Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen

Abstract

Hoogwaardige en reproduceerbare fabricageroutes voor perovskietlagen zijn essentieel voor de implementatie van efficiënte vlakke zonnecellen. Hier introduceren we een sequentiële dampverwerkingsroute op basis van fysieke vacuümverdamping van een PbCl2 laag gevolgd door chemische reactie met methylammoniumjodidedamp. De gedemonstreerde damp-gegroeide perovskietlagen vertonen een compacte, gaatjesvrije en uniforme microstructuur met een gemiddelde korrelgrootte van ~ -320 nm. Planaire heterojunctie perovskiet zonnecellen worden vervaardigd met behulp van TiO2 en spiro-OMeTAD ladingtransporterende lagen in gewone n -ik -p formulier. De apparaten vertonen de beste efficiëntie van 11,5% met een kleine afwijking die wijst op de hoge uniformiteit en reproduceerbaarheid van de perovskietlagen die door deze route worden gevormd.

Achtergrond

Hybride perovskietmaterialen zijn de meest concurrerende kandidaten als lichtabsorbeerder van het fotovoltaïsche tijdperk van de volgende generatie met hun unieke kenmerken, waaronder intense optische absorptie, directe en afstembare bandgap, hoge draaggolfmobiliteit, lange ladingsdiffusielengte, ondiepe defectniveaus met weinig mid-gap-toestanden , en brede afstemming op de samenstelling volgens het metaalhalogenideraamwerk en ingevoegde organische soorten [1,2,3,4,5,6,7,8]. Ze zijn gebruikt in twee soorten architecturen, zoals mesoscopische nanogestructureerde en eenvoudige vlakke gestructureerde. De voorbereiding van hoogwaardige pinhole-vrije perovskietlagen voor vereenvoudigde vlakke architectuur vereist een aanzienlijke inspanning. Er zijn verschillende methoden gebruikt om perovskietlagen te maken, zoals druppelen met oplosmiddelen, sequentiële dompelcoating, vacuümverdamping met twee bronnen en groei met behulp van damp [9,10,11,12,13,14,15,16]. Vacuümafzetting zorgt voor een zeer uniforme laagvorming over het gehele substraatgebied, met het vermogen om de dikte te regelen. Bovendien is bekend dat dampondersteunde kristallisatie reproduceerbaar zorgt voor een dicht opeengepakte microstructuur door gecontroleerde chemische reactiesnelheid via diffusie van organisch materiaal [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26].

Hier rapporteren we een nieuwe sequentiële dampverwerkingsroute door CH3 NH3 I (MAI)-dampdiffusie in vacuüm gedeponeerd PbCl2 lagen, wat resulteert in volledig bedekte en zeer uniforme perovskietlagen. Vlak n -ik -p heterojunctie perovskiet zonnecellen worden met succes gedemonstreerd door gebruik te maken van TiO2 en 2,2',7,7'-tetrakis-(n,n-di-4-methoxyfenylamino)-9,9'-spirobifluoreen (spiro-OMeTAD) ladingstransporterende lagen. Champion-cellen behalen een stroomconversie-efficiëntie (PCE) tot 11,5%. Onze resultaten laten zien dat deze route haalbaar is om op een gecontroleerde manier uniforme en reproduceerbare perovskietlagen te fabriceren.

Methoden/experimentele procedure

Apparaatfabricage

Apparaten werden vervaardigd op met fluor gedoteerde tinoxide (FTO) gecoate glassubstraten. De substraten werden achtereenvolgens gereinigd in een ultrasoonbad met aceton, methanol, isopropanol en gedeïoniseerd water en vervolgens gedurende 15 minuten blootgesteld aan ultraviolet-ozon. Voor elektronentransporterende lagen werden 450 en 600 mM titaniumdiisopropoxidebis (acetylacetonaat) in n-butanol (75 gew.% in isopropanol) dubbel gecoat bij 2500 tpm gedurende 20 s en gedurende 30 minuten bij 500 ° C in lucht uitgegloeid om compact TiO te vormen 2 lagen. De TiO2 -gecoate substraten werden in een vacuümkamer geplaatst en PbCl2 werd verdampt tot een snelheid van 1 / s gedurende ~ -16 min bij kamertemperatuur. Methyl-ammoniumjodide (MAI) dampbehandelingen werden uitgevoerd in een drogende vacuümoven met behulp van MAI-poeder verspreid rond de PbCl2 -gecoate ondergronden. Vervolgens werden de voorbereide zwarte monsters gewassen met isopropanol om het MAI-residu te verwijderen en vervolgens gedurende 1 uur bij 100 ° C gegloeid. Voor gatentransportlagen werden voorloperoplossingen bereid door spiro-OMeTAD in chloorbenzeen te mengen met tert-butylpyridine en lithiumbis(trifluormethylsyfonyl)imidezout in acetonitril. De oplossingen werden gecentrifugeerd bij 4000 rpm gedurende 40 s, en vervolgens werden de beklede monsters een nacht in de lucht gehouden voor oxidatie. Ten slotte werd de fabricage van het apparaat voltooid door thermische verdamping van Au-elektroden.

Karakterisering

De kristalstructuur werd geanalyseerd met röntgendiffractie (XRD, Ultima IV:RIGAKU) en de morfologie van de perovskietlaag werd waargenomen met een veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (FE-SEM, S-4300:HITACHI). De optische absorptiegegevens werden verkregen met behulp van een UV-Vis-spectrofotometer (UV-1601PC:Shimadzu). De fotostroomdichtheid-spanning (J -V ) curven van de perovskiet-zonnecelapparaten werden opgenomen met een zonnesimulator (94021A:Newport) onder AM 1.5G (100 mW/cm 2 ) bestraling. Tijdens de metingen werden de zonnecelapparaten gemaskeerd met een apertuur van 0,09 cm 2 .

Resultaten en discussie

Een nieuwe route met behulp van sequentiële dampverwerking biedt reproduceerbare vorming van pinhole-vrije, dicht opeengepakte kristallijne perovskietlagen. Figuur 1a illustreert in het kort het fabricageproces van de hoogwaardige perovskietlagen. Ten eerste, PbCl2 wordt verdampt in een vacuümkamer met behulp van een effusiecel op TiO2 /FTO/glassubstraten, waardoor reproduceerbare homogene lagen over het gehele substraatoppervlak worden geproduceerd. Bovendien maakt een goed gedefinieerde afzettingssnelheid door vacuümafzetting de diktecontrole van PbCl2 en resulterende perovskietlagen gemakkelijk, vergeleken met vloeibare verwerking. Het verkregen homogene en transparante PbCl2 monsters worden overgebracht naar glazen petrischalen terwijl de beklede zijden naar boven wijzen. Voor MAI-verdamping verspreidt MAI-poeder zich rond de PbCl2 -gecoate substraten, en elke petrischaal is strak bedekt met een ander glazen deksel aan de bovenkant, wat zorgt voor een goed besloten ruimte. In een vacuümoven worden verschillende temperaturen en perioden gevolgd om de beste conditie voor perovskietvorming te achterhalen. Aangezien het proces een rol speelt bij MAI-diffusie en -reactie, evenals bij de verdamping, wordt de voorkeur gegeven aan een gematigde toestand voor reproduceerbare vorming van perovskiet met hoge kristalliniteit. Ten slotte wordt nagloeien uitgevoerd om de kristalliniteit te verbeteren door voldoende reactie van niet-gereageerde componenten. Figuur 1b toont de optische absorptiespectra van de PbCl2 en perovskietmonsters met de representatieve voorbeeldfoto's. De donkerbruin gekleurde homogene laag met de verwachte absorptierand rond 785 nm geeft de succesvolle kristallisatie van het perovskiet via deze route aan. Bovendien blijkt de bandgap-waarde geschat op basis van de Tauc-plot (aanvullend bestand 1:figuur S1) ongeveer 1,58 eV te zijn, wat goed overeenkomt met de literatuur [27, 28].

een Schematische weergave van het fabricageproces, via PbCl2 verdamping, MAI-verdamping en diffusie, en nagloeien. b UV-Vis absorptiespectra van de PbCl2 en perovskietlagen. Overeenkomstige voorbeeldfoto's worden in inzet weergegeven

Eerst werd het effect van de MAI-procestemperatuur op de vorming van perovskiet ruwweg onderzocht met behulp van absorptiespectra. Zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Figuur S2, was 150 °C de optimale conditie met de duidelijke perovskietabsorptierand, wat waarschijnlijk te wijten is aan de optimalisatie tussen MAI-verdamping en perovskietvormingsreactie. Daarna werd meer gedetailleerd onderzoek uitgevoerd, zoals de MAI-procesperiode en de uitvoering na het gloeien, en werden XRD-analyses uitgevoerd om de evolutie van kristalgroei te begrijpen (Fig. 2). Alle monsters vertonen de karakteristieke perovskietdiffractiepieken toegeschreven aan tetragonale kristalstructuur, en relatief sterke intensiteiten aan de [001] en [110] richtingen bevestigen dat een sterk uitgelijnde kristaloriëntatie werd verkregen [29,30,31]. Hoewel de diffractie-intensiteiten van de tweede fasen erg klein zijn, kan de fasetransformatievolgorde worden afgeleid uit hun neiging volgens de toegepaste thermische energie. Wanneer de MAI-verdampingsperiode slechts 2 uur wordt aangehouden zonder te gloeien, verschijnen er pieken tussen 11° en 12°. De eerdere onderzoeken meldden dat deze pieken verband hielden met de H2 O-geïncorporeerd perovskietcomplex ((CH3 NH3 )4 PbI6 ·2H2 O) die kan worden gevormd door vocht en overtollig MAI [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42]. Bij toepassing van de nagloeibehandeling (bij 100 °C gedurende 1 uur) geven deze pieken plaats aan een PbI2 piek door het vrijkomen van vocht en/of MAI [32, 43, 44]. Wanneer de MAI-verdampingsperiode wordt verlengd tot 4 uur met de stap na het uitgloeien, volledige conversie van PbCl2 tot perovskiet wordt verkregen.

XRD-gegevens van de perovskiet-dunne films, volgens MAI-verwerkingstijd en uitvoering na uitgloeien. De perovskietvlakindices worden toegewezen, en de pieken voor het perovskietcomplex, PbI2 , en FTO worden ook respectievelijk aangeduid als δ, * en #

Het vervaardigen van perovskiet zonder gaatjes is essentieel voor efficiënte vlakke zonnecellen. Onze route waarbij gebruik wordt gemaakt van fysieke vacuümdepositie, produceert reproduceerbaar compact en uniform perovskiet over het volledige substraatoppervlak. Het onderzoek naar de morfologie en microstructuur van de perovskietlagen werd uitgevoerd met SEM-analyses. Pinhole-vrije, uniforme en homogene oppervlaktekenmerken worden onthuld met het SEM-beeld met lage vergroting (figuur 3a). De dicht opeengepakte korrels met volledige dekking worden ook gezien in de modus met hoge vergroting (figuur 3b). De gemiddelde korrelgrootte werd geëxtraheerd als ~ -320 nm met behulp van een Gauss-passing van het histogram zoals weergegeven in figuur 3c. Het dwarsdoorsnede-aanzicht in Fig. 3d geeft duidelijk de duidelijke en continu gegroeide morfologie van de perovskietlaag weer. Bovendien is de gemiddelde perovskietdikte (~ 220 nm) kleiner dan de gemiddelde korrelgrootte, waardoor het verticale transport van ladingsdragers door de korrels wordt gegarandeerd.

SEM-analyses van de 220 nm dikke perovskietlaag. een Afbeelding met lage vergroting. b Afbeelding met hoge vergroting. c Histogram dat de korrelgrootteverdeling toont. d Dwarsdoorsnede

Het apparaatschema van de gefabriceerde n-i-p -type vlakke heterojunctie perovskiet zonnecellen wordt gegeven samen met de representatieve J-V krommen voor vijf verschillende perovskietdiktes in Fig. 4a, b. De fotovoltaïsche parameters geëxtraheerd uit de J-V curven zijn samengevat in tabel 1. Het is vermeldenswaard dat onze dampverwerking een vrije dikteregeling mogelijk maakt door een goed gedefinieerde afzettingssnelheid, waardoor een gemakkelijke optimalisatie van de apparaatefficiëntie wordt gegarandeerd. De geoptimaliseerde cellen bleken een gemiddelde efficiëntie van 11,2% te hebben met een perovskietdikte van 220 nm. De kleinere optimale dikte, vergeleken met die in de literatuur die een hoog rendement laat zien door een oplossingsproces, wijst erop dat het vermogen om lading te verzamelen van onze perovskiet verder moet worden verbeterd. Het is noodzakelijk om de kwaliteit van de perovskietlaag te ontwikkelen met de dampverwerkingsroute om recombinatie van dragers te verminderen. De standaarddeviatie werd berekend op basis van drie apparaten die voor elke conditie op hetzelfde substraat maakten. Ondanks de beperkte steekproefaantallen duiden de kleine afwijkingen op de uitstekende uniformiteit van de perovskietlagen op het hele substraatoppervlak met dit sequentiële dampproces. Afbeelding 4c geeft de hysterese-analyses weer als een functie van de scansnelheid voor het 220 nm dikke perovskietapparaat. De afhankelijkheid van de scansnelheid van de hysterese wordt duidelijk weergegeven. Bij de lage scansnelheid (300 mV/s), zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3, wordt de hysterese verwaarloosbaar met een gemiddelde efficiëntie van 7,5%. Voor n -ik -p structuur, hysterese met een hogere PCE bij reverse scan is gebruikelijk, wat aangeeft dat het verzamelen van dragers (dwz transport en / of overdracht op interfaces) efficiënter is met een specifieke distributie van capacitieve lading zoals ruimtelading en gevangen lading. Aan de andere kant werd steady-state PCE gecontroleerd op het maximale vermogenspunt zoals weergegeven in figuur 4d. De gestabiliseerde PCE- en stroomdichtheidswaarden werden verkregen als 7,5% en 14 mA/cm 2 , wat goed overeenkomt met het resultaat in Fig. 4c.

een Apparaat schema. b J -V krommen van de perovskiet-zonnecellen met verschillende perovskietdiktes. 1000 mV/s met reverse scan. c Scansnelheidsafhankelijke hystereseverandering, perovskietdikte:220 nm. d Gestabiliseerde output bij de maximale voedingspuntspanning

Conclusies

We rapporteerden een nieuwe fabricageroute door de fysieke vacuümdepositie van PbCl2 lagen en de volgende MAI-verdamping-geassisteerde perovskietgroei. De optische absorptie en XRD-spectra bevestigden de vorming van zeer kristallijne en zuivere perovskietlagen. Hoge kwaliteit, compacte en pinhole-vrije perovskietlagen werden bevestigd met een gemiddelde korrelgrootte van ~~320 nm. De perovskiet-zonnecellen van het reguliere type planaire heterojunctie werden vervaardigd met behulp van TiO2 en spiro-OMeTAD als respectievelijk elektronen- en gatentransporterende lagen. De kampioenscel vertoonde de beste efficiëntie van 11,5% met een kleine afwijking, wat de goede reproduceerbaarheid en uniformiteit van de perovskietlagen die door deze dampverwerkingsroute worden geproduceerd, betekent. Als toekomstig werk is het noodzakelijk om de kwaliteit van de perovskietlaag verder te ontwikkelen met het optimaliseren van de apparaatstructuur om de efficiëntie te verbeteren en het hysteresisgedrag te verminderen, terwijl de voordelen van de synthetische route behouden blijven.


Nanomaterialen

  1. Nanobomen voor kleurstofgevoelige zonnecellen
  2. Hoogrendement grafeen zonnecellen
  3. Nano-heterojuncties voor zonnecellen
  4. Een kort voortgangsrapport over hoogrenderende perovskiet-zonnecellen
  5. Zeer geleidende PEDOT:PSS transparante gattransportlaag met oplosmiddelbehandeling voor hoogwaardige silicium/organische hybride zonnecellen
  6. Elektrodepositie van SnO2 op FTO en de toepassing ervan in planaire heterojunctie perovskiet-zonnecellen als een elektronentransportlaag
  7. Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag
  8. De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
  9. Perovskiet-zonnecellen vervaardigd met behulp van een milieuvriendelijk aprotisch polair additief van 1,3-dimethyl-2-imidazolidinon
  10. Hybride UV-ozon-behandelde rGO-PEDOT:PSS als een efficiënt gattransportmateriaal in omgekeerde vlakke perovskiet-zonnecellen
  11. Effect van verschillende CH3NH3PbI3-morfologieën op fotovoltaïsche eigenschappen van perovskiet-zonnecellen