Presentamos un extenso estudio sobre los efectos de diferentes métodos de fabricación para las películas orgánico / inorgánico perovskita delgadas mediante la comparación de las estructuras cristalinas, la densidad de estados, niveles de energía, y en última instancia, el rendimiento de la célula solar.
Híbridos perovskitas orgánicos / inorgánicos de haluros han sido últimamente un tema de gran interés en el campo de aplicaciones de células solares, con el potencial de alcanzar eficiencias de dispositivos superiores a otras tecnologías de dispositivos de película delgada. Sin embargo, se presentan grandes variaciones en la eficiencia del dispositivo y las propiedades físicas básicas. Esto es debido a las variaciones involuntarias durante el procesamiento de películas, que no han sido suficientemente investigadas hasta el momento. Por ello, realizó un extenso estudio de la morfología y la estructura electrónica de un gran número de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita donde se muestra cómo el método de preparación, así como la relación de mezcla de yoduro de eductos metilamonio y el plomo (II) propiedades de impacto de yoduro como formación de la película, estructura cristalina, densidad de estados, los niveles de energía, y en última instancia el rendimiento de la célula solar.
tecnologías fotovoltaicas de película delgada han atraído una atención significativa en la investigación de aplicaciones de células solares debido a su bajo consumo de material y aplicabilidad en sustratos flexibles. En particular, los materiales de perovskita de haluro orgánico / inorgánico han demostrado ser capas activas viables en los dispositivos de células solares, lo que lleva a una alta eficiencia. Perovskitas cuentan con propiedades ventajosas tales como coeficiente de absorción alta 1, alta movilidad de los portadores de carga 2, 3 y energía baja unión del excitón. Capas de perovskita pueden ser producidos por diversos solución o métodos de fabricación basado en fase de vapor utilizando materiales precursores de bajo coste como el plomo (II) de yoduro de (PBI 2) y yoduro de metilamonio (MAI). De esta manera permite una fácil preparación de las películas de alta cristalinidad utilizando bajas temperaturas de fabricación en comparación con las células solares de silicio disponible comercialmente.
Ha sido shown que varios parámetros tienen una fuerte influencia en el rendimiento de las células solares de perovskita, más notablemente morfología de la película, ya que influye en la longitud de difusión de excitones y la movilidad del portador de carga. Nie et al. mostró que al mejorar la morfología de las películas de perovskita, con respecto a la cobertura y el tamaño medio de los cristales, el rendimiento de células solares se incrementa 4, 5. La morfología se ha demostrado que ser influenciados por (i) la elección del material precursor (por ejemplo, el uso de acetato de plomo 6), (ii) los aditivos moleculares (como NH 4 Cl) 7, (iii) la elección del disolvente, (iv) térmica recocido en atmósfera de disolvente (como tolueno o clorobenceno 8), y en particular (v) la elección del método de preparación 9. Procesos basados en solución como de un solo paso o el resultado de revestimiento por centrifugación de dos etapas en las células solares con eficiencias superiores a 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 mientras que las células solares de perovskita depositado vacío dió eficiencia de 15,4% 13.
Se ha demostrado que el exceso de PBI 2 en capas de perovskita es ventajoso para el rendimiento de células solares debido a un equilibrio portador mejorado por la pasivación de la película de perovskita por PBI 2 en los límites de grano 14. Sin embargo, poco se ha hecho para entender el papel de los efectos de la estequiometría en materiales de película de perovskita.
En este artículo se presenta un amplio estudio sobre una amplia gama de películas de perovskita preparadas de manera diferente y mostrar cómo los métodos de preparación y la influencia precursor de estequiometría la morfología, cristalinidad, densidad de estados, composición de la película, y el rendimiento de la célula solar. Se presenta una visión general integral, que van desde la fabricación a la película caracterísción hasta el final al rendimiento del dispositivo.
Nos mostró que las condiciones de transformación tienen una influencia significativa en la morfología de la película y la cobertura de la película. Esta es la razón por la cual una gran cantidad de grupos de investigación publicar diferentes resultados en cuanto a rendimiento de la célula solar y el potencial de ionización para los mismos materiales de perovskita.
Con el fin de asegurar la reproducibilidad, es crucial para todas las etapas de procesamiento y los métodos de caracterización que se llevaron a cabo bajo atmósfera inerte (o vacío) para evitar la degradación por la humedad. También la pureza y el proveedor de los productos de partida juegan un papel importante (no investigado en este documento). Está claro que de vacío deposita capas de perovskita incluyen películas altamente cristalinos; sin embargo, en comparación, las películas de la solución procesada se pueden fabricar con un rendimiento más alto.
En nuestro estudio, el uso de NH4Cl como aditivo en la solución de precursor y un ambiente tolueno en el recipiente de centrifugado dispositivo de recubrimiento siempre que el perovskit más reproducible y suavepelículas e. Por otro lado, los procesos de recubrimiento por inmersión y soltar conducen a superficies más rugosas, y no se consideraron más de aplicación del dispositivo. Por último, las capas de procesado de vacío cuentan con tamaños más pequeños de cristal general (~ 100 nm), pero con un alto grado de cobertura a través de toda la película y superficies más lisas. A partir de la serie de muestras con una relación variable precursor, hemos aprendido que la composición tiene una influencia significativa en la formación de la película también. Sin embargo, cuando la investigación de estas capas con XRD (Figura 2) Todas las películas muestran un alto grado de cristalinidad y una estructura de cristal tetragonal similares indicado por reflexiones en 14.11 ° y 28.14 ° que representa los (110) y (220) planos, mientras que algunas de las capas parecían ligeramente más desordenado, que puede ser visto por la aparición de debilidad (002) y (004) reflexiones. Sin embargo, no se observa ninguna ampliación considerable del pico de difracción XRD. Curiosamente, ninguna señal de fases separadas de PBI 2 en 12.63 ° son encontrado, incluso para grandes cantidades en exceso de 2 incorporado PBI. Esto indica que PBI 2 no está incorporado como islas nanocristalinos fase separada o intersticiales pero como diluidas, que hace que sea indetectable por XRD. Por lo tanto, el uso de XRD es limitado.
Por otro lado, XPS confirma que cantidades adicionales de PBI 2 o MAI (dependiendo del método de fabricación) están presentes en la película, como se desprende de las variaciones en el plomo a la proporción de nitrógeno. Estos intersticiales, a su vez tienen una influencia significativa en la estructura electrónica de la película como se ha mencionado antes. Ahora, la combinación de los resultados de XPS con la observación de las diferencias en las energías de ionización revelados por UPS nos permite correlacionar estos dos fenómenos. La Figura 6 muestra el gráfico combinado donde el valor IE medido se representa como una función de la composición de la película (plomo a la proporción de nitrógeno) de la película correspondiente.
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Figura 6: Extraído puntos de medición para los conjunto completo de datos de 40 películas de perovskita. Dependencia de la energía de ionización en la elemental exp relación R de la diferencia a contenido de nitrógeno (como se determina por XPS); la línea continua es un fi lineal t a los datos y las líneas discontinuas marcan la desviación estándar de ± 0,12 eV. En la parte inferior, se muestran los residuos de la fi cio. Reproducido con permiso de la referencia 16. Derechos de autor 2015 Wiley-VCH. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Encontramos una correlación lineal clara entre estos dos valores. Nuestros resultados, por lo tanto, indican que una película de perovskita con AMI en exceso IE exhibe una inferior, mientras que una capa rica PBI 2 aumenta la IE. Nos encontramos con un IE de 6,05 ± 0,10 eVpara la relación molar óptima de R exp = 1, que es considerablemente más grande que el IE menudo publicada de 5,4 eV. Esta discrepancia no es probable que sea debido a las condiciones de procesamiento, como lo encontramos este valor para una variedad de películas de perovskita preparadas de manera diferente. Es más bien debido a diferencias en la evaluación de datos, donde la densidad lineal de los estados de la pendiente se utiliza aquí se traduce en valores de lectura más elevados. Una extensa discusión sobre este tema se puede encontrar en la referencia 17. Es importante señalar que no encontramos ningún cambio en el intervalo de banda óptica de estas películas (E g = 1,60 ± 0,02 eV, datos no presentados), lo que significa que es no sólo un cambio de IE con relación variable, pero la energía de activación (EA) se desplaza simultáneamente.
La máxima eficiencia de células solares se encontró para una relación molar R de 1,02 (PBI 2 a MAI) con una eficiencia de conversión de potencia de 9,6%, lo que confirma los resultados de la literatura 14 que ligeramentePBI 2 películas ricas cuentan con un comportamiento mejorado soporte por pasivación de la película perovskita por PBI 2 en los bordes de grano. Una disminución de la tensión en circuito abierto en 200 meV al aumentar el contenido de PBI 2 se puede encontrar. Dado que no hay cambio en el intervalo de banda del material de perovskita se produce, la disminución de V OC no puede ser explicado por una disminución concomitante de la brecha fotovoltaico sino más bien por insuficiente bloqueo agujero en la interfaz de perovskita y PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) debido a el aumento de la perovskita IE. Simultáneamente, el FF para r> 1,05 disminuye 0,8 a 0,7, que es compatible con estos hallazgos.
En conclusión, hemos presentado un estudio extenso de películas perovskita realizados por una variedad de métodos de preparación y encontramos que las variaciones fuertes se producen en la formación de película, estructura electrónica y el rendimiento del dispositivo. De particular interés es la posibilidad de ajustar el IE de perovskita mediante la incorporación intencional de AMI or PBI 2 intersticiales que pueden utilizarse para la optimización de la interfaz en nuevas arquitecturas de dispositivos. Los estudios futuros se verá en las técnicas de preparación más avanzados que apuntan hacia las áreas de dispositivos más grandes. Estos incluyen métodos como la rasqueta, técnicas de pulverización, y la impresión a gran escala que están actualmente instalados en nuestras instalaciones en el COPT.centre (CPOT = centro de tecnologías de producción orgánica).
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer el apoyo financiero por parte del Estado de Renania del Norte-Westfalia a través del proyecto pero-BOOST (EFRE, código de proyecto NW-1-1-040a). Nuestro agradecimiento a Azar Jahanbakhsh e Inés Schmidt (ambos de la Universidad de Colonia) para obtener ayuda con la fabricación y caracterización de la solución de 2 pasos capas perovskita procesados, el Dr. Jürgen Schelter (Universidad de Colonia) para la síntesis del material AMI, así como el profesor . Dr. Riedl y Neda Pourdavoud (ambos de la Universidad de Wuppertal) para las mediciones de 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 |