Influência do híbrido Métodos perovskita Fabricação na formação do filme, Estrutura Eletrônica e desempenho da célula solar

A fim de obter uma visão global sobre os diferentes métodos de fabricação de filmes de perovskite, é importante combinar estrutural, electrónica, e caracterização dispositivo. microscopia eletrônica de varredura (SEM) dá uma boa impressão da morfologia. Portanto, todos os filmes produzidos por diferentes métodos de fabricação foram investigados. Um subconjunto representativo de películas finas de perovskite é mostrado na Figura 1, que visualiza a influência significativa do método de preparação na morfologia filme. Idealmente, um filme suave e sem pin-hole é desejada para dispositivos. Como pode ser visto, este é o caso para os filmes depositados-vapor (F, G), os revestidos por imersão (D, E), e os filmes preparados a partir de co-solução com o aditivo de NH 4 Cl e atmosfera tolueno (a1 a A5) com uma razão que varia de PBI R 2 para MAI de 0,6 a 1.4. Em contraste, as películas witho UT aditivo (H), bem como o revestimento por imersão (d, e) e os soltar-revestidas (B, C) mostram grandes espaços vazios, agulha, ou estruturas semelhantes a grande rugosidade da superfície e, por conseguinte, não são úteis para as aplicações do dispositivo. Figura 1: imagens SEM de filmes perovskita preparados pelos diferentes métodos de processamento. (A1 – a5) Co-solução com aditivo e atmosfera de tolueno com diferente proporção de PBI 2 a MAI (R), (b) deixar de revestimento com 40 s de tempo de carregamento, (c) drop-revestimento com 120 s tempo de carregamento, ( d) revestimento por imersão (10 s tempo de carregamento), revestimento (e) dip (3,600 s tempo de carregamento), (f) co-evaporação, (g) a evaporação sequencial, (h) co-solução sem aditivo. As barras de escala indicam um comprimento de 1 m.tp_upload / 55084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Finalmente, a Figura 1 a1-a5 mostrar variações na proporção de mistura de R PBI 2 a MAI 0,6-1,4 usando a preparação de co-solução com aditivo e atmosfera tolueno. As variações na cobertura de superfície e tamanho show de cristal que aqui também diferentes morfologias filme aparecem. Embora SEM é uma boa ferramenta para visualizar a morfologia e cobertura de filmes finos e para obter uma impressão sobre a rugosidade filme, no entanto nenhuma informação estrutural é dada. Por conseguinte, a fim de melhor caracterizar os filmes de perovskite, utilizou-se difracção de raios-X (DRX). Com esta técnica, usando um Cu K α ânodo (λ = 1,54056 Å) fases de cristal na gama de entre 10 2θ 6; e 40 (tamanho do passo de 0,00836 °) ° foram monitorizados e caracterizado. Em muitas publicações DRX é utilizada para determinar a qualidade dos filmes de perovskite. A Figura 2 mostra as medições de XRD de um subconjunto de amostras com seis diferentes razões de mistura de PBI 2 a MAI, e, portanto, corresponde às imagens de SEM na Figura 1a1-A5. Além disso, o espectro de puro PBI 2 é mostrado. A partir deste, a influência da estequiometria na solução precursora na qualidade das camadas de perovskite, tal como como o aparecimento de diferentes fases, isto é, a incorporação de fases adicionais de PBI e 2 MAI, é investigada. Os espectros apresentam uma estrutura cristalina tetragonal, e as reflexões são indexados com os seus planos cristalinos correspondentes. Surpreendentemente, sem fases adicionais de AMI ou PBI 2 foram observados nos filmes off-estequiométrica. nt "> Figura 2: padrão de XRD de PBI puro 2, bem como amostras de perovskite preparados pelo método de co-solução (com NH 4 Cl e atmosfera tolueno), utilizando diversas proporções molares dos precursores (índices indicados pelos números à direita). Para fins de comparabilidade, as curvas são normalizados para o pico a 14,11 ° e deslocado verticalmente. Reproduzido com permissão de referência 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Como DRX não forneceu informação sobre a composição do filme de raios X espectroscopia de fotoelectrão (XPS) é utilizada, a qual é capaz de medir directamente estequiometria filme. Para esta medição de uma fonte de excitação α Mg K (hv = 1252,6 eV) Com uma energia passe de 10 eV (resolução de Energia = 800 MeV) é usado. Os factores de sensibilidade relativa (RSF) devem ser tidos em conta para cada elemento medidos individualmente. Como tal, é importante para calibrar os RSFS para o nosso sistema de medição (fonte α Mg K, ângulo entre a fonte de raios-X e analisador de 50,0 °). Utilizou-se uma série de pequenas moléculas para calibrar o pico de iodo com tris- (4-iodphenyl) -amina (C 18 H 12 I 3 N), e calibrado através de Pb PBI 2. O carbono é usado como uma referência, tal como com um RSF (C1s) = 1, portanto, os factores RSF para os elementos individuais são; RSF (N1s) = 1,8, RSF (i3d 5/2) = 32,8, e RSF (Pb4f 7/2) = 16,5. A Figura 3 mostra um espectro XPS representante de uma película depositada a vapor, com os picos de nível de núcleo característicos indicados na sub-Figura superior. Nos subfiguras inferiores i3d 5/2 (619,6 eV), N1s (402,7 eV), C1s (286.6eV) e Pb4f 7/2 (138,6 eV) picos são mostrados. Todos os sinais podem ser montados por um único pico misturado Gaussiana / Lorentziana, apenas no caso de um pequeno recurso de iodo em energias de ligação mais elevada é tipicamente observado que é no entanto um pico sacudida e, portanto, não relacionada com um estado de ligação adicional real. Nós somos capazes de extrair a composição do filme relativa de todas as camadas perovskita preparados através da integração sobre a intensidade do sinal e normalizando-lo pelo seu respectivo RSF 16. Em alguns dos filmes, grandes desvios foram encontrados a partir da estequiometria ideal filme C: N: Pb: I de 1: 1: 1: 3; por exemplo, ao marcar o rácio de nitrogênio variou entre 0,4 a 1,5 d. Isto foi especialmente verdadeiro para os filmes depositados a vapor, em que o co-evaporação é difícil de controlar e reproduzir-se. Para as amostras processadas de solução, por outro lado, o real e destina-se razões de mistura do precursor concordou muito bem com a composição da película final determinadode XPS. Figura 3: Espectros de XPS Representante. Acima de uma varredura XPS completo é mostrado, abaixo do close-up XPS medições dos picos integrados são mostrados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. A fim de investigar como essas variações na composição do filme de influenciar a densidade de estados, nós nos voltamos para espectroscopia de fotoelétrons UV (UPS). Para realizar medições UPS, uma lâmpada de descarga de hélio (He I em 21,22 eV, o viés da amostra -8 V) é usado, com uma energia passe de 2 eV, e uma resolução de energia de 110 MeV (conforme determinado a partir da largura borda Fermi). Para todas as amostras, um espectro completo foi medido pela primeira vez, em seguida, utilizando um analisador de abertura maior para aumentar a relação sinal-ruído, uma verificação pormenorizada da resolução mais alta região de VB foi realizada. Na UPS espectros, especificamente a varredura região VB, picos satélites decorrentes da radiação policromática Ele I foram corrigidos para numericamente durante a análise de dados. A Figura 4 mostra as curvas de UPS de o conjunto de dados completo de todas as amostras investigadas, cobrindo ambos os métodos de co-evaporação e sequencial (vermelho claro), bem como o processamento diferente (solução vermelho escuro). Nós só quero salientar que as variações significativas nas energias de ionização (IE) são observados, notável das variações da posição de corte energia de ligação de alta no gráfico da esquerda da Figura 4. Estas mudanças são provocadas por variações na composição processamento e filme e levar a uma tunability do IE entre 5,67 e 6,4 eV. Para uma discussão mais detalhada, consulte a referência 16. jpg "/> Figura 4: scans UPS de um subconjunto representativo das amostras investigadas. Os painéis da esquerda mostram a alta corte de ligação de energia (HBEC) e na região da banda de valência, enquanto o lado direito mostra a alta resolução fim acima do início VB para (linhas vermelhas claras) depositada a vapor e (vermelho escuro processados-solução linhas) filmes perovskita. Todas as curvas de ter sido deslocado ao longo do eixo x, de modo a ser alinhado com a funcionalidade de cerca de 3 eV. Reproduzido com permissão de referência 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Como nós aprendemos de nossas experiências anteriores que perovskita filmes preparados a partir de precursores diferentes proporções de mistura levar a variações na estrutura electrónica, sem perturbar a estrutura cristalina da película, queríamospara investigar o efeito da razão de precursor sobre o desempenho da célula solar. Portanto, ITO / PEDOT: células solares PSS / perovskita / PC 60 BM / Al foram preparados utilizando co-processados solução camadas perovskita (com aditivo e atmosfera tolueno) utilizando rácios de PBI 2 a MAI 0,7-1,2. A Figura 5 mostra o impacto da estequiometria filme (destina razão R) em que as características celulares eficiência de conversão de energia solar (PCE), corrente de curto-circuito (J SC), a tensão de circuito aberto (V OC) e factor de preenchimento (FF). A maior eficiência de 9,6% encontra-se para uma proporção molar de 1,02 destina, isto é, perto da composição ideal perovskita. Figura 5: Os valores característicos de PCE, J SC, V OC, e FF. Estes valores foram extraídos a partir das medições dos dispositivos de células solares independent da razão de mistura R int pretendido de PBI 2 a AMI usado para a preparação filme. Reproduzido com permissão de referência 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.