Perovskiet-zonnecellen vervaardigd met behulp van een milieuvriendelijk aprotisch polair additief van 1,3-dimethyl-2-imidazolidinon

Resultaten en discussie

Figuur 1a, b toont FTIR-transmissiespectra van de zuivere DMF- en DMI-oplosmiddelen en hun overeenkomstige Lewis-adducten. De rektrilling van C=O-bindingen bevindt zich op 1670 en 1697 cm ⁻¹ voor respectievelijk de DMF- en DMI-oplosmiddelen. Bij het vormen van Lewis-adducten schakelen de C=O-pieken afzonderlijk terug naar 1658 en 1668 cm ⁻¹ . Het geeft aan dat zowel de DMI als de DMF kunnen communiceren met PbI₂ via datieve Pb-O-bindingen, die afzonderlijk Lewis-adducten van PbI₂ vormen ∙DMI en PbI₂ ∙DMF [26, 27]. Afbeelding 1c toont TGA-curven van PbI₂ poeder en zijn Lewis-adducten van PbI₂ ∙DMI en PbI₂ DMF. De PbI₂ ·DMF ontleedt volledig tot PbI₂ bij 120 °C, terwijl PbI₂ ·DMI ontleedt volledig bij 200 °C. Het geeft aan dat de PbI₂ ·DMI-adduct is stabieler dan de PbI₂ ·DMF door de sterkere moleculaire interactie tussen DMI en PbI₂ . Daarom neigt het om PbI₂ . te vormen ∙DMI wanneer DMI bestaat in de PbI₂ /DMF-precursoroplossing. Figuur 1d toont XRD-curven van de Lewis-adducten van PbI₂ ∙DMI en PbI₂ ∙DMF, die zijn bereid uit PbI₂ /DMF-oplossing toevoegen met en zonder 10 vol% DMI. De PbI₂ ·DMI heeft twee karakteristieke diffractiepieken bij 7,97° en 9,21°, die kleiner zijn dan die van de PbI₂ ∙DMF (9,12° en 9,72°).

een Fouriertransformatie infraroodtransmissiespectra van DMF en PbI₂ DMF. b Fouriertransformatie infraroodtransmissiespectra van DMI en PbI₂ DMI. c Thermische gravimetrische analyse van de PbI₂ Lewis adducten. d XRD-curven van de Lewis-adducten van PbI₂ ∙DMI en PbI₂ ∙DMF

Wanneer ondergedompeld in MAI/2-propanol-oplossing, worden de Lewis-adducten van PbI₂ ∙DMI wordt omgezet in perovskiet door moleculaire uitwisseling tussen DMI en MAI op basis van de volgende formule:

Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2 toont XRD-curven van de gegloeide perovskietfilms bereid door onderdompeling van Lewis-adducten van PbI₂ ∙DMI in de MAI/2-propanol-oplossing voor verschillende tijden. De XRD-pieken bij 12,7° en 14,2° worden toegewezen aan (001) van de PbI₂ en (110) van de perovskiet, respectievelijk [11, 28]. Het laat zien dat de PbI₂ ∙DMI wordt binnen 2 minuten volledig omgezet in perovskiet. Er zijn enkele resterende PbI₂ in de perovskietfilms wanneer de reactietijd minder is dan 120 s.

Afbeelding 2 toont SEM-afbeeldingen van de PbI₂ films en bijbehorende perovskietfilms bereid uit de PbI₂ /DMF oplossing toevoegen met verschillende hoeveelheden DMI. Alle monsters worden gedurende 30 minuten bij 100 ° C gegloeid vóór SEM-karakterisering. In vergelijking met DMF heeft DMI een hoger kookpunt en een sterkere interactie met PbI₂ . Daarom is de morfologie van de PbI₂ films veranderen duidelijk met de concentratie van DMI. De PbI₂ korrels veranderen van ramiform naar plaatachtig wanneer 10 vol% DMI wordt toegevoegd aan de PbI₂ /DMF-precursoroplossing (zie Fig. 2a, b). Echter, de PbI₂ films veranderen in poreus en zelfs discontinu, wanneer de DMI-concentratie toeneemt tot 20 vol% (figuur 2c). De resulterende MAPbI₃ films worden beïnvloed door de PbI₂ films aanzienlijk. De perovskietfilm heeft dus een uniforme korrel en een glad oppervlak voor het monster dat is bereid uit de oplossing met toevoeging van 10 vol% DMI (zie figuur 2e), wat beter is dan dat zonder DMI. Overmatige DMI kan echter leiden tot discontinue films (zie figuur 2f), die nadelig zijn voor de fotovoltaïsche prestaties van PSC's.

SEM-afbeeldingen van de PbI₂ films (boven) en perovskietfilms (onder) a , d zonder DMI, b , e 10% DMI en c , v 20% DMI

Ondanks de uniforme korrel en het gladde oppervlak, is de korrelgrootte van MAPbI₃ vervaardigd uit PbI₂ /DMF-oplossing met 10% DMI en gegloeid bij 100 °C is niet groot genoeg. Volgens de TGA-curven in figuur 1c ontsnapt de DMI uit de Lewis-adducten bij een hogere temperatuur dan de DMF. Hierin verhogen we de gloeitemperatuur. Figuur 3a, b toont bovenaanzicht SEM-afbeeldingen van de perovskietfilms die zijn bereid door uitgloeien bij 100 en 130 ° C uit de oplossing, waaraan 10 vol% DMI wordt toegevoegd gedurende 10 minuten. Het is duidelijk dat de korrelgrootte toeneemt naarmate de gloeitemperatuur stijgt. De gemiddelde korrelgroottes zijn 216 en 375 nm voor de monsters die zijn bereid bij een gloeitemperatuur van respectievelijk 100 en 130 °C (zie Aanvullend bestand 1:Figuur S3). Figuur 3c, d toont transversale SEM-afbeeldingen van de perovskiet-zonnecellen. Het laat zien dat de perovskiet-zonnecellen ongeveer 250 nm dikke perovskietlagen hebben. Het bevat slechts één korrel in het grootste deel van de monsters die zijn gegloeid bij hoge temperatuur (130 ° C), wat toe te schrijven is aan de grotere korrelgrootte dan de filmdikte. Bij het verhogen van de gloeitemperatuur tot 160 °C, zijn er enkele resterende PbI₂ in de perovskietfilms (zie aanvullend bestand 1:figuur S4), wat resulteert in slechte fotovoltaïsche prestaties (zie aanvullend bestand 1:figuur S5 de beste PCE = 8.53%).

SEM-afbeeldingen van de MAPbI₃ films (boven) en bijbehorende perovskiet-zonnecellen (onder). een , c De perovskietfilms zijn gemaakt van PbI₂ /DMF-precursoroplossing toevoegen met 10 vol% DMI en gloeien bij 100 °C en b , d bij 130 °C

Afbeelding 4a toont J –V curven van de beste cellen vervaardigd uit de oplossing met toevoeging van verschillende DMI-additieven. De bijbehorende fotovoltaïsche parameters staan ​​vermeld in Tabel 1. De PSC's vertonen de beste fotovoltaïsche prestaties met een PCE van 14,54%, een korte stroomdichtheid (J _sc ) van 21,05 mA/cm ² , een open spanning (V _oc ) van 1,02 V en een vulfactor (FF) van 67,72% voor de monsters vervaardigd uit DMF-oplossing met toevoeging van 10 vol% DMI en gloeien bij 130 ° C. Voor de PSC's die zijn vervaardigd uit dezelfde voorloperoplossing en gloeien bij 100 ° C, is de beste PCE slechts 12,84%. De PSC's die zijn vervaardigd uit de oplossing met DMI-additief hebben betere fotovoltaïsche prestaties dan die van de oplossing zonder DMI (de beste PCE = 10,72%, J _sc = 20,14 mA/cm ² , V _oc = 0,97 V, FF = 55,14%). Een reeks fotovoltaïsche parameters voor de PSC's die zijn vervaardigd uit verschillende omstandigheden, vertonen dezelfde neiging als de beste PSC's, zoals weergegeven in Fig. 4c-f. De apparaten vervaardigd uit de oplossing met 10 vol% DMI en uitgloeien bij 130 ° C vertonen een hogere PCE dan die van de pure DMF. Figuur 4b toont een incident foton-naar-stroom efficiëntie (IPCE) resultaat van een PSC vervaardigd uit DMF-oplossing met toevoeging van 10 vol% DMI, wat een goede kwantumopbrengst vertoont. Opgemerkt wordt dat de geïntegreerde J _sc is ongeveer 10% lager dan die verkregen uit de omgekeerde scan. Deze discrepantie kan het gevolg zijn van de spectrale mismatch tussen de IPCE-lichtbron en de zonnesimulator en van het verval van de apparaten tijdens de meting in lucht [29]. Om het stabilisatie- of verzadigingspunt van fotostroom te controleren voor de PSC's die zijn vervaardigd uit de oplossing met 10 vol% DMI en uitgloeien bij 130 ° C, hebben we de stationaire stroom van een typische PSC gemeten bij een voorspanning dichtbij het maximale vermogenspunt ( 0,78 V), zoals weergegeven in Extra bestand 1:Afbeelding S6a. De PSC laat een stabiele output zien. Het apparaat vertoont een duidelijk hysterese-fenomeen in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S6b.

een J –V curven van de beste PSC's vervaardigd uit verschillende omstandigheden. b IPCE-spectrum van de beste PSC's vervaardigd uit voorloperoplossing, toegevoegd met 10% DMI en gloeien bij 130 ° C. Kaderdiagrammen van fotovoltaïsche parameters verkregen uit licht J –V curven van een reeks PSC's. c J _sc , d V _oc , e FF, f PCE

Figuur 5a toont impedantiespectra van de PSC's gemeten in het donker bij een voorwaartse bias van 0,9 V. De inzet van figuur 5a is een equivalent circuit dat bestaat uit serieweerstand (R _s ), recombinatieweerstand (R _rec ) en de transportweerstand (R _HTM ) [30]. De R _s van de PSC's vermindert van 26,16 tot 14,30 door 10% DMI in DMF toe te voegen en te gloeien bij 130 ° C in vergelijking met zonder DMI. De kleine R _s faciliteert transport van vervoerders, wat leidt tot een hoge J _sc [31]. Integendeel, de R _rec stijgt van 46,49 tot 2778 door toevoeging van 10 vol% DMI in DMF en gloeien bij 130 ° C in vergelijking met pure DMF. De hoge R _rec onderdrukt effectief de ladingsrecombinatie voor verbeterde apparaatprestaties.

een Nyquist-grafieken van de perovskiet-zonnecellen in het donker met een bias van 0,9 V. b Stabiele PL-spectra van de perovskietfilms. c Tijdsopgeloste PL-spectra gebaseerd op de bi-exponentiële vervalfunctie vervaardigd uit drie verschillende omstandigheden

Afbeelding 5b toont PL-spectra in stabiele toestand van de MAPbI₃ films afgezet op mesoporeuze TiO₂ substraat. De PL-spectra worden gedoofd voor de perovskietfilms vervaardigd uit de oplossing met 10% DMI en uitgloeien bij 130 °C, wat aangeeft dat de ladingen effectief worden overgedragen van MAPbI₃ in een TiO₂ film voordat ze opnieuw worden gecombineerd op het grensvlak voor het monster. Vergeleken met die vervaardigd uit het pure DMF, kan het toevoegen van een DMI-additief de ladingsoverdracht verbeteren. Om meer inzicht te krijgen in ladingsoverdracht, time-resolved PL van de MAPbI₃ films afgezet op de mesoporeuze TiO₂ substraat worden ook uitgevoerd (zie Fig. 5c). De spectra zijn goed uitgerust met een bi-exponentiële vervalfunctie:

waar τ ₁ en τ ₂ zijn respectievelijk de vervaltijd van de twee vervalprocessen. Het geeft aan dat er een snelle (τ ₁ ) en een langzame (τ ₂ ) verval in de PSC's. Het snelle vervalproces wordt beschouwd als een uitdovingseffect van vrije dragers in de perovskietfilm naar de elektronentransportlaag (ETL) of HTM, terwijl het langzame vervalproces wordt beschouwd als het stralingsverval [32, 33]. De τ ₁ vermindert van 3,71 naar 2,80 ns bij toevoeging van 10% DMI en uitgloeien bij 100 °C. Verder is de τ ₁ vermindert tot 1,90 ns bij toevoeging van 10% DMI en uitgloeien bij 130 °C, wat aantoont dat de elektronen sneller van de perovskietfilm naar de TiO₂ gaan ETL-laag, zoals blijkt uit sterkere steady-state PL-quenching. Wij zijn van mening dat de verbeterde ladingsoverdrachtssnelheid wordt toegeschreven aan de toename van grote korrels en het verminderen van de korrelgrens in de perovskietfilms door DMI toe te voegen.