R）へのPBI 2の異なる比で添加し、トルエンの大気との共同ソリューション、（b）はドロップコーティング40秒のロード時間で、（c）にドロップコーティングし、120秒のロード時間で、（ d）にディップコーティング（10秒ロード時間）、（e）は 、ディップコーティング（3600秒ローディング時間）、（f）は、共蒸着、（g）を順次蒸着、（h）の共同ソリューション添加剤を含みません。スケールバーは、1μmの長さを示します。tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 最後に、 図添加剤およびトルエン雰囲気との共同溶液製剤を使用して、0.6から1.4にMAIにPBI 2の比Rを混合で1 A1-A5変形例を示します。ここでも異なるフィルム形態が現れる表面被覆率と結晶サイズのショーの変化。 SEMは、薄膜の形態とカバレッジを視覚化するために、フィルムの粗さの印象を得るために良いツールですが、しかし構造的情報が与えられていません。 したがって、さらなるペロブスカイト膜を特徴付けるために、X線回折（XRD）を使用しました。この技術は10の間の2θの範囲でCuのKαアノード（λ= 1.54056オングストローム）の結晶相を用いました 6; 40°（0.00836°のステップサイズ）を監視し、特徴付けました。多くの刊行物にXRDは、ペロブスカイト膜の品質を決定するために使用されます。 図2は、MAIにPBI 2の6の異なる混合比を有するサンプルのサブセットのXRD測定結果を示し、従って、 図1A1-A5でSEM画像に対応します。また、純粋なPBI 2のスペクトルが示されています。このことから、ペロブスカイト層の品質に前駆体溶液中の化学量論の影響は、異なる相の出現などといった、PBI 2およびMAIの追加の相の組み込み、すなわち 、検討されています。スペクトルは、正方晶の結晶構造を示し、反射はそれらに対応する結晶面で索引付けされています。驚くべきことに、MAIまたはPBI 2の追加の相は、オフ化学量論的な映画では観察されませんでした。 NT "> 図2：XRDの純粋なPBI 2のパターンだけでなく、前駆体（右の数字で与えられる比率）の種々のモル比を用いて、（NH 4 Clおよびトルエン雰囲気の）共同溶液法により調製ペロブスカイトサンプル。比較のために、曲線は、14.11°にピークに正規化し、垂直方向にシフトしています。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 XRDは、膜の組成に関する情報を提供しなかったように、X線光電子分光法（XPS）を直接フィルムの化学量論を測定することである、使用されています。この測定のためのMg Kα励起源（hνを= 1252.6 eVの）10電子ボルト（エネルギー分解能= 800 meVで）のパスエネルギーとが用いられます。相対感度係数（RSF）は、各個別に測定要素について考慮しなければなりません。このように、我々の測定システムのRSFS（マグネシウムのKα源 、X線源とアナライザ50.0°の角度）を較正することが重要です。我々は、トリス- （4- iodphenyl） -アミン（C 18 H 12 I 3 N）を用いてヨウ素ピークを較正する小分子の数を使用し、PBI 2を介して鉛較正しました。炭素はRSF（C1sの）= 1のような基準として使用され、従って、個々の要素のRSF因子です。 RSF（はN1s）= 1.8、RSF（I3D 5/2）= 32.8、およびRSF（Pb4f 7/2）= 16.5。 図3は、上側のサブ図に示す特性コアレベルのピークを有する蒸着膜の代表XPSスペクトルを示しています。下の副図I3D 5/2（619.6 eV）で、はN1s（40で2.7 eV）では、C1s（286.6eV）、およびPb4f 7/2（138.6 eV）でのピークが示されています。すべての信号は、のみしかしシェイク・アップピークであるため、実際の付加的な結合状態とは関係のない、より高い結合エネルギーの小さな機能が一般的に観察されたヨウ素の場合には、単一混合ガウス/ローレンツピークによって装着することができます。我々は、シグナル強度にわたって積分すると、それぞれのRSF 16によってそれを正規化することにより、すべての調製ペロブスカイト層の相対的な膜組成を抽出することができます。 N：鉛：1：1：1のI映画のいくつかでは、大きな偏差は、理想的な膜の化学量論Cから発見された3。 例えば 0.4 D 1.5の間で変化させ窒素比をリード。これは、共蒸着を制御し、再現することは困難である蒸着フィルム、特に当てはまるました。決定されたソリューション処理されたサンプルについては、一方で、実際とは、前駆体の混合比は、最終的な膜組成と非常によく一致した意図しましたXPSから。 図3：代表XPSスペクトル。統合されたピークのクローズアップXPS測定が示されているの下に完全なXPSスキャンの上、示されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 フィルム組成物中のこれらの変動は、状態の密度に影響を与えるかを調べるために、我々は、UV光電子分光法（UPS）になりました。ヘリウム放電ランプUPS測定を実行する（21.22 eVでのHe Iを、サンプルバイアス-8 V）2 eVのパスエネルギーを使用し、及び（フェルミエッジ幅から決定される）110のMEVエネルギー分解能。れますすべてのサンプルについて、完全なスペクトルはまず、信号対雑音比を増大させるために、より高い分析アパーチャを用いて、測定された、より高い解像度スキャンを詳述します VB領域を行いました。 UPSスペクトル、特にVB領域のスキャンにおいて、多色彼I放射から生じるサテライトピークは、データ解析時に数値について補正しました。 図4は、同時および順次蒸着（光赤）ならびに異なる溶液処理（暗赤色）メソッドの両方をカバーし、調べたすべてのサンプルの完全なデータセットのUPS曲線を示します。私たちは、イオン化エネルギー（IE）の大幅な変動は、図4の左側のプロットにおける高結合エネルギーカットオフ位置の変動から顕著に観察されていることを強調したいです。これらの変更は、処理およびフィルムの組成の変化によってもたらさと5.67と6.4 eVの間でIEの同調性につながるされています。詳細な説明については、16を参照するために参照してください。 JPG "/> 図4：調査したサンプルの代表的なサブセットのUPSをスキャンします。右辺は蒸着（光赤線）と溶液処理（暗赤色のためのVBの発症のクローズアップ高解像度を示しながら、左のパネルは、高結合エネルギーカットオフ（HBEC）と価電子帯の地域を表示しますライン）ペロブスカイト型フィルム。全ての曲線は、約3 eVのでフィーチャに整列させるために、x軸に沿ってシフトされています。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 我々は混合比の異なる前駆体から調製されたフィルムをペロブスカイト我々の以前の実験から学んだように膜の結晶構造を破壊することなく、電子構造の変化につながる、我々が望んでいました太陽電池の性能の前駆体比の効果を調査します。したがって、ITO / PEDOT：PSS /ペロブスカイト/ PC 60 BM / Alの太陽電池は、0.7から1.2のMAIにPBI 2の比を用いて（添加剤およびトルエン雰囲気）共溶液処理ペロブスカイト層を使用して調製しました。 図5は、太陽電池特性の電力変換効率の膜の化学量論（意図された比R）の影響（PCE）、短絡電流（J SC）、開放電圧（V OC）を示し、曲線因子（FF）。 9.6％の最高効率は1.02の意図モル比、 すなわち理想的なペロブスカイト組成に近いために発見されました。 図5：PCE、J SCを、VのOC、およびFFの特性値。これらの値は、太陽電池デバイスのアーキテクチャ非の測定値から抽出されましたMAIのPBI 2の意図された混合比R intのendent膜調製のために使用しました。参照16からの許可を得て転載。著作権2015年ワイリー-VCH。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。