אנו מציגים מחקר מקיף על ההשפעות של שיטות ייצור שונות עבור שכבות דקות perovskite אורגניות / אורגניות על ידי השוואת מבנים גבישיים, צפיפות מצבים, רמות אנרגיה, ובסופו של דבר ביצוע תאים סולאריים.
perovskites הליד האורגני / אורגני ההיברידי בזמן אחרון היה נושא עניין רב בתחום של יישומי תאים סולריים, עם הפוטנציאל להשיג יעילות מכשיר תעלה טכנולוגיות מכשיר סרט דקות אחרות. עם זאת, שינויים גדולים יעיל מכשיר ותכונות פיזיקליות בסיסיות מדווחים. זאת בשל וריאציות מכוונות במהלך עיבוד סרט, אשר לא נחקרו מספיק עד כה. אנו ולכן ערכנו מחקר מקיף של מורפולוגיה מבנה האלקטרוני של מספר רב של CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite שבו אנו מראים כיצד שיטת ההכנה, כמו גם את יחס הערבוב של educts methylammonium יודיד ועופרת (II) מאפייני השפעה יודיד כמו יצירת סרט, מבנה הגבישי, צפיפות מצבים, רמות אנרגיה, ובסופו של דבר ביצוע תאים סולאריים.
טכנולוגיות פוטו סרט דקות משכו תשומת לב משמעותית במחקר של יישומי תאים סולריים עקב הצריכה ותחולת החומר הנמוכה שלהם על מצעים גמישים. השינוי הבולט ביותר, אורגני / חומרים אורגני perovskite הליד שהוכחו שכבות פעילות קיימא התקני תאים סולריים, שמובילות יעילות גבוהה. Perovskites כולל תכונות יתרון כגון מקדם ספיגה גבוה 1, הספק ניידות תשלום גבוה 2, ו אקסיטון נמוך מחייב אנרגיה 3. ניתן לייצר שכבות perovskite ידי פתרון שונה או שיטות ייצור אדי מבוסס שלב באמצעות חומרים מבשרים בעלות נמוכה כמו עופרת (II) יודיד (PBI 2) ו יודיד methylammonium (MAI). בדרך זו מאפשרת הכנה קלה של סרטי crystallinity גבוהים באמצעות בטמפרטורות ייצור נמוכות לעומת התאים הסולריים סיליקון זמין המסחרי.
זה כבר shown כי מספר פרמטרים יש השפעה חזקה על הביצועים של תאים סולריים perovskite, בעיקר מורפולוגיה הסרט, כפי שהוא משפיע אורך דיפוזיה אקסיטון וניידות נושאי מטען. Nie et al. הראה כי על ידי שיפור המורפולוגיה של סרטי perovskite, לגבי הכיסוי וגודל קריסטל ממוצע, מגדיל ביצוע תאים סולאריים 4, 5. המורפולוגיה הוכחה להיות מושפעת (i) בחירה של מבשר חומר (למשל את השימוש בעופרת תצטט 6), (ii) תוספות מולקולריות (כמו NH 4 Cl) 7, (iii) בחירה של ממס, (iv) תרמית חישול תחת אווירה ממס (כמו טולואן או chlorobenzene 8), ובמיוחד (נ) הבחירה של שיטת ההכנה 9. פתרון המבוסס על תהליכים כמו-צעד אחד או שני שלבי ספין ציפוי תוצאה בתאים סולאריים עם יעילות העולה על 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 בעוד תאים סולריים perovskite שהופקד ואקום להניב יעילות של 15.4% 13.
הוכח כי עודף PBI 2 בשכבות perovskite יש יתרון לביצוע תאים סולריים עקב יתרת הספק משופרת על ידי פסיבציה של הסרט perovskite ידי PBI 2 בבית דגן גבולות 14. עם זאת, העבודה לא נעשה דבר כדי להבין את התפקיד של אפקטים של stoichiometry על חומרים סרט perovskite.
במאמר זה אנו מציגים מחקר מקיף על מגוון רחב של סרטי perovskite מוכנים שונה ולהראות כיצד שיטות הכנות והשפעה וההרכב מבשר את המורפולוגיה, crystallinity, צפיפות מצבים, רכב סרט, וביצועי תאים סולריים. סקירה הוליסטית מוצגת, החל ייצור לצלם characterization כל הדרך עד ביצועי המכשיר.
הראינו כי התנאים עיבוד השפעה מרחיקת לכת על מורפולוגיה הסרט וכיסוי הסרט. זו הסיבה מדוע הרבה קבוצות מחקר לפרסם תוצאות שונות בנוגע לביצועי תאים סולריים ופוטנציאל יינון עבור אותם החומרים perovskite.
כדי להבטיח שחזור, זה קריטי עבור כל שלבי העיבוד ושיטות אפיון להתבצע תחת אווירת אינרטי (או ואקום), כדי למנוע שפלה ידי לחות. כמו כן לטוהר הספק של educts לשחק תפקיד חשוב (שלא נחקר בזאת). ברור כי ואקום שהופקד שכבות perovskite לסרטים עלילתיים גבישים מאוד; עם זאת, לשם השוואה, סרטים מעובד פתרון יכול להיות מפוברק עם תפוקה גבוהה יותר.
במחקר שלנו, באמצעות NH 4 Cl כתוסף הפתרון המבשר ואווירת טולואן בקערת coater הספין ספק את perovskit לשחזור והחלק ביותרסרטי דואר. מצד השני, תהליכי ציפוי מטבל ושחרר להוביל משטחים קשים למדי, ולא נחשבו נוסף ליישום התקן. לבסוף, שכבות מעובד הוואקום כוללות הכוללים בגדלי גביש קטנים (~ 100 ננומטר) אבל עם רמה גבוהה של כיסוי דרך הסרט כולו והמשטחים חלקים יותר. מתוך הסדרה מדגם עם משתנים יחס מבשר, למדנו כי הרכב יש השפעה רבה על עיצוב הסרט גם כן. עם זאת, כאשר בוחנים שכבות אלה עם XRD (איור 2) כל הסרטים מראים רמה גבוהה של crystallinity ומבנה קריסטל tetragonal דומה שמציינים השתקפויות ב 14.11 ° ו 28.14 ° המייצג את (110) ו (220) מטוסים, בעוד שחלק שכבות נראו קצת יותר סדר, אשר ניתן לראות על ידי הופעתו של חלשים (002) ו (004) השתקפויות. עם זאת, לא להרחבה משמעותית של שיא דיפרקציה XRD הוא ציין. מעניין לציין, שיש שום סימן של שלבים נפרדים של PBI 2 ב 12.63 ° הם נמצא, אפילו עבור כמויות גדולות יותר של משולב PBI 2. זה מצביע על כך 2 PBI מאוגדת לא כשלב נפרד או איי nanocrystalline אבל שכן מודעות ביניים לדלל, מה שהופך אותו בלתי מורגש על ידי XRD. לפיכך, השימוש של XRD מוגבל.
מצד השני, XPS מאשרת כי כמויות נוספות של PBI 2 או MAI (תלוי בשיטת הייצור) נוכחים בסרט, ברורות החל הווריאציות ביתרון יחס חנקן. יש מודעות ביניים אלה בתורם השפעה מהותית על המבנה האלקטרוני של הסרט כפי שהוזכר קודם לכן. עכשיו, המשלב את ממצאי XPS עם התצפית של הבדלי אנרגיות יינון נחשפו על ידי UPS מאפשר לנו לתאם שתי התופעות הללו. איור 6 מציג את העלילה משולבת שבם ערך IE הנמדד הוא זמם כפונקציה של רכב הסרט (עופרת יחס חנקן) של הסרט המתאים.
איור 6 "src =" / files / ftp_upload / 55,084 / 55084fig6.jpg "/>
איור 6: שחולץ נקודות מדידה של הנתונים מלאי סט של 40 LMS fi perovskite. תלות של אנרגית היינון על exp R יחס היסודות של היתרון ל תוכן חנקן (כפי שנקבע על ידי XPS); קו מוצק הוא לא fi ליניארי לנתונים ואת קווים מקווקווים לסמן את סטיית התקן של ± 0.12 eV. בתחתית, את השאריות של t fi מוצגות. הודפס מחדש באישור בהפניה 16. זכויות יוצרים 2015 Wiley-VCH. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
אנו מוצאים מתאם ליניארי ברור בין שני ערכים אלה. התוצאות שלנו, ולכן הם מצביעים שסרט perovskite עם MAI העולה מפגין IE יותר, בעוד שכבה עשירה 2 PBI מגדיל את IE. אנחנו מוצאים IE של 6.05 ± 0.10 eVעבור יחס הטוחנת האופטימלי של exp R = 1, שהוא גדול יותר באופן משמעותי את IE המתפרסמת לעתים קרובות של 5.4 eV. פער זה אינו צפוי להיות בגלל תנאי עיבוד, כפי שאנו מוצאים ערך זה עבור מגוון רחב של סרטי perovskite מוכנים בצורה שונה. זה די בשל הבדלי הערכת נתונים שבו הצפיפות לינארית של מצבי מדרון משמשת כאן תוצאות בערכי הודעה גבוהות. דיון מקיף בסוגיה זו ניתן למצוא התייחסות 17. חשוב לציין כי אין אנו מוצאים שינוי bandgap האופטי של הסרטים האלה (ז E = 1.60 ± 0.02 eV, מידע לא מוצג), מה שאומר שזה לא רק שינוי של IE עם יחס משתנה, אבל את אנרגית השפעול (EA) משמרות זמנית.
יעילות התאים הסולריות מקסימלית נמצאו עבור R יחס טוחן של 1.02 (PBI 2 עד MAI) עם יעילות המרת כוח של 9.6% אשר מאשש ממצאים מספרות 14 כי מעטPBI 2 סרטים עשיר כוללים התנהגות הספק משופרת על ידי פסיבציה של הסרט perovskite ידי PBI 2 בבית דגן גבולות. ירידה במתח פתוח מעגל על ידי 200 MeV עם תוכן PBI 2 הגדלה ניתן למצוא. מאז לא חל שינוי bandgap של החומר perovskite מתרחשת, הירידה של OC V לא יכול להיות מוסבר על ידי ירידה מקבילה של הפער פוטו אלא על ידי חסימת חור מספיק על הממשק של perovskite ו PCBM (IE PCBM = 6.2 eV) בשל הגידול perovskite IE. בעת ובעונה אחת את FF עבור R> 1.05 יורד מ 0.8 כדי 0.7 תומך ממצאים אלה.
לסיכום, הצגנו מחקר מקיף של סרטי perovskite שנעשו על ידי מגוון של שיטות כנות ומצאנו כי וריאציות חזקות להתרחש יצירת סרט, מבנה אלקטרוני ואת ביצועי מכשיר. מעניינת במיוחד היא האפשרות להתאים IE של perovskite ידי ההתאגדות מכוונת של MAI or PBI 2 מודעות הביניים אשר ניתן להשתמש בהם עבור אופטימיזציה ממשק בארכיטקטורות מכשיר חדש. מחקרים עתידיים יסתכלו טכניקות הכנות מתקדמות יותר לכוון לעבר אזורי מכשיר גדולים. אלה כוללים שיטות כמו blading רופא, טכניקות ספריי, והדפסה בקנה מידה גדולה המותקנים כעת במתקן שלנו בבית COPT.centre (קופטי = המרכז לטכנולוגיות ייצור אורגניים).
The authors have nothing to disclose.
המחברים מבקשים להודות תמיכה כספית על ידי מדינת נורדריין-וסטפליה באמצעות פרויקט Pero-BOOST (EFRE, קוד פרויקט NW-1-1-040a). תודה ללכת אזר Jahanbakhsh ו אינס שמידט (שניהם מאוניברסיטת קלן) לקבלת סיוע עם ייצור ואפיון של הפתרון 2-צעד שכבות perovskite מעובד, ד"ר יורגן Schelter (אוניברסיטת קלן) לסינתזה של חומר MAI וכן פרופ ' . ד"ר רידל ו נאדה Pourdavoud (שניהם מאוניברסיטת Wuppertal) עבור מדידות XRD.
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 |