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

Påvirkning av Hybrid perovskitt fabrikasjon metoder på filmdannelse, Elektronisk struktur og Solar Cell Ytelse

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

Summary

Vi presenterer en omfattende studie på effekten av ulike fremstillingsmetoder for organiske / uorganiske perovskitt tynne filmer ved å sammenligne krystallstrukturer, tilstandstetthet, energinivå, og til slutt solcelle ytelse.

Abstract

Hybrid organiske / uorganiske halogen perovskitter har i det siste vært et tema av stor interesse innen solcelle-applikasjoner, med potensial til å oppnå enhet effektivitet som overstiger andre tynne film enhets teknologier. Likevel er store variasjoner i enhets effektivitet og grunnleggende fysiske egenskaper rapportert. Dette skyldes utilsiktede variasjoner i løpet film behandling, som ikke har vært tilstrekkelig undersøkt så langt. Vi har utført derfor en omfattende studie av morfologien og elektroniske struktur av et stort antall CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt hvor vi vise hvordan denne fremstillingsmetoden samt blandingsforholdet av educts metylammonium jodid og bly (II) jodid slagegenskaper som filmdannelse, krystallstruktur, tilstandstetthet, energinivå, og til slutt solcellen ytelse.

Introduction

Tynnfilm solceller teknologi har tiltrukket seg en betydelig oppmerksomhet i forskning på solcelle søknader på grunn av deres lave materialforbruk og egnethet på fleksible underlag. Mest spesielt, har organisk / uorganisk halogen perovskitt materialer vist seg å være levedyktige aktive lag i solcelle enheter, noe som fører til høye effektivitet. Perovskitter har fordelaktige egenskaper som høy absorpsjon koeffisient en høy kostnad carrier mobilitet to, og lav exciton bindingsenergien tre. Perovskitt lag kan fremstilles ved forskjellige oppløsning eller dampfase basert fremstillingsmetoder under anvendelse av lavpris forløper materialer som bly (II) jodid (PBI 2) og metylammonium-jodid (MAI). På denne måten muliggjør en enkel fremstilling av høy krystallinitet filmer ved bruk av lave fabrikasjonstemperaturer sammenlignet med de kommersielt tilgjengelige silisium solceller.

Det har vært shown at flere parametere har en sterk innflytelse på resultatene av perovskitt solceller, særlig film morfologi, fordi det påvirker exciton diffusjon lengde og kostnad carrier mobilitet. Nie et al. viste at ved å forbedre morfologien av perovskitt filmer, med hensyn til dekningen og gjennomsnittlig krystallstørrelse, solcellen ytelsen øker 4, 5. Morfologien er blitt vist å være påvirket av (i) valg av utgangsmateriale (for eksempel ved bruk av blyacetat 6), (ii) molekyl additiver (som NH4CI) 7, (iii) valg av oppløsningsmiddel, (iv) termo glødning i henhold til løsningsmiddel atmosfære (som toluen eller klorbenzen 8), og spesielt (v) valg av fremstillingsmetode 9. Løsning baserte prosesser som ett-trinns eller to-trinns spin belegg resultat i solceller med effektivitet på over 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 mens vakuum-avsatt perovskitt solceller gi effektivitet på 15,4% 13.

Det har vist seg at overskytende PBI 2 i perovskitt lag er fordelaktig for solcelle ytelse på grunn av en forbedret bærebalanse ved passivering av perovskitt filmen ved PBI 2 ved korngrensene 14. Imidlertid har lite arbeid blitt utført for å forstå rollen av virkningene av støkiometrien for perovskitt filmmaterialer.

I denne artikkelen presenterer vi en omfattende studie på et bredt spekter av ulikt forberedt perovskitt filmer og vise hvordan tilberedningsmetoder og forløper støkiometri innflytelse morfologi, krystalline tilstandstetthet, film sammensetning, og solcelle ytelse. En helhetlig oversikt er presentert, alt fra fabrikasjon til film karakteristiske gjestglise hele veien til enhetens ytelse.

Protocol

1. ITO Underlag MERK: For en forbedret sample kontakt og for å unngå kortslutning av enheter, de ITO belagte glass underlag må være mønstret ved hjelp av litografi og etsning. Overlapping av øvre og nedre elektrode definerer det aktive området av de produserte solceller. Skjær indium tinn oksid (ITO) belagt glassplate med et glass cutter å gi 2,5 cm med 2,5 cm underlag. Lim et sirkulært formet etikett (diameter = 1,6 cm) i sentrum av en ITO dekket substrat. Etse ITO ved å anbringe substratene i en salt 1 M FeCl3-løsning ved 60 ° C i 10 min. Rens substrater i rekkefølge med kloroform, aceton og såpeløsning (2%) i et ultralydbad. Skyll en gang til med destillert vann og tørkes under N2 strømning. 2. ozonering av ITO Underlag MERK: For å fjerne organiske forurensninger, than Ito underlag må ozonisert. Dette aktiverer oksydisk overflate og øker fukteegenskapene av substratet, noe som er avgjørende for den reproduserbare avsetning av etterfølgende lag. Mount ITO substrater på en prøveholder og legg den i en ozonation kammer. Lyse i 10 min under (atmosfærisk) oksygen med en ultrafiolett lampe (20 W) som genererer ozon. 3. Nedfall av PEDOT: PSS Hole-innsamling Kontakt MERK: En film av poly (3,4-etylendioksytiofen) -poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) er avsatt ved spinnbelegging fra en vandig suspensjon under omgivelsesbetingelser (25 til 40% relativ fuktighet). Dette laget er brukt som et hull oppsamlings kontakt og har en høy frigjøringsenergi, reduserer nålehull, og fører til økt reproduserbarheten av enheter. Plasser 150 ul av PEDOT: PSS i vannsuspensjon (1,5%) med en sprøyte på substratet etter filtrering through en 0,45 mikrometer filter. Spin belegge ved hjelp av en rotasjonshastighet på 2500 rpm i 25 s direkte etterfulgt av 4000 rpm i 5 s med en akselerasjon på 4000 omdreininger / s hver. Denne fremgangsmåten fører til 40 til 45 nm tykk PEDOT: PSS filmer. Fjerne gjenværende vann fra filmen ved hjelp av termisk gløding substratene på en varmeplate ved 150 ° C i 10 minutter i luft. 4. Avsetning av perovskitt Layers Forsiktig: Lead iodide (PBI 2) er svært giftig for mennesker. Selv små mengder er ekstremt farlig for nervøs, blodkreft, nyre- og lever systemer. Håndtak føre holdige løsninger med forsiktighet. MERK: perovskitt filmene undersøkt gjennom denne utredningen er utarbeidet av fem forskjellige metoder ved hjelp PBI 2 og CH 3 NH 3 I (MAI) som forløper materialer. For å unngå degradering 15, fabrikasjon av filmene og enhetene og deres karakterisering må be utføres under inert atmosfære, for eksempel i en N2 fylt hanskerom (løsning behandling) eller under vakuum (damp deponering). løsning behandling sekvensiell deponering Plassere substratet på spinnbeleggeren og falle 150 ul PBI 2 oppløst i N, N-dimetylformamid, DMF (400 mg / ml) med en pipette på substratet. Sentrifuge belegge umiddelbart ved 3000 rpm i 30 s. Dip PBI 2 filmene i MAI oppløst i isopropanol (10 mg / ml) i 40 sek eller rulle MAI løsning på den tørkede PBI 2 film og la der i 40 sek. Spin belegge gjenværende MAI oppløsning ved 3000 rpm i 30 s av substratet. Varme i 15 minutter ved 100 ° C ved å plassere substratet på en varmeplate. Co-løsning: Oppløse både PBI 2 og MAI i det ønskede forhold (fortrinnsvis 1: 1 molforhold) i DMF for å danne en forløper-løsning med en konsentrasjon på 250 mg/ Ml. Omrør forløper-løsning ved 50 ° C i minst 5 timer. Forvarm substrater dekket med PEDOT: PSS ved 50 ° C i 5 minutter på en varmeplate. For å garantere en øket reproduserbarhet gjennom en enhet serie, skaper en toluen atmosfære ved å dryppe en liten mengde av oppløsningsmidlet (200 ul) på innsiden av sentrifuge belegningsinnretning bollen mens sentrifuge belegning av perovskitt lag. Plassere 150 pl forløper-løsning (fra 4.1.2.1) på substratet. Spin belegge perovskitt lag ved 3000 rpm i 30 s fra denne forløper-løsning. Spin belegge et lag av perovskitt materiale pr substrat. Oppvarme de resulterende lag for perovskitt 30 s ved 110 ° C på en varmeplate. Molecular Additiv: Co-oppløse NH4CI (18-20 mg / ml) i spinnbeleggløsning (som beskrevet i 4.1.2.1) for å sikre bedre filmdannelse. Fortsett som før. MERK: Dette er et alternativ til tilsetningen av ko-sårensning fra 4.1.2. vacuum deponering Generell prosedyre Last de rensede substrater til vakuumsystemet og evakuere. Etter et trykk på 10 -7 mbar er nådd, overføre prøvene inn i fordampningskammeret og skjerme den av fra avdamping kilder med en lukker. Varm de to kilder som inneholder forløpermaterialer til ca 330 ° C i 2 PBI og 140 ° C for MAI. Vær oppmerksom på at trykket i kammeret vil stige til ca. 10 -4 mbar på grunn av den ustabile natur av den MAI. Kalibrere fordampningshastigheter for de to materialer ved hjelp av en kvarts-krystall-skjerm (QCM) plassert nær kilden, mens den andre er i prøveposisjon. Varm opp materialet til en fordampning temperatur og samtidig skrive ned de respektive tykkelser vist på begge QCMs. Beregn verktøy faktor ved forholdetav de to verdiene. For beregning tykkelse bruke 6,16 og 1,23 g / cm -3 for PBI 2 og MAI, henholdsvis. Co-inndamping Juster ratene PBI 2 til MAI til omtrent 1: 2 ved å øke eller redusere temperaturen av kildene for å oppnå en støkiometrisk korrekt perovskitt film. Åpne lukkeren i fronten av prøven for å starte deponering. Etter den tiltenkte tykkelse er nådd, lukker lukkeren og slå av oppvarming av kildene. Oppvarme filmene i 1 time ved 70 ° C inne i vakuumkammeret for å fjerne flyktige forbindelser og fullstendig filmdannelse. sekvensiell fordampning Redusere temperaturen på den MAI kilden igjen under punktet for fordampning (ca. 100 ° C.) Og varme opp den PBI 2 kilden før fordampning starter; sette inn 50 nm av ren PBI to. Etterpå kjøle ned PBI 2kilde og fordampe 50 nm fra MAI likeså. For større tykkelser gjenta trinn 4.2.3.1 og 4.2.3.2 alternativt. Oppvarme filmene i 1 time ved 70 ° C inne i vakuumkammeret for å fjerne flyktige forbindelser og fullstendig filmdannelse. 5. Utarbeidelse av solceller Oppløs akseptor fenyl-C 60 smørsyremetylester (PC 60 BM) i klorbenzen ved en konsentrasjon på 20 mg / ml og omrøres i minst en dag på en varmeplate ved 50 ° C. Klargjør perovskitt lag (co-løsningen prosessen med additiv) som vist før (se 4.1.3.). Kjøle ned de oppvarmede perovskitt lag for 30 s på en metallplate til romtemperatur. Plasser 150 ul av PC-60 BM løsning på underlaget Spin belegge PC 60 BM ved 2000 opm i 30 s på toppen av perovskitt filmen som resulterer i 50 nm tykke lag. Plasser fullt belagte substrateri en prøveholder og deksel med en skyggemaske for å fordampe kontakter på toppen av det aktive lag. Skrap en av kontaktene med en skalpell for å etablere kontakt med ITO anoden. Overfør til et vakuumkammer for avsetning av katoden øverst kontakt. Innskudd 10 nm aluminium ved et maksimalt trykk på p = 3 x 10 -6 mbar med en hastighet på 0,5 a / s, målt ved hjelp av en kvarts-krystall-skjerm. Etter den første 10 nm hastigheten kan økes opp til 2,5 Å / s inntil en sjikttykkelse på 100 nm er nådd. Utfør strømtettheten i forhold til spenning (JV) målinger av solceller ved å bruke en kilde måleenhet i spenningsområdet fra -0,5 til 1,5 V (trinn = 0,02 V). For å sikre at ingen hysterese vises i JV egenskaper, måle motsatt skanneretningen også, ved å feie bias fra 1,5 til -0,5 V også. Bruk en solenergi simulator (100 mW cm²) kalibreres ved hjelp av en sertifisert silisium fotodiode. </ol>

Representative Results

For å få et helhetlig syn over forskjellige fremstillingsmetoder for perovskitt filmer, er det viktig å kombinere strukturelle, elektroniske, og enheten karakterisering. Scanning elektronmikroskopi (SEM) gir et godt inntrykk av morfologi. Derfor ble alle filmer produsert av de forskjellige fremstillingsmetoder undersøkt. En representativ delmengde av perovskitt tynne filmer er vist i figur 1, som visualiserer betydelig innflytelse på fremstillingsmetoden på filmens morfologi. Ideelt sett er en jevn og pin-hull gratis film ønskelig for enheter. Som det kan sees, er dette tilfellet for dampavsatte filmer (f, g), den dyppebelagt de (d, e), og filmene fremstilt fra co-oppløsning med additivet NH4CI og toluen atmosfære (a1 til a5) med et varierende forhold R av PBI 2 til MAI på 0,6 til 1,4. I motsetning til filmene witho ut additiv (h), samt dyppebelagt (d, e) og drop-belagte de (b, c) viser store hulrom, nål lignende strukturer, eller stor overflateruhet og er derfor ikke nyttige for enkelte programmer. Figur 1: SEM bilder av perovskitt filmer utarbeidet av de ulike behandlingsmetodene. (A1 – a5) Co-løsning med additiv og toluen atmosfære med forskjellige forhold på PBI 2 til MAI (R), (b) drop-belegg med 40 s lasting tid, (c) slipp-belegg med 120 s lasting tid, ( d) dip coating (10 r lasting tid), (e) dypping (3600 s lasting tid), (f) ko-fordampning, (g) sekvensiell fordampning, (h) co-løsning uten additiv. Skalaen linjer indikerer en lengde på 1 um.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. Til slutt, Figur 1 a1-a5 viser variasjoner i blandingsforholdet R fra PBI 2 til MAI 0,6 til 1,4 ved hjelp av ko-løsningspreparat med additiv og toluen atmosfære. Variasjonene i overflatedekning og krystallstørrelse viser at her også ulike film morfologi vises. Selv SEM er et godt verktøy for å visualisere morfologi og dekning av tynne filmer og for å få et inntrykk på film ruhet, er imidlertid ingen strukturell informasjon gitt. Derfor, for ytterligere å karakterisere perovskitt filmene, ble røntgenstråle-diffraksjon (XRD) anvendt. Med denne teknikken anvendelse av en Cu Ka-α anoden (λ = 1,54056 Å) krystallfaser i området fra 2θ mellom 10 6; og 40 ° (trinnstørrelse på 0,00836 °) ble overvåket og karakterisert. I mange publikasjoner XRD brukes til å bestemme kvaliteten på perovskitt filmer. Figur 2 viser XRD-målinger av et undersett av prøver med seks forskjellige blandingsforhold av PBI 2 til MAI, og derfor tilsvarer SEM bilder i figur 1A1-a5. I tillegg, blir spekteret for ren PBI 2 vist. Fra denne, påvirkning av støkiometrien i forløperen løsning på kvaliteten av perovskitt sjikt, slik som forekomsten av ulike faser, dvs. inkorporering av ytterligere faser av PBI 2 og MAI blir undersøkt. Spektrene viser en tetragonal krystallstruktur, og refleksjonene blir indeksert med deres tilsvarende krystallplanene. Overraskende, ble ingen flere faser av MAI eller PBI to observert i off-støkiometriske filmer. nt "> Figur 2: XRD mønster av rent PBI 2 samt perovskitt prøver fremstilt ved den ko-løsningsmetode (med NH4CI og toluen atmosfære) ved anvendelse av forskjellige molforhold av forløperne (forhold som angitt ved tallene til høyre). For sammenlignbarhet er kurvene normalisert til topp på 14,11 ° og flyttet seg vertikalt. Gjengitt med tillatelse fra referanse 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. Som XRD ikke gi informasjon om sammensetningen av filmen, er røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) som brukes, som er i stand til å direkte måle film støkiometri. For denne målingen en Mg K α eksitasjon kilde (hν = 1252,6 eV) Med et pass energi på 10 eV (Energy oppløsning = 800 MeV) brukes. De relative sensitivitetsfaktorene (RSF) må tas i betraktning for hver individuelt målt element. Som sådan, er det viktig å kalibrere RSFs for vårt målesystem (Mg K α kilde, vinkelen mellom X-strålekilde og analysator 50,0 °). Vi har brukt en rekke små molekyler for å kalibrere jod topp med Tris- (4-iodphenyl) -amin (C 18 H 12 I 3 N), og kalibrert Pb via PBI 2. Karbon anvendes som en referanse, som for eksempel med en RSF (C1S) = 1, og derfor 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 representativt XPS-spektrum fra et dampavsatt film, med de karakteristiske kjernespeiltopper som er angitt i øvre sub-figur. I de lavere subfigures i3d 5/2 (619,6 eV), N1s (402,7 eV), C1S (286.6eV), og Pb4f 7/2 (138,6 eV) topper vises. Alle signaler som kan monteres av en enkelt blandet Gauss / Lorentzian topp, bare i tilfelle av jod en liten trekk ved høyere bindingsenergier blir typisk observert som imidlertid er en utskiftninger topp og derfor ikke relatert til en faktisk ytterligere binding tilstand. Vi er i stand til å trekke ut den relative film sammensetning av alle utarbeidet perovskitt lag ved å integrere over signalintensitet og normalisere det ved deres respektive RSF 16. I noen av filmene ble det funnet store avvik fra den ideelle filmen støkiometri C: N: Pb: I 1: 1: 1: 3; f.eks ledelsen til nitrogen-forholdet varierte mellom 0,4 en d 1,5. Dette gjaldt spesielt for damp avsatte filmer, hvor den co-fordampning er vanskelig å kontrollere og reprodusere. For løsningen behandlet prøver, på den annen side, den faktiske og den tiltenkte blandingsforhold av forløperen avtalt meget godt med den endelige filmsammensetning som bestemmesfra XPS. Figur 3: Representant XPS spektra. Over en hel XPS scan er vist nedenfor nærbilde XPS målinger av integrerte toppene vises. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. For å undersøke hvordan disse variasjonene i film sammensetning påvirker tilstandstetthet, vi slått til UV ray spektroskopi (UPS). For å utføre UPS målinger, en helium utladningslampe (Han jeg på 21,22 eV, skjevheter -8 V) er brukt, med en 2 eV pass energi, og en 110 MeV energi oppløsning (som bestemmes av Fermi kanten bredde). For alle prøvene, ble et fullstendig spektrum først målt, og deretter ved anvendelse av en høyere analysator åpning for å øke signal til støyforholdet, et detaljert høyere oppløsning skanning av VB regionen ble utført. I UPS-spektra, spesielt VB region skanningen, ble satellitt topper som resulterer fra polykromatisk han jeg stråling korrigert for numerisk ved dataanalyse. Figur 4 viser UPS-kurver av den fullstendige datasettet av alle undersøkte prøver, som dekker både co-og sekvensiell fordampning (lyserød), så vel som annen løsning prosesserings (mørk rød) metoder. Vi ønsker bare å understreke at betydelige variasjoner i ionisering energier (IE) er observert, kjent fra variasjoner i energi cutoff posisjon høyt binding i venstre hånd tomt på figur 4. Disse endringene er forårsaket av variasjoner i behandling og film sammensetning og føre til en tunability av IE mellom 5,67 og 6,4 eV. For en mer detaljert diskusjon, se referanse 16. jpg "/> Figur 4: UPS skanninger av en representant delsett av de undersøkte prøvene. Den venstre panelene viser høy bindingsenergi cutoff (HBEC) og Valence bandet regionen, mens høyre side viser høy oppløsning nærbilde av VB utbruddet for damp-avsatt (lyse røde linjer) og løsningsorientert behandlet (mørk rød linjer) perovskitt filmer. Alle kurvene har blitt forskjøvet langs x -aksen for å bli justert til funksjonen på rundt 3 eV. Gjengitt med tillatelse fra referanse 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. Som vi har lært fra våre tidligere forsøk at perovskitt-filmer fremstilt fra forskjellige precursor blandingsforhold føre til variasjoner i elektronstrukturen uten å forstyrre krystallstrukturen av filmen, ville vifor å undersøke effekten av forløper-forhold på solcellen ytelse. Derfor ITO / PEDOT: ble PSS / perovskitt / PC 60 BM / Al solceller utarbeidet etter co-løsning behandlet perovskitt lag (med additiv og toluen atmosfære) ved hjelp av forholdstall på PBI 2 til MAI 0,7 til 1,2. Figur 5 viser virkningen av film støkiometri (beregnet forholdet R) på solcelleegenskaper makt konvertering effektivitet (PCE), kortslutningsstrøm (J SC), åpen krets spenning (V OC) og fyll faktor (FF). Den høyeste virkningsgrad på 9,6% er funnet for et beregnet molart forhold på 1,02, det vil si nær den ideelle perovskitt sammensetning. Figur 5: Karakteristiske verdier av PCE, J SC, V OC, og FF. Disse verdiene ble hentet fra målinger av solcelle enheter independent av det tilsiktede blandingsforholdet R int av PBI 2 til MAI anvendt for fremstilling film. Gjengitt med tillatelse fra referanse 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Vi viste at behandlingen forhold har en betydelig innflytelse på film morfologi og film dekning. Dette er grunnen til at mange forskningsgrupper publisere ulike resultater om solcelle ytelse og ionisering potensial for de samme perovskitt materialer.

For å sikre reproduserbarhet, er det avgjørende for alle behandlingstrinn og karakteriseringsmetoder som skal utføres under en inert atmosfære (eller vakuum) for å unngå nedbrytning av fuktighet. Også renheten og leverandøren av de educts spiller en viktig rolle (ikke undersøkt heri). Det er klart at vakuum avsatt perovskitt lagene har høyt krystallinske filmer; imidlertid, i sammenligning løsnings behandlet filmer kan fremstilles med en høyere gjennomstrømning.

I vår studie, ved hjelp av NH4CI som et additiv i forløperen oppløsning og en toluen atmosfære i spinnbeleggeren skål ga den mest reproduserbare og glatt perovskite filmer. På den annen side, dip og slipp-belegg prosesser føre til heller grove overflater, og ble ikke tatt med i programmet på enheten. Til slutt vakuum behandlet lagene har samlet mindre krystallstørrelser (~ 100 nm), men med en høy grad av dekning gjennom hele filmen og jevnere overflater. Fra prøven serie med varierende forløper ratio, lærte vi at sammensetningen har en betydelig innflytelse på filmdannelsen også. Imidlertid, når undersøke disse lag med XRD (figur 2) alle filmer som viser en høy grad av krystallinitet og en lignende tetragonal krystallstruktur indikert ved refleksjoner ved 14,11 ° og 28,14 ° representerer (110) og (220) plan, mens noen av lag virket litt mer uordnede, som kan sees av utseendet på svak (002) og (004) refleksjoner. Det er imidlertid ingen betydelig utvidelse av XRD-diffraksjon topp observert. Forbløffende nok ingen tegn til separate faser av PBI a på 12,63 ° er funnet, selv for større overskudd av innlemmet PBI to. Dette indikerer at PBI 2 inkorporeres ikke som en separat fase eller nanokrystallinske øyer, men som fortynnede mellomliggende, noe som gjør det umulig å oppdage ved XRD. Således er begrenset bruken av XRD.

På den annen side, bekrefter XPS at ytterligere mengder av PBI a eller MAI (avhengig av fremstillingsmetoden) er tilstede i filmen, som det fremgår av variasjonene i ledningen til nitrogen-forholdet. Disse mellomliggende i sin tur har en betydelig innflytelse på den elektroniske struktur av filmen som nevnt før. Nå kombinerer resultatene fra XPS med observasjon av forskjeller i ionisering energier avslørt av UPS gjør oss i stand til å relatere disse to fenomenene. Figur 6 viser det kombinerte plottet hvor den målte verdi IE er plottet som en funksjon av filmsammensetning (bly til nitrogen-forhold) av det tilsvarende film.

Figur 6 "src =" / files / ftp_upload / 55084 / 55084fig6.jpg "/>
Figur 6: Hentet målepunkter for hele datasettet på 40 perovskitt fi lmer. Avhengighet av ioniseringsenergien på det elementære forholdet R exp av bly til nitrogeninnhold (bestemt ved hjelp av XPS); den heltrukne linjen er en lineær fi t til dataene og de stiplede linjene markerer standardavvik på ± 0,12 eV. Nederst er de rester av den fi t er vist. Gjengitt med tillatelse fra referanse 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Vi finner en klar lineær korrelasjon mellom disse to verdier. Våre resultater derfor indikere at en perovskitt-film med MAI i overkant oppviser et lavere IE, mens en PBI 2 rik sjiktet øker IE. Vi finner en IE på 6,05 ± 0.10 eVtil den optimale molare forhold mellom R exp = 1, som er betydelig større enn den ofte publiserte IE på 5,4 eV. Dette avviket er ikke sannsynlig å være på grunn av behandlingen forhold, som vi finner denne verdien for en rekke forskjellig forberedt perovskitt filmer. Det er snarere skyldes forskjeller i dataevaluering hvor den lineære tettheten av tilstander helling som brukes her resulterer i høyere avlesning verdier. En omfattende diskusjon om dette spørsmålet kan bli funnet i referanse 17. Det er viktig å merke seg at vi finner ingen endring i den optiske bandgap av disse filmene (E g = 1,60 ± 0,02 eV, data ikke vist), noe som betyr at det ikke er bare en forskyvning av IE med varierende forhold, men aktiveringsenergien (EA) skifter samtidig.

Den maksimale solcelle effektivitet ble funnet for en molarforhold R på 1,02 (PBI 2 til MAI) med en kraft konvertering effektivitet på 9,6% noe som bekrefter funn fra litteraturen 14 som littPBI 2 rike filmer har en forbedret bære atferd ved passivisering av perovskitt film av PBI 2 ved korngrensene. En reduksjon i åpen-krets spenning ved 200 meV med økende PBI 2 innhold kan bli funnet. Siden ingen endring i båndgap av perovskitt-materialet forekommer, er reduksjonen av V OC kan ikke forklares ved en samtidig nedsettelse av den fotoelektriske gap, men heller av utilstrekkelig hull blokkering ved grenseflaten av perovskitt og PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) på grunn økningen i perovskitt IE. Samtidig FF for R> 1,05 avtar 0,8 til 0,7 som støtter disse funnene.

I konklusjonen, presenterte vi en omfattende studie av perovskitt filmer laget av en rekke tilberedningsmetoder og fant at sterke variasjoner forekommer i filmdannelse, elektronisk struktur og enhetens ytelse. Av spesiell interesse er muligheten til å justere IE av perovskitt ved tilsiktet inkorporering av MAI or PBI 2 interstitialene som kan brukes for grensesnitt optimalisering i nye enhets arkitekturer. Fremtidige studier vil se på mer avanserte forberedelse teknikker som tar sikte mot større enhet områder. Disse inkluderer metoder som lege skøyter, spray teknikker, og i stor skala utskrift som er installert i anlegget vårt på COPT.centre (kopter = senter for økologisk produksjon teknologier).

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å erkjenne økonomisk støtte av staten Nordrhein-Westfalen gjennom prosjektet PERO-BOOST (EFRE, prosjektkode NW-1-1-040a). Takk går til Azar Jahanbakhsh og Ines Schmidt (både Universitetet i Köln) for å få hjelp med fabrikasjon og karakterisering av to-trinns løsning behandlet perovskitt lag, Dr. Jürgen Schelter (Universitetet i Köln) for syntese av MAI materiale samt Prof . Dr. Riedl og Neda Pourdavoud (begge Wuppertal universitet) 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

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