Vi presentiamo un ampio studio sugli effetti dei diversi metodi di fabbricazione di film sottili inorganici organici / perovskite confrontando strutture cristalline, densità degli stati, i livelli di energia, e in ultima analisi, le prestazioni delle celle solari.
Hybrid / perovskiti alogenuri inorganici organici sono stati ultimamente un argomento di grande interesse nel campo delle applicazioni delle celle solari, con la possibilità di raggiungere efficienze di dispositivi che superano le altre tecnologie di dispositivi a film sottile. Tuttavia, presentate grandi variazioni di efficienza del dispositivo e le proprietà fisiche di base. Ciò è dovuto a variazioni accidentali durante la lavorazione del film, che non sono stati sufficientemente studiati finora. Abbiamo quindi condotto un ampio studio della morfologia e struttura elettronica di un gran numero di CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite cui si mostra come il metodo di preparazione, nonché il rapporto di miscelazione di educts ioduro e piombo (II) proprietà di resistenza all'urto di ioduro come formazione del film, struttura cristallina, densità degli stati, i livelli di energia, e, infine, le prestazioni delle celle solari.
tecnologie fotovoltaici a film sottile hanno attirato una notevole attenzione nella ricerca di applicazioni di celle solari a causa del loro consumo di materiale a bassa e l'applicabilità su substrati flessibili. Più in particolare, organici / inorganici di alogenuri materiali perovskite hanno dimostrato di essere strati attivi vitali nei dispositivi a celle solari, portando a rendimenti elevati. Perovskiti presentano proprietà vantaggiose come l'elevata coefficiente di assorbimento 1, alta carica vettore di mobilità 2 e bassa eccitone energia 3 vincolante. Strati perovskite possono essere prodotte da vari soluzione o metodi di fabbricazione di fase basato vapore utilizzando materiali a basso costo precursori come piombo (II) ioduro (PBI 2) e ioduro (MAI). In questo modo permette una facile preparazione di pellicole elevata cristallinità utilizzando basse temperature di fabbricazione rispetto alle celle solari disponibili in commercio silicio.
È stato shown che diversi parametri hanno una forte influenza sulle prestazioni delle celle solari perovskite, in particolare film di morfologia, in quanto influenza lunghezza di diffusione eccitone e mobilità dei portatori di carica. Nie et al. ha dimostrato che migliorando la morfologia del film perovskite, per quanto riguarda la copertura e la dimensione media di cristallo, le prestazioni delle celle solari aumenta 4, 5. La morfologia ha dimostrato di essere influenzato da (i) scelta del materiale precursore (ad esempio l'uso di acetato di piombo 6), (ii) additivi molecolari (come NH 4 Cl) 7, (iii) scelta del solvente, (iv) termica ricottura in atmosfera solvente (come toluene o clorobenzene 8), e in particolare (v) la scelta del metodo di preparazione 9. Processi di soluzione basata su come un'unica fase o in due fasi risultato spin coating nelle celle solari con efficienze superiori al 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12 mentre le celle solari perovskite depositato sotto vuoto cedere efficienze del 15,4% 13.
E 'stato dimostrato che l'eccesso PBI 2 in strati perovskite è vantaggioso per le prestazioni delle celle solari a causa di un migliore equilibrio vettore da passivazione del film perovskite dalla PBI 2 sulla superficie dei grani 14. Tuttavia, poco è stato fatto per capire il ruolo degli effetti di stechiometria sui materiali a film perovskite.
In questo articolo presentiamo un ampio studio su una vasta gamma di film perovskite diversamente preparati e mostrare come i metodi di preparazione e l'influenza precursore stechiometria la morfologia, cristallinità, densità degli stati, la composizione film, e le prestazioni delle celle solari. Una panoramica olistica è presentato, che vanno dalla fabbricazione al cinema carattezione fino prestazioni del dispositivo.
Abbiamo dimostrato che le condizioni di trasformazione hanno un'influenza significativa sulla morfologia pellicola e la copertura della pellicola. Questo è il motivo per cui un sacco di gruppi di ricercatori pubblicano risultati differenti per quanto riguarda le prestazioni della cella solare e potenziale di ionizzazione per gli stessi materiali perovskite.
Al fine di garantire la riproducibilità, è fondamentale per tutte le fasi di lavorazione e metodi di caratterizzazione da effettuare in atmosfera inerte (o sotto vuoto) per evitare il degrado dall'umidità. Anche la purezza e fornitore dei educts giocano un ruolo importante (non indagato nel presente documento). E 'chiaro che il vuoto deposita strati perovskite dispongono di film altamente cristallino; tuttavia, in confronto, pellicole soluzione trasformati possono essere fabbricati con un volume più alto.
Nel nostro studio, con NH 4 Cl come additivo nella soluzione di precursore e un'atmosfera toluene nella ciotola di spin coater fornito la perovskit più riproducibile e lisciae film. D'altra parte, dip e goccia processi di rivestimento portano a superfici piuttosto grezzi, e non sono stati ulteriormente considerati per l'applicazione del dispositivo. Infine, gli strati vuoto trattati presentano dimensioni complessiva piccoli cristalli (~ 100 nm), ma con un alto grado di copertura attraverso tutto il film e superfici più regolari. Dalla serie di campioni con variare il rapporto di precursore, abbiamo appreso che la composizione ha una notevole influenza sulla formazione del film come bene. Tuttavia, ai fini questi strati con XRD (Figura 2) tutte le pellicole mostrano un elevato grado di cristallinità e una struttura cristallina tetragonale simile indicato da riflessioni a 14.11 ° e 28.14 ° rappresenta i piani (110) e (220), mentre parte del strati sembravano leggermente più disordinata, che può essere visto dalla comparsa di debole (002) e (004) riflessi. Tuttavia, non si osserva alcun significativo ampliamento del picco XRD diffrazione. Curiosamente, nessun segno di fasi distinte di PBI 2 a 12.63 ° sono trovato, anche per i più grandi quantità in eccesso di incorporato PBI 2. Ciò indica che PBI 2 non è incorporata come una fase separata o isole nanocristallini ma interstiziali come diluite, che lo rende non rilevabile con XRD. Pertanto, l'uso di XRD è limitata.
D'altra parte, XPS conferma che quantità supplementari di PBI 2 o MAI (a seconda del metodo di fabbricazione) sono presenti nel film, come evidente dalle variazioni in testa al rapporto azoto. Questi interstiziali a loro volta hanno un'influenza significativa sulla struttura elettronica del film come accennato prima. Ora, combinando i risultati di XPS con l'osservazione delle differenze di energie di ionizzazione rivelate da UPS ci permette di correlare questi due fenomeni. La figura 6 mostra l'andamento combinato in cui il valore IE misurato viene tracciata come funzione della composizione della pellicola (lead rapporto azoto) del corrispondente film.
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Figura 6: Estratto punti di misura per i dati di una serie completa di 40 pellicole perovskite. Dipendenza della energia di ionizzazione sul elementale rapporto R exp del piombo al contenuto di azoto (come determinato da XPS); la linea continua è un fi t lineare ai dati e le linee tratteggiate segnano la deviazione standard di ± 0,12 eV. In fondo, sono riportati i residui della fi t. Ristampato con il permesso di riferimento 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Troviamo una chiara correlazione lineare tra questi due valori. I nostri risultati indicano quindi che un film perovskite con MAI superiore presenta un IE inferiore, mentre uno strato ricco PBI 2 aumenta la IE. Troviamo un IE di 6,05 ± 0,10 eVper il rapporto molare ottimale di R exp = 1, che è considerevolmente maggiore della IE spesso pubblicati di 5,4 eV. Questa discrepanza non è probabile che sia a causa di condizioni di lavorazione, come troviamo questo valore per una varietà di film perovskite diversamente preparati. E 'piuttosto a causa di differenze nella valutazione dei dati in cui la densità lineare di stati pista usata qui si traduce in valori di lettura più elevate. Una vasta discussione di questo problema può essere trovato in riferimento 17. È importante notare che troviamo nessun cambiamento nella bandgap ottica di questi film (E g = 1.60 ± 0.02 eV, dati non mostrati), che significa che non è soltanto uno spostamento di IE con variare il rapporto, ma l'energia di attivazione (EA) si sposta contemporaneamente.
La massima efficienza cella solare è stato trovato un rapporto molare R di 1,02 (PBI 2 MAI) con un'efficienza di conversione di potenza del 9,6%, che conferma i risultati di letteratura 14 che pocoPBI 2 film ricco di funzionalità un comportamento portante migliore per passivazione del film perovskite da PBI 2 ai bordi di grano. Una diminuzione della tensione a vuoto di 200 MeV con l'aumento del contenuto PBI 2 può essere trovato. Poiché nessun cambiamento nella bandgap del materiale perovskite si verifica, la diminuzione di V OC non può essere spiegato da una diminuzione concomitante del gap fotovoltaico ma piuttosto insufficiente foro blocco all'interfaccia di perovskite e PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) causa l'aumento della perovskite IE. Contemporaneamente la FF per r> 1,05 diminuisce 0,8-0,7 che supporta questi risultati.
In conclusione, abbiamo presentato un ampio studio di film perovskite realizzati da una varietà di metodi di preparazione e ha scoperto che forti variazioni si verificano in formazione del film, struttura elettronica e le prestazioni del dispositivo. Di particolare interesse è la possibilità di regolare IE di perovskite per incorporazione intenzionale di MAI or PBI 2 interstiziali che possono essere utilizzati per l'ottimizzazione interfaccia in architetture nuovo dispositivo. Studi futuri potranno guardare più avanzate tecniche di preparazione che mirano verso le zone di dispositivi più grandi. Tra questi metodi come medico pattinaggio, le tecniche a spruzzo, e la stampa su larga scala che sono attualmente installati nel nostro impianto al COPT.centre (COPT = centro per le tecnologie di produzione biologica).
The authors have nothing to disclose.
Gli autori vorrebbero riconoscere il sostegno finanziario da parte dello Stato del Nord Reno-Westfalia attraverso il progetto PERO-BOOST (FESR, codice di progetto NW-1-1-040a). I ringraziamenti vanno a Azar Jahanbakhsh e Ines Schmidt (entrambi Università di Colonia) per l'assistenza con la fabbricazione e la caratterizzazione della soluzione 2-step strati perovskite processati, Dr. Jürgen Schelter (Università di Colonia) per la sintesi del materiale MAI così come Prof . Dr. Riedl e Neda Pourdavoud (entrambi dell'Università di Wuppertal) per le misure 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 |