Volledige dekking van stabiele perovskietfilm realiseren door gemodificeerd anti-oplosmiddelproces

Resultaten en discussie

Onder invloed van verschillende anti-oplosmiddeldruppels, de FASnI₃ films met 10 mol% SnCl₂ additieven vertonen verschillende filmmorfologieën. Afbeelding 1 toont de SEM-afbeeldingen van FASnI₃ perovskietfilms op TiO₂ met verschillende anti-oplosmiddelen gedruppeld. Figuur 1a toont discontinue nucleatie, gedeeltelijke dekking en de aanwezigheid van gaatjes op het oppervlak van de FASnI₃ film zonder (w/o) enig anti-oplosmiddel gedruppeld. Druppelend met diethylether (Fig. 1b), de gevormde FASnI₃ film houdt van een net met veel gaten erop en verspreidt zich over de TiO₂ substraat. Druppelend met tolueen of chloorbenzeen (respectievelijk Fig. 1c en d), de oppervlaktemorfologie van de FASnI₃ film is verder verbeterd en de film is zeer uniform en dicht met volledige dekking op het substraat. Door tolueen als anti-oplosmiddel te gebruiken, is de gemiddelde grootte van kristaldeeltjes groter dan die van films die zijn vervaardigd met chloorbenzeen als anti-oplosmiddel. Deze resultaten komen overeen met die in andere artikelen [20, 21]. Zonder druppelend anti-oplosmiddel verandert de film niet van kleur tijdens spincoating, en na continu gloeien bij 70 ° C wordt de film onmiddellijk zwart en leidt tot de vorming van een ruw oppervlak. Wanneer de film wordt gedruppeld met diethylether, tolueen of chloorbenzeen, verandert deze onmiddellijk in een roodachtige kleur. Na thermisch gloeien bij 70 ° C gedurende 20 minuten, wordt de film witachtig met diëthylether die druppelt en zwart (het linker inzetstuk in Fig. 1d) met tolueen of chloorbenzeen die druppelt. Het maakt niet uit wat voor soort anti-oplosmiddel er gedruppeld wordt, de films van het achteraanzicht van de FTO-bril zijn bruinrood (het rechter inzetstuk in Fig. 1d).

SEM-beelden van geprepareerde perovskietfilms (a ) zonder druppelen van oplosmiddelen, (b ) met diëthylether druppelend, (c ) met tolueen dat druppelt, en (d ) met chloorbenzeen dat druppelt

Om te onderzoeken of het druppelen van anti-oplosmiddelen zou leiden tot een kristalfase-overgang of niet, hebben we de XRD-patronen gemeten. Zoals weergegeven in Afb. 2, alle FASnI₃ films die zijn gevormd op TiO₂ kristalliseren in de orthorhombische structuur en willekeurige oriëntatie, wat consistent is met andere rapporten [20, 21].

XRD-patronen van FASnI₃ perovskietfilms onder verschillende anti-oplosmiddelen gedruppeld

Afbeelding 3a toont de scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-afbeeldingen van TiO₂ substraten. Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld (Fig. 3b) van een structuur van FTO/compact TiO₂ /mesoporeuze TiO₂ /FASnI₃ geeft duidelijk de gestapelde lagen weer. Uit de afbeelding, de dikte van FASnI₃ is ongeveer 250 nm.

een SEM bovenaanzicht van TiO₂ oppervlakte. b Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van een structuur van FTO/compact TiO₂ /mesoporeuze TiO₂ /FASnI₃

De optische absorptiespectra van de FASnI₃ perovskiet dunne film met 10 mol% SnCl₂ additieven onder invloed van verschillende anti-oplosmiddeldruppels worden getoond in Fig. 4a. Het begin van de absorptie vindt plaats bij 900 nm, en dit resultaat komt overeen met dat gerapporteerd door andere groepen [21]. Zoals weergegeven in figuur 4, zijn er verschillende absorptiepieken van de films die zijn bereid door te druppelen met verschillende anti-oplosmiddelen. De absorptiesterkte kan indirect de kwaliteit van perovskietfilms weerspiegelen. Het is bekend dat FASnI₃ kan automatisch degraderen tot FA₂ SnI₆ in lucht, [18, 21] en de absorptiecoëfficiënt van laatstgenoemde in het zichtbare spectrum is kleiner dan die van eerstgenoemde. Afbraak van de film in lucht in de tijd kan worden gemeten aan de hand van absorptiespectra. Zoals weergegeven in figuur 4b, werd de UV-vis-absorptie als functie van de tijd gemeten. De veranderde intensiteit van absorptie weerspiegelde het proces van degradatie. Merk op dat de relatieve vochtigheid van de omgeving ongeveer 46% was en de kamertemperatuur 15 ° C was. Uit optische afbeeldingen kunnen we zien dat FASnI₃ degradeert snel tijdens de eerste paar uur. Na 17 uur komt de absorptiepiek overeen met FA₂ SnI₆ duidelijk wordt. Dit resultaat bevestigt dat FASnI₃ kan degraderen tot FA₂ SnI₆ in de lucht.

Absorptiespectra van FASnI₃ + 10% SnCl₂ films (a ) met verschillende anti-oplosmiddelen die op TiO₂ . druppelen en (b ) met verschillende tijdsverlopen in de lucht

Afbeelding 5a toont een dwarsdoorsnede-SEM-beeld van de FASnI₃ PSC's met een structuur van FTO/cp-TiO₂ /mp-TiO₂ /FASnI₃ /Spiro-OMeTAD/Au. Figuur 5b toont de J-V-curves gemeten met verschillende anti-oplosmiddeleffecten. Hoewel de PCE's van deze PSC's vrij laag zijn, bieden sommige kenmerken nog steeds nieuwe inzichten in de fabricage van loodvrije perovskieten. Uit Fig. 1a weten we dat de kiemvorming van de film zonder druppelen van anti-oplosmiddel discontinu is, wat leidt tot nano-stralingsrecombinatie van elektronen en gaten en een grote lekstroom veroorzaakt tussen TiO₂ en FASnI₃ . Het resultaat van de films die diëthylether als anti-oplosmiddel gebruikten, was ongeveer hetzelfde als het onbehandelde monster. De lekstroom is groot, maar de dekking van de film is verbeterd. Met tolueen en chloorbenzeen als anti-oplosmiddelen is de dekking van de film verder verbeterd, en grotere kristaldeeltjes kunnen minder korrelgrenzen creëren om de ladingsscheiding en verzameling van elektronen en gaten te verbeteren, wat leidt tot de hoogste PCE.

een Dwarsdoorsnede SEM-beeld van een voltooid apparaat. b J-V-curves van de FASnI3-perovskiet-zonnecellen met verschillende anti-oplosmiddelen

Er zijn verschillende uitdagingen die prestatieverbetering van CsSnI₃ in de weg staan perovskiet zonnecellen:(1) Sn ²⁺ oxideert tot Sn ⁴⁺ gemakkelijk, wat de foto-elektrische eigenschappen van CsSnI₃ seriously ernstig aantast perovskiet zonnecellen. (2) Het is moeilijk om uniforme en volledig bedekte, loodvrije, op Sn gebaseerde dunne films te synthetiseren. Zelfs met verschillende additieven zijn er veel gaatjes op het kristallietoppervlak die de elektronenoverdrachtslaag en de gatentransportlaag kunnen kortsluiten, wat leidt tot een enorme lekstroom. (3) Loodvrije Sn-gebaseerde PSC's worden vaak bereid in reguliere celstructuren [18, 23]. In de volgende inhoud hebben we enkele voorbereidende onderzoeken gedaan naar de CsSnI₃ films.

Zonder enige toevoegingen, de kleur van CsSnI₃ voorloperoplossing was geler dan de oplossing met 10 mol% SnF₂ additief, zoals weergegeven in Fig. 6. Dit geeft aan dat oxidatie gemakkelijker optrad voor pure CsSnI₃ .

een Pure CsSnI₃ zonder enige toevoegingen. b 10 mol% SnF₂ additieven in CsSnI₃ voorloperoplossing

We hebben ook de evolutie van absorptiespectra in verschillende tijdsverlopen uitgezet om de afbraak van CsSnI₃ te onderzoeken. dunne films met en zonder toevoegingen in lucht. Zoals weergegeven in Fig. 7, geeft de zwarte verticale lijn de richting van verandering aan met toenemende tijd in de omgevingslucht. Zonder toevoegingen, de CsSnI₃ dunne films degradeerden snel wanneer ze werden blootgesteld aan lucht bij een relatieve vochtigheid van 57% en een temperatuur van 13 ° C. De degradatiesnelheid van de film was in het begin erg snel, maar het vertraagde veel na 1 uur. Het degeneratieproces van CsSnI₃ met 10 mol% SnF₂ additief vertoonde enig verschil. Gedurende de eerste paar minuten was de film vrij stabiel en trad geen oxidatie op. Ondertussen bevonden de absorptiepieken zich op dezelfde positie. Enkele minuten later versnelde de oxidatiesnelheid en vertraagde deze na een uur. Daarom kan worden afgeleid dat de stabiliteit van de film wordt verbeterd door toevoeging van SnF₂ .

Absorptiespectra van (a ) pure CsSnI₃ films en (b ) CsSnI₃ + 10% SnF₂ films op verschillende tijdstippen in de lucht