Effect van schuine hoek gesputterde ITO-elektrode in MAPbI3 perovskiet-zonnecelstructuren

Abstract

Dit onderzoek rapporteert over de kenmerken van MAPbI₃ perovskietfilms op schuin gesputterde ITO/glassubstraten die zijn vervaardigd met verschillende sputtertijden en sputterhoeken. De korrelgrootte van een MAPbI₃ perovskietfilm neemt toe met de schuine sputterhoek van ITO-dunne films van 0 ° tot 80 °, wat aangeeft dat de oppervlakte-eigenschappen van de ITO de bevochtigbaarheid van de PEDOT:PSS-dunne film beïnvloeden en daardoor het aantal perovskiet-kiemvormingsplaatsen domineert. De optimale stroomconversie-efficiëntie (Eff) wordt bereikt met 11,3% in een cel met een schuine ITO-laag die is voorbereid onder een sputterhoek van 30° voor een sputtertijd van 15 min.

Achtergrond

Indiumtinoxide (ITO) is een transparant geleidend materiaal dat bestaat uit indiumoxide (In₂ O₃ ) en tinoxide (SnO₂ ). Het wordt veel gebruikt in liquid crystal displays, light-emitting diodes en zonnecellen vanwege de zichtbare transparantie van ongeveer 96% en geleidbaarheid van ongeveer 10 Ω/sq [1,2,3,4,5]. Er zijn verschillende methoden bestudeerd om de weerstand en de transmissie van ITO-films te verbeteren, waaronder gloeien en sputteren met verschillende gasverhoudingen en werkdrukken [5,6,7,8]. De opto-elektronische eigenschappen van schuin gesputterde ITO-films zijn gerapporteerd [9, 10]. Als een ITO-film wordt afgezet, groeit deze door het schaduweffect als een film met een gekantelde kolomstructuur onder een hoek op een substraat. De kolomvormige ITO-film vertoont een andere morfologie, anisotrope optische eigenschappen en anisotrope soortelijke weerstand [10].

Onlangs hebben zonnecellen met perovskietmaterialen, zoals CH₃ NH₃ PbI₃ , als actieve laag hebben veel belangstelling gekregen vanwege hun gunstige energieconversie-efficiëntie [11,12,13,14,15,16,17,18]. De meeste perovskietzonnecellen hebben transparant geleidend oxide (TCO) glas, zoals ITO of FTO (fluor gedoteerd tinoxide), als substraat. De opto-elektronische eigenschappen van een isotrope TCO-film verschillen echter van die van een anisotrope TCO-film. Daarom ontwikkelt dit werk vlakke perovskiet-zonnecellen met behulp van CH₃ NH₃ PbI₃ (MAPbI₃ ) perovskieten op schuine ITO-substraten die zijn geprepareerd met blikhoekafzetting (GLAD). Dit onderzoek onderzoekt de optische, structurele en oppervlakte-eigenschappen van MAPbI₃ perovskietfilms op schuine ITO-substraten die bij verschillende temperaturen zijn gegloeid en gedurende verschillende tijden zijn gesputterd. De relaties tussen de prestaties van de perovskiet-zonnecel en de eigenschappen van de perovskietfilms worden besproken.

Methoden

Bij dit onderzoek werd ITO-glas in kleine stukjes gesneden van 1,5 × 1,5 cm² als ondergrond worden gebruikt. De ITO-glassubstraten werden gedurende 5 minuten grondig gereinigd met aceton, ethanol en gedeïoniseerd (DI) water in een ultrasone oscillator en gedroogd met stikstof. Een ITO-film werd op het ITO-glassubstraat afgezet door onder verschillende schuine hoeken te sputteren met behulp van ITO-doelen, zoals weergegeven in figuur 1a. Het werkgas en de werkdruk waren respectievelijk zuiver argon en 5 mTorr. Na afzetting werden de films gedurende 30 minuten bij 300 °C uitgegloeid.

een Schematische dwarsdoorsnede van voltooide structuur en schuin sputtersysteem. b Dwarsdoorsnede FESEM-beeld van monster met 30 ° gekantelde gesputterde schuine ITO

Voor de perovskiet-zonnecellen werden glassubstraten gebruikt die waren gecoat met de schuin gesputterde ITO-films. PEDOT:PSS-films werden bereid door de schuine ITO-glassubstraten gedurende 30 seconden bij 5000 tpm te spincoaten. Na spincoating werd de film gedurende 10 minuten bij 110 ° C uitgegloeid. De perovskietlaag werd afgezet met behulp van tweestaps spincoating op het PEDOT:PSS / schuine ITO-glassubstraat bij 1000 tpm gedurende 10 s en 5000 tpm gedurende 20 s. Tijdens de stap bij 5000 rpm gedurende 20 s werd de natte spinfilm geblust door er 100 μl watervrije tolueen op te laten vallen. De perovskiet-precursoroplossingen werden bereid met 1,25 mmol methylammoniumbromide en 1,25 mmol PbI₂ (met een zuiverheid van 99,999%) die werd opgelost in 1 ml co-oplosmiddel. De volumeverhouding van dimethylsulfoxide (DMSO) tot γ-butyrolacton (GBL) was 1:1. Na spincoating werd de film gedurende 10 minuten bij 100 ° C uitgegloeid. Dan [6,6]-fenyl-C₆₁ -boterzuurmethylester (PCBM) werd opgelost in chloorbenzeen (20 mg/ml) en gespincoat op perovskietlagen bij 3000 rpm gedurende 30 seconden, waarbij een 50 nm dikke film werd gevormd als een elektronentransportlaag. Ten slotte werd een Ag-elektrode met een dikte van 20 nm afgezet door thermische verdamping om de structuur van het apparaat te voltooien. Het monster was bedekt met een schaduwmasker dat tijdens de afzetting een actief gebied van 0,5 cm × 0,2 cm definieerde. Figuur 1a geeft schematisch de volledige structuur weer. Figuur 1b toont het transversale FESEM-beeld van het monster met de 30 ° schuine, schuin gesputterde ITO.

Resultaten en discussie

De kristallijne microstructuren van de films werden waargenomen met behulp van een röntgendiffractometer. Een veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM) werd gebruikt om de oppervlaktemorfologie van de monsters te observeren. De stroomdichtheid–spanning (J –V ) kenmerken van de zonnecellen werden gemeten met behulp van een Keithley 2420 programmeerbare bronmeter onder bestraling met een 1000 W xenonlamp. De bestralingsvermogensdichtheid op het oppervlak van de cel is gekalibreerd op 1000 W/m² .

Afbeelding 2 toont de XRD-patronen van de MAPbI₃ perovskietfilms op PEDOT:PSS/schuine ITO-laag/glas onder verschillende schuine hoeken. De vier gemiddelde pieken bij 14,28°, 28,5°, 30,61° en 31,93° komen overeen met de (110) perovskiet, (220) perovskiet, (110) SnO₂ , en (222) In₂ O₃ vliegtuigen resp. Naarmate de sputterhoek toeneemt van 0° tot 60°, wordt de (110) SnO₂ wordt gevormd door de opname van Sn-atomen. De grootte van het kristaldomein kan worden berekend met behulp van de vergelijking van Scherrer [19]. De grootte van de kristaldomeinen van de MAPbI₃ perovskietfilms in de monsters zijn ongeveer 71,8 nm. Daarom is de grootte van de kristaldomeinen van de MAPbI₃ perovskiet worden niet beïnvloed door de schuine ITO-laag.

XRD-patronen van MAPbI₃ perovskietfilms op PEDOT:PSS/schuine ITO-laag/glas voor verschillende schuine hoeken

Afbeelding 3 toont SEM-afbeeldingen van MAPbI₃ perovskietfilms op een schuine ITO-laag / glas voor verschillende schuine hoeken. De korrelgrootte (of deeltjesgrootte) van de MAPbI₃ perovskietfilms nemen toe met de schuine sputterhoek van 0 ° tot 80 °, waaruit blijkt dat de oppervlakte-eigenschappen van de ITO het aantal perovskiet-kiemvormingsplaatsen beïnvloeden. Aangezien de ITO niet in direct contact staat met de perovskiet-dunne film en een PEDOT:PSS-dunne film wordt ingevoegd tussen de ITO en de perovskiet, mogen de oppervlakte-eigenschappen van de ITO de eigenschappen van de perovskiet-dunne films niet direct beïnvloeden. Daarom is de bevochtigbaarheid van de PEDOT:PSS dunne films [20] gerelateerd aan de oppervlakte-eigenschappen van de ITO. Daarom zijn de verschillende korrelgroottes in de MAPbI₃ perovskietfilms kunnen verband houden met de bevochtigbaarheid van het substraat [21, 22]. Experimenten met de contacthoek van een waterdruppel werden uitgevoerd om de bevochtigbaarheid van de PEDOT:PSS dunne films op de verschillende ITO/glasmonsters te beoordelen, zoals weergegeven in Fig. 4. De contacthoek is evenredig met de grootte van de korrels in de MAPbI₃ dunne film, wat aangeeft dat de nucleatie en kristalgroei van een MAPbI₃ dunne film kan worden gecontroleerd door de bevochtigbaarheid van het oppervlak van de PEDOT:PSS/schuine ITO/glas te variëren. Contacthoekbeelden van de schuine ITO/glasmonsters werden verkregen om de variatie van de oppervlaktebevochtigbaarheid van de PEDOT:PSS/schuine ITO/glasmonsters te begrijpen, zoals weergegeven in Fig. 5. De bevochtigbaarheid van de PEDOT:PSS/schuine ITO/ glasmonsters is omgekeerd evenredig met de bevochtigbaarheid van de schuine ITO/glasmonsters, dus de verticale verdelingen van de hydrofiele PSS-polymeren en hydrofobe PEDOT-polymeren kunnen worden gemanipuleerd door de bevochtigbaarheid van het oppervlak van het schuine ITO/glasmonster te variëren. Er wordt gesuggereerd dat PSS-polymeren meestal worden verdeeld in het bovenoppervlak van de PEDOT:PSS dunne film wanneer het substraat een hydrofoob oppervlak heeft (Fig. 5a), wat resulteert in een kleine waterdruppelcontacthoek op de PEDOT:PSS dunne film (Fig. 4a). De experimentele resultaten (XRD en SEM) tonen aan dat de MAPbI₃ korrels zijn multikristallijn MAPbI₃ deeltjes [23].

een –d SEM-afbeeldingen van MAPbI₃ perovskietfilms op PEDOT:PSS/schuine ITO-laag/glas voor verschillende schuine hoeken

een –d Afbeeldingen die de contacthoek van water tonen op PEDOT:PSS/schuine ITO-laag/glas voor verschillende schuine hoeken. CA contacthoek

een –d Afbeeldingen die de contacthoek van water op schuine ITO-laag/glas tonen voor verschillende schuine hoeken

Afbeelding 6 toont de fotoluminescentie (PL) spectra van de MAPbI₃ perovskietfilms op PEDOT:PSS/schuine ITO/glas voor verschillende schuine hoeken. Eén hoofdpiek wordt waargenomen bij 768 nm, wat overeenkomt met emissie door MAPbI₃ . De bevinding wordt ondersteund door de XRD-resultaten. De PL-emissie-energie van de MAPbI₃ perovskiet wordt niet aangetast van onder de schuine ITO-laag. Bovendien werden de verschillende PL-intensiteiten van de MAPbI3-films op ITO's die met verschillende schuine hoeken werden gesputterd, verkregen als gevolg van de scheiding van het door licht geïnduceerde exciton. Een betere interface tussen PEDOT:PSS en perovskiet zorgde voor een betere scheiding van excitonen, wat een sterker PL-dovingseffect veroorzaakte. Daarom vertoonde ITO onder een schuine hoek van 80° de beste excitonscheiding van de perovskietlaag naar PEDOT:PSS, dankzij de gunstige bevochtigbaarheid van het oppervlak van de PEDOT:PSS/schuine ITO, zoals weergegeven in figuur 4.

PL-spectra van MAPbI₃ perovskietfilms op PEDOT:PSS/schuine ITO-laag/glas voor verschillende schuine hoeken

Afbeelding 7 geeft de stroomdichtheid-spanning weer (J –V ) curve van de zonnecellen die zijn gebaseerd op MAPbI₃ perovskiet met een schuine ITO-laag die onder verschillende schuine hoeken wordt gesputterd en een warmtebehandeling ondergaat bij een gloeitemperatuur van 300 ° C. De sputtertijd is 15 min. Tabel 1 toont de resulterende stroomconversie-efficiëntie (Eff), kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), nullastspanning (V _oc ), en vulfactor (FF) van de MAPbI₃ zonnepanelen. De prestatie van het apparaat neemt af naarmate de sputterhoek van de schuine ITO-laag toeneemt, omdat het zuurstofgehalte in de schuine ITO-lagen en hun weerstand toenemen met de sputterhoek [10]. Door de gunstige geleidbaarheid kan na depositie onder een schuine hoek van 30° een maximaal rendement worden behaald.

Stroomdichtheid–spanning (J –V ) van zonnecellen op basis van MAPbI₃ perovskiet met schuine ITO-laag gesputterd onder verschillende schuine hoeken

Afbeelding 8 geeft de stroomdichtheid-spanning weer (J –V ) krommen van de zonnecellen die zijn gebaseerd op MAPbI₃ perovskiet met de schuine ITO-laag gesputterd gedurende verschillende sputtertijden, alvorens een warmtebehandeling te ondergaan bij een gloeitemperatuur van 300 °C. Tabel 2 geeft de bijbehorende stroomconversie-efficiëntie (Eff), kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), nullastspanning (V _oc ), en vulfactor (FF) van de MAPbI₃ zonnepanelen. Optimale efficiëntie wordt bereikt wanneer de sputtertijd van de schuine ITO-laag 15 min is vanwege de dikte van de laag en zijn goede geleidbaarheid. Het beste apparaat wordt verkregen met behulp van deze afzettingshoek, met J _SC = 20,46 mA/cm² , V _OC = 0,92 V, FF = 60,00% en Eff = 11,30%.

Stroomdichtheid–spanning (J –V ) van zonnecellen op basis van MAPbI₃ perovskiet met schuine ITO-laag gesputterd voor verschillende sputtertijden

Conclusies

Samenvattend, dit werk demonstreerde de kenmerken van MAPbI₃ perovskietfilms op de PEDOT:PSS/schuine sputterde ITO/glassubstraten die werden vervaardigd met behulp van verschillende sputtertijden en sputterhoeken. De prestaties van het apparaat zijn geoptimaliseerd met behulp van een schuine ITO-laag die is voorbereid door gedurende 15 minuten bij 30 ° te sputteren, met een kortsluitstroomdichtheid (J _SC ) = 20,46 mA/cm² , nullastspanning (V _OC ) = 0,92 V, vulfactor (FF) = 66,0% en stroomconversie-efficiëntie (Eff) = 11,3%. De prestatie van het apparaat neemt af naarmate de sputterhoek van de schuine ITO-laag toeneemt van 30° tot 80° omdat de weerstand van het apparaat toeneemt met de sputterhoek. Hoewel schuine ITO-lagen de verstrooiing van invallend licht verbeteren, verslechtert de hoge soortelijke weerstand de prestaties van het apparaat. Daarom kan een optimaal rendement worden bereikt door depositie onder een schuine hoek van 30° vanwege de geleidbaarheid.

Afkortingen

FESEM:: Veldemissie scanning elektronenmicroscoop
BLAD:: Kijkhoekafzetting
ITO:: Indiumtinoxide
J –V :: Stroomdichtheid–spanning
MAPbI₃ :: CH₃ NH₃ PbI₃
PEDOT:PSS:: Poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)polystyreensulfonaat
TCO:: Transparant geleidend oxide
XRD:: Röntgendiffractometer

Verbeterde biocompatibiliteit in anodische TaO x Nanotube-arrays Weinig gelaagde MoS2/acetyleenzwarte composiet als een efficiënt anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal