أحادي التكافؤ الموجبة المنشطات من CH<sub> 3</sub> NH<sub> 3</sub> PBI<sub> 3</sub> لكفاءة الخلايا الشمسية Perovskite
Summary
هنا، نقدم بروتوكول لضبط خصائص المصنعة حل CH 3 NH 3 PBI 3 من خلال إدراج إضافات الموجبة األحادية من أجل تحقيق الخلايا الشمسية perovskite ذات كفاءة عالية.
Abstract
هنا، علينا أن نظهر إدراج إضافات الموجبة األحادية إلى CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite من أجل ضبط البصرية، excitonic، والخواص الكهربائية. وكان التحقيق في إمكانية المنشطات عن طريق إضافة هاليدات الموجبة أحادي التكافؤ مع أنصاف الأقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، بما في ذلك النحاس، الصوديوم، وحج +. ، وتحققت نقلة في مستوى فيرمي وانخفاضا ملحوظا من دون فجوة الحزمة امتصاص البصرية، جنبا إلى جنب مع اضطراب أقل حيوية في perovskite. وقد حققت تعزيزا الترتيب العالي درجة على مقياس ريختر في التنقل حفرة بالجملة وانخفاض كبير في طاقة التنشيط النقل داخل جهاز perovskite القائم مضافة. أدى التقاء خصائص محسنة المذكورة أعلاه في وجود هذه الكاتيونات إلى تعزيز في معلمات الضوئية للخلية الشمسية perovskite. بزيادة قدرها 70 بالسيارات في جهد الدائرة المفتوحة للAGI و2 مللي أمبير / سم 2 عفريتrovement في كثافة photocurrent للخلايا الشمسية المستندة إلى CuBr NaI- وكان المحقق مقارنة الجهاز البكر. عملنا يمهد الطريق لمزيد من التحسينات في نوعية الضوئية من CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite وأجهزة لاحقة. وهو يسلط الضوء على وسيلة جديدة للتحقيقات حول دور الشوائب إشابة في بلورة وتسيطر على كثافة عيب الإلكترونية في الهياكل perovskite.
Introduction
حاليا، يتم تزويد الجزء المهيمن من احتياجاته من الطاقة في العالم (أي 85٪) من احتراق النفط والفحم والغاز الطبيعي، مما يسهل ظاهرة الاحتباس الحراري، ولها آثار ضارة على بيئتنا 1. ولذلك، فإن تطوير CO 2 مصادر -neutral من الطاقة من المصلحة العليا. الخلايا الكهروضوئية (PV) هو عملية تحويل الطاقة المثالية التي يمكن أن تلبي هذا المطلب. ومع ذلك، من حيث التكلفة والكفاءة، كما أن العقبات الرئيسية التي تعترض اعتماد واسعة من التقنيات الكهروضوئية، يجب تحسين. التكنولوجيات الناشئة الكهروضوئية على أساس مواد جديدة، مثل الخلايا الشمسية perovskite (PSC)، لديها مزيج من انخفاض التكاليف وزيادة الكفاءة. ويتحقق ذلك من خلال استخدام مواد رخيصة متوفرة بسهولة، وكذلك من خلال بسرعة، واثق من نفسه، وطرق المعالجة ذات الطاقة المنخفضة مقارنة مع نظرائهم القائمة على السيليكون 2، 3،4. تحسن ملحوظ في كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، من 3.8٪ إلى أكثر من 22٪، وقد تم الإبلاغ عن الهجينة العضوية غير العضوية perovskite الرصاص هاليد منذ أول ظهور لها في العمارة PV 5، 6، 7، 8. ينشأ مثل هذا الأداء الرائع من امتصاص الضوء القوي مع حادة للغاية الفرقة الحافة، واضطراب منخفض جدا حيوية، excitons ارتباطها ضعيفا التي تنأى بسهولة إلى ناقلات الحرة مع أطوال نشر كبيرة، وقدرة على إعادة تدوير الفوتون الهجينة العضوية، غير العضوية هاليد الرئيسي perovskite 9، 10، 11، 12. وتصنف هذه المواد في الأسرة perovskite، والتي تبلورت من هاليد وهاليد المعدنية الأملاح العضوية لتشكيل البلورات في ABX 3 </sub> هيكل، حيث X هو شاردة وألف وباء والكاتيونات من مختلف الأحجام (A كونها أكبر من B). الكاتيونات وذكرت لموقع وتشمل methylammonium (MA)، formamidinium (FA)، والسيزيوم (جيم)؛ مزيج من هذه الكاتيونات يظهر أعلى 13 الأداء، 14. وعلاوة على ذلك، المرشح الرئيسي لالموجبة ثنائي التكافؤ في الموقع B هو الرصاص، والتي يمكن استبدالها بواسطة القصدير. في ذات فجوة الحزمة يمكن أن يكون أحمر تحول إلى ما يزيد على 1000 نانومتر في القصدير الرصاص مختلطة perovskite 15 بنجاح. وبالمثل، وقد تم دراسة شاغلي الموقع X على نطاق واسع، حيث تم إدخال مزيج من يوديد (I) وبروميد (برازيلي)، والمرشحين الرئيسيين 16 و 17. وبالتالي، فمن المعقول جدا أن التعامل مع الخصائص الهيكلية، الصرفية، والبصرية الكهربائية perovskites عن طريق تغيير التركيب الكيميائي لها.
على الرغم من حقيقة أن الكريستال تعزيزجودة lline والتوحيد العيانية للفيلم perovskite هي المعايير الأساسية لتحقيق الأجهزة كفاءة 18، وتأثير الحدود بين المجالات الكريستالات، وأصل ودور العيوب الإلكترونية في امتصاص perovskite، ودور الطبقات جمع تهمة عليه عمليات الفقد في الخلايا الشمسية perovskite ليست مفهومة جيدا حتى الآن. وفيما يتعلق بطبيعة العيوب الإلكترونية في هيكل perovskite، وقد أفادت تقارير أن العديد من العيوب، مثل أنا أو الرصاص الشواغر، ينتج في الدول التي هي قريبة جدا أو داخل متصلة من الدول في التوصيل والتكافؤ العصابات، التي قد يكون لها تأثير سلبي الإلكترونية على الأجهزة الضوئية 19. وبالإضافة إلى ذلك، تفاعل التساهمية الترابط القوي بين الكاتيونات والأنيونات الرائدة يوديد في الطائرة perovskite قد يؤدي إلى وجود عيوب جوهرية (على سبيل المثال، في إطار منسق dimers الرصاص وأنا trimers)، والتي يمكن أن يخلقالمواقع الإلكترونية ضمن الفرقة الحافة التي تعمل كمراكز تهمة إعادة التركيب أثناء تشغيل الجهاز 20.
هنا، نحن التحقيق في تأثير المنشطات CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite مع هاليدات الموجبة األحادية بما في ذلك نا +، + النحاس، وحج +، ايونات المعادن المنخفض التكافؤ من الرصاص 2+. وبالتالي فإننا دمج هذه الكاتيونات من خلال إضافة كمية الرشيد للأملاح القائمة على هاليد الخاصة بهم (على سبيل المثال، ناي، CuBr، تسوى، وAGI) في حل perovskite السلائف. هذه الكاتيونات لها أنصاف أقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، لذلك المنشطات التعويضية داخل البلورة مرجحا. لقد أظهرنا أن وجود هذه الكاتيونات تؤثر بقوة كل من التشكل وتغطية طبقة perovskite. وبالإضافة إلى ذلك، فإن وجود هذه الكاتيونات (على سبيل المثال، نا + وحج +) أكدته الأشعة السينية الطيفي الضوئية (XPS)، وsignificanوقد تم قياس التغيير تي في مستوى فيرمي من perovskite من كلفن مجهر القوة التحقيق (KPFM). من خلال دمج هذه الكاتيونات في الخلايا الشمسية perovskite المودعة بالتتابع، حققنا تحسنا في كفاءة الضوئية من PSC (15.6٪ مقارنة إلى 14٪). لذلك، فمن الضروري جدا لتعزيز الخصائص الهيكلية والبصرية الكهربائية طبقة امتصاص (على سبيل المثال، perovskite) في الهندسة المعمارية الخلايا الشمسية لتحقيق أقصى قدر من نقل الشحنة وإيقاف فاعلية الفخاخ السطح من أجل الوصول إلى أعلى مستوى من الأداء الكهروضوئية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم استخدام الهندسة المعمارية التقليدية للخلايا الشمسية perovskite mesoscopic في هذا العمل، حيث كانت مجموعة من المواد بين الركيزة موصل والاتصال المعدنية تبخرت حراريا (الشكل 1) المغلفة زيادة ونقصان. تم علاج mesoporous تيو 2 طبقات مع TiCl 4، والتي تشير التقارير إلى إيقاف فاعلية الفخاخ السطح وتحسين التفاعل بين طبقة النقل الإلكترون والمواد امتصاص 21، 22. ثم تم إيداع طبقة perovskite باستخدام تقنية ترسيب من خطوتين متتابعة. تحويل كامل من هاليد يؤدي إلى perovskite في الخطوة الثانية ضروري لتحقيق أعلى امتصاص الضوء 16 و 17، وأظهرنا أن الإضافات هاليد أحادي التكافؤ الموجبة (على سبيل المثال، ناي وCuBr) تؤدي إلى التحول الكامل. وعلاوة على ذلك، فإن التغطية الكاملة للطبقة تيتانيا mesoporous ثإيث perovskite الإفراط في طبقة أمر حيوي للقضاء على إعادة التركيب المحتمل بين طبقة النقل حفرة (على سبيل المثال، سبيرو OMETAD) وطبقة النقل الإلكترون (على سبيل المثال، mesoporous تيو 2) 23. نحن يتضح أن إضافة هاليدات أحادي التكافؤ الموجبة (على سبيل المثال، تسوى وAGI) يمكن أن تحسن تغطية سطح طبقة perovskite السد، الأمر الذي يؤدي إلى الجهد الدائرة أعلى مفتوحة للجهاز.
والميزة الرئيسية لدينا وسيلة هي الخطوة المنشطات، حيث أننا أدرجت الكاتيونات األحادية في CH 3 NH 3 PBI 3 هيكل لتحسين كثافة الشحنات، ونقل المسؤول، والتوصيل من طبقة امتصاص. كما جاء في القسم السابق، ومواد إشابة المذكورة أعلاه تعزز إلى حد كبير كل من الإلكترون والتنقلات حفرة. وبالإضافة إلى ذلك، انخفاضا ملحوظا في نقل رسوم تفعيل الطاقة، وكذلك في اضطراب حيوية من perovskiفيلم الشركة المصرية للاتصالات، وقد تحقق المنشطات الموجبة الأحادي التكافؤ.
في هذا العمل، لقد أثبتنا طريقة لمخدر CH 3 NH 3 PBI 3 كطبقة امتصاص في mesoscopic perovskite هيكل الخلايا الشمسية. واستخدمت الأحادي هاليدات الموجبة لضبط الخصائص المورفولوجية والضوئية والكهربائية من CH 3 NH 3 PBI 3 فيلم perovskite من أجل تحسين أداء الضوئية. ولذلك، فإننا أدرجت ثلاثة الكاتيونات مختلفة أحادي التكافؤ (أي، نا +، + النحاس، وحج +)، والتي لها أنصاف أقطار الأيونية مماثلة إلى الرصاص 2+، في مصدر قيادي في متسلسل ترسب من خطوتين من CH 3 NH 3 PBI 3 . ونتيجة لذلك، حدث تحسن ملحوظ في الخصائص الهيكلية والبصرية الكهربائية CH 3 NH 3 PBI 3 في وجود هذه الإضافات، مما أدى إلى PCES أعلى للخلايا الشمسية ملفقة. لذلك، لدينا مرحبا العملghlights بطريقة سطحية من المنشطات في CH 3 NH 3 PBI (3) وطبقة امتصاص، والتي يمكن استخدامها في كافة تكوينات أخرى من الخلايا الشمسية perovskite (على سبيل المثال، والهندسة المعمارية مستو) من أجل زيادة تحسين جودة الإلكترونية من الأغشية الرقيقة perovskite.
تتوفر البيانات الأساسية هذه الورقة في: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
محمد عبدي زلابية بفضل نافا التكنولوجيا المحدودة للحصول على منحة الدكتوراه. MI دار وM.Grätzel أشكر مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية (KACST) ومؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF) للحصول على الدعم المالي. فإن الكتاب أود أن أشكر الدكتور بيير Mettraux في الجزيئية والهجين المواد مركز توصيف، EPFL لتنفيذ القياسات XPS. A.Sadhanala بامتنان الدعم المالي من المشروع بين الهند والمملكة المتحدة APEX. SP Senanayak يعترف المجتمع لندن الملكية لزمالة نيوتن. سوف RH صديق، محمد عبدي زلابية، وA. Sadhanala ترغب في الاعتراف بدعم من EPSRC.
Materials
| Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glass | Sigma-Aldrich | 735264-1EA | Resistivity≈13 Ω/sq |
| Zinc powder | Sigma-Aldrich | 96454 | Molecular Weight 65.39 |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84415 | ≥37 wt. % |
| Hellmanex detergent | Sigma-Aldrich | Z805939-1EA | pkg of 1 L |
| Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) | Sigma-Aldrich | 325252 | 75 wt. % in isopropanol |
| Titania Paste | DYESOL | MS002300 | 30 NR-D Transparent Titania Paste |
| Lead (II) iodide | Sigma-Aldrich | 211168 | 99 wt. % |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 437573 | ACS reagent, ≥99.8% |
| Methylammonium iodide | DYESOL | MS101000 | Powder |
| SpiroMeOTAD | Sigma-Aldrich | 792071 | 99% (HPLC) |
| Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma-Aldrich | 544094 | 99.95% trace metals basis |
| 4-tert-Butylpyridine | Sigma-Aldrich | 142379 | Purity: 96% |
| Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 284513 | anhydrous, 99.8% |
| 2-Propanol (IPA) | Sigma-Aldrich | 278475 | anhydrous, 99.5% |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | absolute alcohol, without additive, ≥99.8% |
References
- Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials – present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307 (2016).
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
- Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
- Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591 (2012).
- Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
- Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
- Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
- Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
- Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
- Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
- Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
- Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie – Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
- Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
- Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358 (2016).
- Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472 (2016).
- Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
- Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
- Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
- Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
- Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).
