Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag

Resultaten en discussie

De op MAPbI3 gebaseerde perovskietfilms werden gefabriceerd met het traditionele eenstapsproces met chloorbenzeen als anti-oplosmiddel. De kale perovskietfilm toont een zeer vlak oppervlak zonder grote gaatjes en scheuren (Fig. 1a). AFM-test bevestigt verder de dichte pakking van perovskietkristallen, meestal met een grootte van ongeveer 500-700 nm (figuur 1b). Kristalgrenzen kunnen duidelijk worden waargenomen vanuit zowel de SEM- als AFM-afbeeldingen. Na afzetting van CdSe / LiF lijkt het oppervlak zanderig en vlakker, wat aangeeft dat de perovskietkristallen en hun grenzen gemakkelijk bedekt zijn met kleine CdSe QD's en LiF (figuur 1c). Dit wordt ook weerspiegeld in het bijbehorende AFM-beeld (Fig. 1d). Sommige wazige grenscontouren zijn nog steeds waarneembaar op de SEM- en AFM-afbeeldingen, wat aangeeft dat de bedekte CdSe / LiF-dubbellaag een zeer kleine, voor prestaties geoptimaliseerde dikte heeft. Aangezien de wurtzietfase CdSe QD een gemiddelde diameter heeft van ongeveer 5,5 nm (aanvullend bestand 1:Fig. S1) en de gewijzigde LiF-laag slechts 0,8-1,0 nm is, is het exacte onderscheid tussen de twee materialen moeilijk. De wortelgemiddelde ruwheid (RMS) van het filmoppervlak neemt af van 10,6 nm voor het kale perovskiet tot 4,7 nm voor het gedeponeerde CdSe/LiF. De volledig gecontacteerde perovskiet/ETL-interface biedt dus ruimtelijk gemak voor elektronenoverdracht en -verzameling via de bovenstaande CdSe/LiF-dubbellaag.

SEM- en AFM-topologie van kale perovskietfilm (a , b ) en met CdSe/LiF bedekte perovskietfilm (c , d )

De absorptie-eigenschappen van de films met en zonder CdSe/LiF-laag zijn weergegeven in figuur 2a. De kale MAPbI3-film vertoont een sterke absorptie in het gehele zichtbare gebied, met een typische absorptiestart bij ongeveer 770 nm. Nadat de CdSe/LiF erop is afgezet, vertoont de film een ​​vergelijkbare absorptietendens zonder veel variatie. Iets verhoogde absorptie-intensiteit in het zichtbare lichtgebied wordt waarschijnlijk toegeschreven aan meer lichtverstrooiing van de bovenste QD-laag. Omdat de dikte van de CdSe QD-laag veel dunner is dan die van de perovskietfilm, wordt de karakteristieke absorptie van CdSe QD's (aanvullend bestand 1:Fig. S2) niet duidelijk weergegeven.

Lichtabsorptie (a ), fotoluminescentie (b ), en in de tijd opgelost PL-spectrum van de perovskietfilms met en zonder ETL-laag (c ). Apparaatskelet en uitlijning van energieniveau op de interface (d )

Om de ladingsoverdracht en het verzamelvermogen van deze nieuwe perovskiet/CdSe-interface te evalueren, hebben we de fotoluminescentie (PL) eigenschappen van verschillende monsters gekarakteriseerd. De kale MAPbI₃ film op ITO-glas vertoont een sterke PL-piek bij ongeveer 790 nm (Fig. 2b), terwijl deze piekintensiteit tot 80% wordt geblust voor het monster bedekt met CdSe / LiF-laag. Dit resultaat geeft aan dat de door fotonen gegenereerde ladingen effectief kunnen worden gescheiden bij de perovskiet / CdSe-interface. Het opnemen van de PEDOT:PSS anodebufferlaag onder de perovskietlaag dooft de PL-intensiteit verder uit. Voor verder bewijs werd het in de tijd opgeloste fotoluminescentie (TRPL) vervalspectrum gekarakteriseerd om het effect van een anorganische bufferlaag op de dragerdynamiek in de zonnecellen te onderzoeken. Voor pure perovskietfilm werd gemeld dat een langere PL-levensduur kon worden verkregen door het onderdrukken van ladingsrecombinatie met gemengd anti-oplosmiddel of oppervlaktepassivering [21, 22]. Hier in dit werk hebben we ons gericht op chloorbenzeen voor gemakkelijke vergelijking, hoewel andere antisolvents ook een positieve rol kunnen spelen bij de fabricage van uniforme perovskietfilms [23]. De resultaten in Fig. 2c laten zien dat het TRPL-signaal van perovskietfilm bedekt met CdSe / LiF een sneller verval heeft in vergelijking met de film zonder kathodebuffer, wat wijst op een snelle ladingsinjectie van MAPbI3 naar CdSe. Zoals getoond in figuur 2d, zou het perovskiet / CdSe-contact een typische type II heterojunctie kunnen vormen die excitondissociatie en ladingsoverdracht vergemakkelijkt. De resultaten tonen dus aan dat de aangenomen CdSe QDs / LiF-laag elektronisch gunstig is voor ladingsextractie als een kathodebufferlaag. Daarom is het zeer te verwachten dat een redelijke fotovoltaïsche prestatie wordt behaald door de PEDOT:PSS/MAPbI3/CdSe/LiF heterostructuur toe te passen. De vlakke zonnecel werd dus gefabriceerd met CdSe QD's en PEDOT:PSS als respectievelijk de kathode- en anodebufferlaag, zoals weergegeven in figuur 2d.

De fotovoltaïsche prestaties van zonnecellen zonder ETL werden ook gefabriceerd en gemeten als referentie. De prestatiestabiliteit en herhaalbaarheid van dit apparaat bleken erg slecht te zijn. Het beste apparaat dat in ons werk is verkregen, genereerde een spanningsgerichte regeling (Voc) van 0,88 V, stroomdichtheid (Jsc) van 10 mA/cm ² , vulfactor (FF) van 48% en een conversie-efficiëntie van 4,2% (Fig. 3a). Introductie van CdSe/LiF-bufferlaag zou de prestaties aanzienlijk kunnen verbeteren. Een 10-nm CdSe QDs-laag zou sterk verbeterde prestaties kunnen genereren, terwijl een dubbele laag met 25 nm CdSe en 1 nm LiF bovenop de beste doelzonnecellen produceert. Een gemiddelde conversie-efficiëntie van 14,2% wordt bereikt met een Voc van 0,99 V, een Jsc van 20,5 mA/cm ² , en een FF van 69,9%. Verdere toename van de CdSe QDs-laagdikte zal de prestaties verslechteren als gevolg van de grotendeels verhoogde serieweerstand (tabel 1). Opgemerkt wordt dat deze prestatie alleen kon worden verkregen met CdSe QD's die waren afgedekt met pyridine. Het originele OA-ligand speelt altijd een nadelige rol bij de overdracht en verzameling van lading, en vertoont een S-vormige I -V curve (Extra bestand 1:Fig. S3). De uitstekende fotovoltaïsche prestaties van het gebruik van de CdSe/LiF-bufferlaag worden ook bevestigd door de EQE-resultaten (Fig. 3b). Integratie van de EQE-waarden genereert een Jsc-waarde van 20,2 mA/cm ² dat is heel dicht bij de hierboven gemeten. Het is opgevallen dat de prestaties die zijn verkregen met onze gemodificeerde bufferlaag tot de topwaarden behoren van gerapporteerde perovskiet-zonnecellen met enkele andere bufferlagen [14, 15], wat de veelbelovende effectiviteit van deze nieuwe ETL aantoont.

Fotovoltaïsche prestaties van zonnecellen zonder en met CdSe QD-lagen met verschillende diktes (a ). Externe kwantumefficiëntie en de geïntegreerde stroomdichtheid van de geoptimaliseerde zonnecel (b )

Om het aanpassingsvermogen van de CdSe QDs/LiF-laag verder te bevestigen, werden de prestatiegegevens van meer dan 50 apparaten in verschillende batches verzameld. Figuur 4a toont de efficiëntiestatistieken van de verkregen zonnecellen. De efficiëntieverdeling is wat groot met een gemiddelde waarde van 14,2%; de beste en de slechtste apparaten genereren een efficiëntie van respectievelijk 15,1 en 12,7%. Normaal gesproken hebben we verse CdSe QD's gesynthetiseerd voor elke batch fabricage van zonnecellen. De QD-kwaliteit kan prestatiefluctuaties tussen verschillende batches veroorzaken vanwege de occasionele aggregatie van QD's tijdens liganduitwisseling. In de buurt van de gemiddelde waarde vertonen de zonnecellen echter een goede herhaalbaarheid. Het beste apparaat vertoont geen merkbare hysterese tijdens de achterwaartse en voorwaartse scans (Fig. 4b). Bovendien merken we dat dit efficiëntiemaximum van het CdSe/LiF ETL-apparaat dicht bij dat van een traditionele PCBM ETL ligt met een maximale efficiëntie van 16,14% (aanvullend bestand 1:Fig. S4). Voor de stabiliteit van het apparaat hebben we de prestaties bijgehouden onder continu licht. De zonnecellen met CdSe/LiF vertonen een kleine prestatieverbetering aan het begin van de verlichting vanwege het lichtdoorlatende effect dat vaak werd waargenomen in perovskiet-zonnecellen [24, 25]. Opgemerkt moet worden dat de I -V de meting werd gestart na de eerste ontploffing gedurende ongeveer 5 s. Dus de prestatiestabiliteit werd geregistreerd na 5 s van lichte verlichting (Fig. 4c). Het is te zien dat zowel de stroomdichtheid als de conversie-efficiëntie stabiel is tijdens de getoonde lichtdoordringingstijd, wat betekent dat de perovskiet-zonnecellen met CdSe/LiF ETL stabiel zijn. Zonder ETL-afdekking vertonen de zonnecellen echter een drastische afname tijdens de eerste paar seconden van verlichting. Dit resultaat toont aan dat onze bufferlaag gemakkelijk een positieve rol kan spelen bij het remmen van vocht en zuurstof die een snelle verslechtering van de prestaties van zonnecellen kunnen veroorzaken.

Prestatiestatistieken van de zonnecellen (a ), Ik -V krommen van de vooruit- en achteruit-can-modus van de beste zonnecel (b ) en vergelijking van prestatiestabiliteit van de zonnecellen met en zonder ETL (c )

Als de elektronenextractielaag moet de CdSe/LiF efficiënt elektronen verzamelen en gaten in de perovskietfilm remmen. Figuur 5a toont de donkere stroomdichtheid bij verschillende voorspanningen. Het referentieapparaat vertoont een grote stroomlekkage door de afwezigheid van een kathodebufferlaag. Aan de andere kant werd een veel betere rectificatiefactor verkregen door de introductie van CdSe/LiF ETL en daardoor wordt de stroomlekkage verminderd. Verdere karakterisering van deze eigenschap wordt uitgevoerd door middel van elektrochemie-impedantiespectrum (EIS). Afbeelding 5b toont de EIS-resultaten van de twee apparaten in het donker in een open circuit. Vergeleken met de referentie vertoont het doelapparaat een grotere diameter van de halve cirkel, dat wil zeggen een grotere weerstand tegen ladingsrecombinatie in de perovskietfilm en bij de perovskiet/ETL-interface [26, 27]. De toevoeging van perovskiet / CdSe-interface zou de waarde van de recombinatieweerstand (Rct) van de ladingsoverdracht kunnen verhogen, zoals weergegeven in de inzet van figuur 5b, wat wijst op een verminderde ladingsrecombinatie nabij de kathode. Onze resultaten demonstreren dus een verbeterde ladingsoverdracht en extractie via de CdSe/LiF ETL.

Donkere stroomdichtheid (a ) en elektrochemisch impedantiespectrum (b ) van de zonnecellen met en zonder ETL

Om het vermogen van deze bufferlaag om lading te verzamelen verder te evalueren, hebben we de kortsluitstroomdichtheid gekarakteriseerd onder verschillende lichtintensiteiten en de resultaten worden getoond in Fig. 6a. Beide apparaten vertonen een bijna lineaire toename in Jsc na de toename van de lichtintensiteit. Het CdSe/LiF-apparaat vertoont een veel snellere toename dan de referentie, wat een verbeterde capaciteit voor het verzamelen van ladingen bij een hogere lichtintensiteit aantoont. Deze eigenschap wordt ook aangegeven door het oppervlakte-fotospanningsspectrum (SPV) in figuur 6b. Zonder bufferlaag genereert het apparaat relatief zwakke SPV-signalen in het zichtbare lichtgebied, terwijl de toepassing van de CdSe/LiF-laag de SPV-waarden in hetzelfde gebied aanzienlijk verbetert. Aangezien het SPV-signaal gecorreleerd is met het genereren van lading en daarna transport naar het filmoppervlak [17, 28], zou de grotere SPV-waarde in het doelapparaat redelijkerwijs kunnen worden verklaard door de verbeterde ladingsverzameling en transport door een type II heterojunctie bij de perovskiet /ETL-interface, zoals weergegeven in Fig. 2d.

Afhankelijkheid van lichtintensiteit van stroomdichtheid (a ) en oppervlakte-fotospanningsspectrum (b ) van de zonnecellen