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

Inverkan av Hybrid perovskit tillverkningsmetoder på filmbildning, elektronstruktur och solceller Prestanda

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

Summary

Vi presenterar en omfattande studie om effekterna av olika tillverkningsmetoder för organiska / oorganiska perovskit tunna filmer genom att jämföra kristallstrukturer, tillståndstäthet, energinivåer, och i slutändan solcellen prestanda.

Abstract

Hybrid organiska / oorganiska halogenlampor perovskiter har nyligen varit ett ämne av stort intresse när det gäller solcellstillämpningar, med potential att uppnå enhetseffektivitet som överskrider andra tunna teknik film enhet. Ändå är stora variationer i enheten effektivitet och grundläggande fysikaliska egenskaper rapporterats. Detta beror på oavsiktliga variationer under filmbearbetning, som inte har undersökts tillräckligt hittills. Vi har därför gjort en omfattande studie av morfologin och elektroniska strukturen av ett stort antal CH 3 NH3 PBI 3 perovskit där vi visar hur framställningsmetoden samt blandningsförhållandet educts metylammonium jodid och bly (II) jodid slagegenskaper som filmbildning, kristallstruktur, tillståndstäthet, energinivåer, och i slutändan solcellen prestanda.

Introduction

Tunnfilmssolcellsteknik har rönt stor uppmärksamhet i forskningen av solcellstillämpningar på grund av deras låga materialåtgång och tillämpbarhet på flexibla substrat. Framför allt har organisk / oorganisk halid perovskitmaterial visat sig vara livskraftiga aktiva skikt i solcellsanordningar, vilket leder till hög verkningsgrad. Perovskiter har fördelaktiga egenskaper såsom hög absorptionskoefficient en hög laddningsbärare rörlighet 2, och låg excitoner bindningsenergin 3. Perovskit skikt kan framställas genom diverse lösning eller ångfas baserade fabrikationsmetoder med användning av låga prekursormaterial kostnads som bly (II) jodid (PBI 2) och metylammonium jodid (MAI). Detta sätt möjliggör en enkel framställning av hög kristallinitet filmer med hjälp av låga tillverkningstemperaturer jämfört med de kommersiellt tillgängliga kiselsolceller.

Det har varit shown att flera parametrar har ett starkt inflytande på resultatet av perovskit solceller, främst film morfologi, eftersom det påverkar exciton diffusion längd och laddningsbärare rörlighet. Nie et al. visade att genom att förbättra morfologin av perovskit filmer om täckning och medelkristallstorlek, solcellen prestandaökningar 4, 5. Morfologin har visat sig påverkas av (i) val av utgångsmaterial (t.ex. användning av blyacetat 6), (ii) molekyl tillsatser (som NH4CI) 7, (iii) val av lösningsmedel, (iv) termisk glödgning enligt lösningsmedels atmosfär (såsom toluen eller klorbensen 8), och i synnerhet (v) val av framställningsmetoden 9. Lösningsbaserade processer som en enstegs- eller två-stegsspinnbeläggning resulterar i solceller med effektiviteter som överstiger 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 medan vakuum deponeras perovskit solceller ger effektivitet på 15,4% 13.

Det har visats att överskott PBI 2 i perovskit skikt är fördelaktigt för solcell prestanda på grund av en förbättrad bärare balansen genom passivering av perovskit filmen genom PBI 2 vid korngränserna 14. Emellertid har lite arbete gjorts för att förstå vilken roll av effekterna av stökiometri på perovskit filmmaterial.

I denna uppsats presenterar vi en omfattande studie på ett brett spektrum av olika beredda perovskit filmer och visar hur de framställningsmetoder och föregångare stökiometri påverka morfologin, kristallinitet, tillståndstäthet, filmkompositionen, och solcell prestanda. En helhetssyn presenteras, från tillverkning till film kännetionen hela vägen till enhetens prestanda.

Protocol

1. ITO Substrat OBS: För en förbättrad prov kontakt och för att undvika kortslutning av enheter, de ITO belagda glassubstrat måste mönstras med hjälp av litografi och etsning. Överlappningen av övre och nedre elektroden definierar den aktiva arean av de producerade solcellerna. Skär indiumtennoxid (ITO) belagda glasplattan med en glasskärare för att ge 2,5 cm gånger 2,5 cm substrat. Limma en cirkulär formad etikett (diameter = 1,6 cm) i centrum av en ITO täckt substrat. Etsa ITO genom att placera substraten i en klorväte 1 M FeCl3-lösning vid 60 ° C under 10 min. Rengöra substraten och ordning med kloroform, aceton och tvållösning (2%) i ett ultraljudsbad. Skölj en gång med destillerat vatten och torka under N2-flöde. 2. Ozonbehandling av ITO-substrat OBS: För att avlägsna organiska föroreningar, than ITO substrat måste ozoniseras. Detta aktiverar oxidiska ytan och ökar de vätande egenskaperna hos substratet, vilket är avgörande för den reproducerbara avsättning av de efterföljande skikten. Mount ITO substrat på en provhållare och placera det i en ozonkammare. Lyser i 10 min under (atmosfäriskt) syre med en ultraviolett lampa (20 W) som genererar ozon. 3. Deponering av PEDOT: PSS Hole samlande Kontakt ANMÄRKNING: En film av poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) deponeras genom spinnbeläggning från en vattensuspension under omgivande betingelser (25 till 40% relativ fuktighet). Detta skikt används som ett hål uppsamlings kontakt och har en hög arbetsfunktion, minskar porer, och leder till en ökad reproducerbarhet av anordningar. Placera 150 mikroliter av PEDOT: PSS i vattensuspension (1,5%) med en spruta på substratet efter filtrering through ett 0,45 pm filter. Spin päls med hjälp av en rotationshastighet på 2500 varv per minut under 25 sekunder, följt direkt av 4000 rpm under 5 s med en acceleration av 4000 rpm / s vardera. Detta förfarande leder till 40 till 45 nm tjockt PEDOT: PSS filmer. Avlägsna kvarvarande vatten från filmen genom att termiskt glödgning substraten på en värmeplatta vid 150 ° C under 10 min i luft. 4. Deponering av perovskit lager Varning: Bly jodid (PBI 2) är mycket giftiga för människor. Även små mängder är extremt farligt för nervös, hematopoetiska, njur- och leversystem. Handtag leda innehållande lösningar med omsorg. OBS! Perovskit filmer undersökta hela detta dokument framställs genom fem olika metoder med användning av PBI 2 och CH 3 NH 3 I (MAI) som utgångsmaterial. För att undvika nedbrytning 15, tillverkning av filmerna och anordningarna och deras karakterisering har till be utfördes under inert atmosfär, t ex i en N2 fylld handskfack (lösning bearbetning) eller under vakuum (ångdeponering). lösning bearbetning sekventiell deponering Placera substratet på spinnbeläggare och släppa 150 mikroliter PBI 2 löstes i N, N-dimetylformamid, DMF (400 mg / ml) med en pipett på substratet. Spin coat omedelbart vid 3000 rpm under 30 s. Dip PBI 2 filmer i MAI löstes i isopropanol (10 mg / ml) under 40 s eller droppe MAI lösning på den torkade PBI 2 film och lämnar där i 40 s. Spin coat återstående MAI lösningen vid 3000 rpm under 30 s av substratet. Värme under 15 minuter vid 100 ° C genom att placera substratet på en värmeplatta. Co-lösning: Upplösa både PBi 2 och MAI i det önskade förhållandet (idealt 1: 1 molförhållande) i DMF för bildning av en prekursor-lösning med en koncentration av 250 mg/ ML. Rör om prekursorlösning vid 50 ° C under minst 5 h. Förvärma substrat täckt med PEDOT: PSS vid 50 ° C under 5 min på en värmeplatta. För att garantera en ökad reproducerbarhet under hela en anordning serien, skapar en toluen atmosfär genom att droppa en liten mängd av lösningsmedlet (200 mikroliter) inuti spinnbeläggare skål medan spinnbeläggning perovskit skiktet. Placera 150 mikroliter prekursorlösning (från 4.1.2.1) på substratet. Spin coat perovskit skikt vid 3000 rpm under 30 s från denna prekursorlösningen. Spin päls ett skikt av perovskit material per substrat. Värm de resulterande perovskit skikten under 30 s vid 110 ° C på en värmeplatta. Molekyl Tillsats: Co-upplösa NH4CI (18-20 mg / ml) i spinnbeläggningslösning (som beskrivs i 4.1.2.1) för att säkerställa en bättre filmbildning. Gör som ovan. OBS: Detta är ett alternativ till tillsatsen av co-solution från 4.1.2. vakuumavsättning Allmänt förfarande Fyll de rengjorda substraten in i vakuumsystemet och evakuera. Efter ett tryck av 10 -7 mbar har uppnåtts, överförings prover in i förångningskammaren och avskärma det från de indunstningar källor med en slutare. Värm de två källorna som innehåller material föregångare till cirka 330 ° C för PBI 2 och 140 ° C för MAI. Var medveten om att trycket i kammaren kommer att stiga till cirka 10 -4 mbar på grund av den flyktiga naturen av MAI. Kalibrera avdunstningshastigheter för de två materialen med hjälp av en kvartskristall monitor (QCM) placerad nära källan, medan den andra är i provposition. Värm materialet till en förångningstemperatur och samtidigt skriva ner respektive tjocklekar som visas på båda QCMs. Beräkna verktygsfaktorn genom förhållandetav de två värdena. För beräkning tjockleken använda 6,16 och 1,23 g / cm -3 för PBI 2 och MAI, respektive. Samtidig indunstning Justera hastigheterna av PBI 2 till MAI till ca 1: 2 genom ökning eller minskning av temperaturen hos källorna för att uppnå ett stökiometriskt korrekt perovskit film. Öppna slutaren framför provet för att starta avsättningen. Efter den avsedda tjockleken har uppnåtts, stänger luckan och sväng av uppvärmningen av källorna. Värm filmerna för en timme vid 70 ° C inne i vakuumkammaren för att avlägsna flyktiga föreningar och fullständig filmbildning. sekventiell förångning Sänk temperaturen i MAI källan igen under punkten för avdunstning (ca 100 ° C.) Och värm upp PBI 2 källa tills avdunstning startar; deponera 50 nm ren PBI 2. Efteråt svalna PBI 2källa och avdunsta 50 nm MAI likaså. För större tjocklekar upprepar steg 4.2.3.1 och 4.2.3.2 alternativt. Värm filmerna för en timme vid 70 ° C inne i vakuumkammaren för att avlägsna flyktiga föreningar och fullständig filmbildning. 5. Framställning av solceller Upplösa acceptor fenyl-C 60 -smörsyra-metylester (PC 60 BM) i klorbensen vid en koncentration av 20 mg / ml och rör om i minst en dag på en värmeplatta vid 50 ° C. Förbered perovskit lagret (co-lösningsförfarande med tillsats) som visas före (se 4.1.3.). Kyl ner de uppvärmda perovskit lager för 30 s på en metallplatta till rumstemperatur. Placera 150 mikroliter av PC 60 BM lösningen på substratet Spin coat PC 60 BM vid 2000 rpm under 30 s på toppen av perovskit filmen vilket resulterar i 50 nm tjocka skikt. Placera helt belagda substrati en provhållare och täcker med en skuggmask för att förånga kontakter på toppen av de aktiva skikten. Skrapa en av kontakterna med en skalpell för att etablera kontakt med ITO anod. Överföra i en vakuumkammare för avsättning av katodtoppkontakt. Deposition 10 nm aluminium vid ett maximalt tryck av p = 3 x 10 -6 mbar med en hastighet av 0,5 A / S, mätt med en kvartskristall monitor. Efter den första 10 nm kan ökas den hastighet upp till 2,5 Å / s tills en skikttjocklek av 100 nm har nåtts. Utför strömtätheten kontra spänning (JV) mätningar av solcellerna med hjälp av en källa mätenhet i spänningsområdet på -0,5 till 1,5 V (steg = 0,02 V). Att säkerställa att ingen hysteres förekommer i JV egenskaper, mäta den omvända avsökningsriktningen också, genom svepning av förspänningen från 1,5 till -0,5 V samt. Använd en solsimulator (100 mW cm) kalibreras med hjälp av en certifierad kiselfotodiod. </ol>

Representative Results

För att få en helhetsbild över de olika tillverkningsmetoderna för perovskit filmer, är det viktigt att kombinera strukturella, elektronisk, och anordning karakterisering. Svepelektronmikroskopi (SEM) ger ett gott intryck av morfologi. Följaktligen betraktades alla filmer som producerats av de olika tillverkningsmetoder undersökts. En representativ delmängd av perovskit tunna filmer visas i figur 1, som visualiserar det betydande inflytandet av framställningsmetoden på filmen morfologi. Idealt är ett smidigt och tapp-hål fri film som önskas för enheter. Såsom kan ses, är detta fallet för de ångavsatta filmer (F, G), DIP belagda ettor (d, e), och filmerna framställda från sam-lösning med tillsatsen NH4CI och toluen atmosfär (a1 till A5) med en varierande förhållande R PBI 2 till MAI av 0,6-1,4. Däremot filmerna witho UT tillsats (h), samt doppbelades (d, e) och släpp-belagda ettor (b, c) visar stora hålrum, nålliknande strukturer, eller stor ytjämnhet och är därför inte användbara för applikationer enhet. Figur 1: SEM bilder av perovskit filmer framställda av de olika bearbetningsmetoder. (A1 – a5) Co-lösning med tillsats och toluen atmosfär med olika förhållande mellan PBI 2 till MAI (R), (b) drop-beläggning med 40 s laddningstid, (c) drop-beläggning med 120 s laddningstid, ( d) doppbeläggning (10 s laddningstid), (e) doppbeläggning (3600 s laddningstid), (f) co-indunstning (g) sekventiell förångning, (h) co-lösning utan tillsats. Skal staplar indikerar en längd av 1 | im.tp_upload / 55.084 / 55084fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra. Slutligen, Figur 1 a1-a5 visar variationer i blandningsförhållandet R PBI 2 till MAI 0,6-1,4 med hjälp av co-lösning beredning med tillsats och toluen atmosfär. Variationerna i täckningen yta och kristallstorlek visar att här liksom olika film morfologier visas. Även SEM är ett bra verktyg för att visualisera morfologi och täckning av tunna filmer och för att få ett intryck på film grovhet, är dock ingen strukturell information ges. Därför, för att ytterligare karakterisera de perovskit filmer, var röntgendiffraktion (XRD) användes. Med denna teknik med hjälp av en Cu K α anod (λ = 1,54056 Å) kristallfaser i området 2θ mellan 10 6; och 40 ° (stegstorlek av 0,00836 °) övervakades och karakteriserades. I många publikationer XRD används för att bestämma kvaliteten på perovskit-filmer. Figur 2 visar XRD mätningar av en delmängd av prov med sex olika blandningsförhållanden av PBI 2 till MAI, och därför motsvarar de SEM-bilder i figur 1a1-A5. Dessutom är det spektrum av ren PBI 2 visas. Från detta, påverkan av stökiometrin i prekursorlösningen på kvaliteten på de perovskit skikt, såsom till exempel uppkomsten av olika faser, dvs införlivandet av ytterligare faser av PBI 2 och MAI, undersöks. De spektra visar en tetragonal kristallstruktur, och reflektionerna är indexerade med deras motsvarande kristallplan. Överraskande, har inga ytterligare faser av MAI eller PBI 2 observerades i off-stökiometriska filmer. nt "> Figur 2: XRD mönster av ren PBI 2 samt perovskit prover framställda av co-lösningsmetod (med NH4CI och toluen atmosfär) med olika molförhållanden av föregångarna (grader ges av siffrorna till höger). För jämförbarhet är kurvorna normaliseras till toppen vid 14,11 ° och flyttas vertikalt. Återgivet med tillstånd från referens 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Som XRD inte ge information om sammansättningen av filmen, är röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) som används, vilket kan direkt mäta film stökiometri. För denna mätning en Mg K α exciteringskälla (hv = 1252,6 eV) Med ett pass energi av 10 eV (Energi upplösning = 800 meV) används. De relativa känslighetsfaktorer (RSF) måste beaktas för varje individuellt uppmätta element. Som sådan är det viktigt att kalibrera RSFs för våra mätsystem (Mg K α källa, vinkeln mellan röntgenkällan och analysatorn 50,0 °). Vi använde ett antal små molekyler för att kalibrera jod topp med Tris (4-iodphenyl) -amin (C 18 H 12 I 3 N) och kalibreras Pb via PBI 2. Kol användes som en referens, som sådana med en RSF (C1s) = 1, därför, de RSF faktorerna för de enskilda elementen är; RSF (N1s) = 1,8, RSF (I3D 5/2) = 32,8, och RSF (Pb4f 7/2) = 16,5. Figur 3 visar ett representativt XPS spektrum av en ångavsatt film, med de karakteristiska kärnnivåtoppar anges i övre under siffra. I de lägre subfigures I3D 5/2 (619,6 eV), N1s (402,7 eV), C1s (286.6eV), och Pb4f 7/2 (138.6 eV) toppar visas. Alla signaler kan monteras av en enda blandad Gauss / Lorentz topp, bara i fallet med jod en liten funktion vid högre bindningsenergier typiskt observeras som är dock en uppryckning topp och därför inte är relaterade till en faktisk ytterligare bindning tillstånd. Vi har möjlighet att extrahera den relativa film sammansättningen av alla beredda perovskit lager genom att integrera över signalstyrka och normalisera det genom deras respektive RSF 16. I några av filmerna har stora avvikelser hittades från den ideala filmen stökiometri C: N: Pb: I 1: 1: 1: 3; t.ex. leda till kväveförhållande varierade mellan 0,4 en d 1,5. Detta var speciellt sant för de ångavsatt filmer, där samavdunstning är svårt att kontrollera och reproducera. För lösningen bearbetas prover, å andra sidan, den verkliga och avsedda blandningsförhållanden av prekursorn stämde mycket väl överens med den slutliga filmen sammansättning bestämdfrån XPS. Figur 3: Representant XPS-spektra. Ovanför en fullständig XPS scan visas nedanför närbild XPS mätningar av integrerade toppar visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra. För att undersöka hur dessa variationer i filmkomposition påverka tillståndstäthet, vände vi oss till UV fotoelektronspektroskopi (UPS). För att utföra UPS mätningar, en heliumurladdningslampa (han jag på 21,22 eV, prov förspänning -8 V) används, med en 2 eV pass energi, och en 110 meV energiupplösning (bestämd från kant bredd Fermi). För alla prover var ett fullt spektrum först mäts sedan använda en högre analysator öppning för att öka signalbrusförhållandet, en detaljerad högre upplösning genomsökning av VB-regionen utfördes. I UPS-spektra, särskilt regionen scan VB har satellittoppar till följd av polykromatiska Han I strålning korrigerat för numeriskt under dataanalys. Figur 4 visar UPS kurvor av den fullständiga datauppsättningen av alla undersökta prover, som omfattar både samtidig och sekventiell avdunstning (ljusröd) samt annan lösning bearbetning (mörkröd) metoder. Vi vill bara understryka att betydande variationer i jonisering energier (IE) observeras, anmärkningsvärt från de variationer i hög bindningsenergi cutoff läge i den vänstra tomt på figur 4. Dessa förändringar till följd av variationer i bearbetning och film sammansättning och leda till en avstämbarhet av IE mellan 5,67 och 6,4 eV. För en mer detaljerad diskussion, se referens 16. jpg "/> Figur 4: UPS skanningar av en representativ delmängd av de undersökta proverna. Den vänstra panelen visar hög bindningsenergi cutoff (HBEC) och valensbandet regionen, medan den högra sidan visar den höga upplösningen närbild av VB debut för ångavsatt (ljusa röda linjer) och lösnings bearbetas (mörkröd linjer) perovskit filmer. Alla kurvor har förskjutits längs x -axeln för att anpassas till funktionen på runt 3 eV. Återgivet med tillstånd från referens 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Som vi lärt oss från våra tidigare experiment som perovskit filmer framställda från olika prekursor blandningsförhållanden leder till variationer i elektronisk struktur utan att störa kristallstrukturen av filmen, vi villeatt undersöka effekten av prekursor förhållande på solcellen prestanda. Därför ITO / PEDOT: var PSS / perovskit / PC 60 BM / Al solceller ställas med användning av sam-lösnings bearbetad perovskit skikt (med tillsats och toluen atmosfär) med hjälp av förhållanden mellan PBI 2 till MAI 0,7-1,2. Figur 5 visar effekten av film stökiometri (avsedd förhållandet R) på solcellsegenskaper effektivitet kraftomvandling (PCE), kortslutningsström (J SC), tomgångsspänning (V OC) och fyll faktor (FF). Den högsta verkningsgrad på 9,6% finns för en planerad molförhållande av 1,02, dvs nära den ideala perovskit kompositionen. Figur 5: Karakteristiska värden för PCE, J SC, V OC, och FF. Dessa värden extraherades från mätningarna av solcellen anordningar independent av den avsedda blandningsförhållandet R int av PBI 2 till MAI används för filmen beredningen. Återgivet med tillstånd från referens 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Vi visade att bearbetningsförhållandena har ett betydande inflytande på filmen morfologi och film täckning. Detta är anledningen till att en hel del forskargrupper publicera olika resultat när det gäller solcells prestanda och jonisering potential för samma perovskitmaterial.

I syfte att säkerställa reproducerbarhet, är det avgörande för alla processteg och karakteriseringsmetoder som skall utföras under inert atmosfär (eller vakuum) för att undvika nedbrytning genom fukt. Även renheten och säljare av de educts spela en viktig roll (undersöktes inte häri). Det är uppenbart att vakuumdeponerat perovskit skikt har högkristallina filmer; emellertid i jämförelse, lösnings bearbetade filmer kan tillverkas med en högre genomströmning.

I vår studie med användning av NH4CI som tillsats i prekursorlösningen och en toluen atmosfär i spinnbeläggare skål gav den mest reproducerbara och smidig perovskite filmer. Å andra sidan, dopp och släpp beläggningsprocesser leder till ganska grova ytor, och inte ytterligare övervägas för enheten ansökan. Slutligen vakuum bearbetade lagren har totalt mindre kristallstorlekar (~ 100 nm) men med en hög grad av täckning genom hela filmen och jämnare ytor. Från provserie med varierande föregångare förhållande, fick vi veta att kompositionen har ett betydande inflytande på filmbildning samt. Men när man undersöker dessa skikt med XRD (Figur 2) alla filmer uppvisar en hög grad av kristallinitet och liknande tetragonal kristallstruktur anges med reflektioner vid 14,11 ° och 28,14 ° representerar (110) och (220) plan, medan en del av den skikt verkade lite mer oordnade, vilket kan ses genom uppkomsten av svaga (002) och (004) reflektioner. Emellertid är ingen signifikant breddning av XRD diffraktionstoppen observeras. Intressant inga tecken på separata faser av PBI 2 vid 12,63 ° är hittas även för större överskottsmängder av införlivad PBI 2. Detta tyder på att PBI 2 inkorporeras inte som en separat fas eller nanokristallina öar men som utspädda mellansides, vilket gör det inte kan påvisas med XRD. Således är begränsad användning av XRD.

Å andra sidan, bekräftar XPS att ytterligare mängder av PBI två eller MAI (beroende på tillverkningsmetoden) förekommer i filmen, som framgår av variationerna i ledningen till kväveförhållande. Dessa mellansides i sin tur ha en betydande inverkan på den elektroniska strukturen hos filmen såsom nämnts tidigare. Nu kombinerar resultaten från XPS med observationen av skillnader i jonisering energier avslöjas av UPS ger oss möjlighet att korrelera dessa två fenomen. Figur 6 visar den kombinerade tomt där det uppmätta IE värde plottas som en funktion av filmkompositionen (bly till kväve-förhållande) av motsvarande film.

Figur 6 "src =" / filer / ftp_upload / 55.084 / 55084fig6.jpg "/>
Figur 6: Extraherade mätpunkter för hela datamängden av 40 perovskit fi lmer. Beroende av jonisering energi på det elementära förhållandet R exp av ledningen till kvävehalten (bestämt med XPS); den heldragna linjen är en linjär fi t till data och de streckade linjerna markerar standardavvikelse på ± 0,12 eV. Längst ner, är rester av det fi t visas. Återgivet med tillstånd från referens 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Vi finner en klar linjär korrelation mellan dessa två värden. Våra resultat indikerar därför att en perovskit film med MAI i överskott uppvisar en lägre IE, medan en PBI två rikt skikt ökar IE. Vi finner en IE av 6,05 ± 0,10 eVför det optimala molförhållandet mellan R exp = 1, vilket är avsevärt större än den ofta publicerade IE i 5,4 eV. Denna skillnad är inte sannolikt att bero på processbetingelser, vi hittar detta värde för en mängd olika olika förberedda perovskit filmer. Det är snarare beror på skillnader i datautvärdering där den linjära tillståndstäthet lutning används här resulterar i högre avläsningsvärden. En omfattande diskussion om denna fråga kan hittas i referens 17. Det är viktigt att notera att vi finner ingen förändring i den optiska bandgap av dessa filmer (E g = 1,60 ± 0,02 eV, data visas ej), vilket innebär att det inte bara är en förskjutning av IE med varierande förhållande, men aktiveringsenergin (EA) skiftar samtidigt.

Den maximala solcell effektivitet konstaterades för ett molförhållande R 1,02 (PBI 2 till MAI) med en verkningsgrad på 9,6% Power Conversion som bekräftar resultaten från litteraturen 14 som är någotPBI 2 rika filmer har en förbättrad bärare beteende genom passivering av perovskit filmen genom PBI 2 vid korngränserna. En minskning i tomgångsspänning av 200 meV med ökande PBI 2 innehåll kan hittas. Eftersom ingen förändring av bandgapet av perovskit material inträffar, minskningen av V OC kan inte förklaras av en samtidig minskning av det fotoelektriska gapet utan snarare av otillräcklig hål blockering vid gränsytan mellan perovskit och PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) på grund av ökningen av perovskit IE. Samtidigt FF för R> 1,05 minskar från 0,8 till 0,7, som stöder dessa slutsatser.

Avslutningsvis presenterade vi en omfattande undersökning av perovskit filmer gjorda av en mängd olika framställningsmetoder och funnit att kraftiga variationer förekommer i filmbildning, elektronstruktur och enhetens prestanda. Av särskilt intresse är möjligheten att justera IE i perovskit genom avsiktlig inkorporering av MAI or PBI 2 sides som kan användas för gränssnitt optimering i nya enhetsarkitekturer. Framtida studier kommer att titta på mer avancerade framställningstekniker som syftar till större enheter områden. Dessa inkluderar metoder som läkare skridskoåkning, sprutteknik, och storskalig utskrift som för närvarande är installerade i vår anläggning på COPT.centre (COPT = center för ekologiska produktionsteknologier).

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill tacka för finansiellt stöd från delstaten Nordrhein-Westfalen genom projektet PERO-boost (EFRE, projektkoden NW-1-1-040a). Tack till Azar Jahanbakhsh och Ines Schmidt (både universitetet i Köln) för att få hjälp med tillverkning och karakterisering av två-stegs-lösning bearbetade perovskit skikt, Dr. Jürgen Schelter (universitetet i Köln) för syntes av MAI material samt Prof . Dr. Riedl och Neda Pourdavoud (både University of Wuppertal) för mätningarna XRD.

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