Hybride UV-ozon-behandelde rGO-PEDOT:PSS als een efficiënt gattransportmateriaal in omgekeerde vlakke perovskiet-zonnecellen
Abstract
Omgekeerde planaire perovskiet-zonnecellen (PSC's), die worden beschouwd als veelbelovende apparaten voor een nieuwe generatie fotovoltaïsche systemen, vertonen veel voordelen, zoals filmvorming bij lage temperatuur, goedkope fabricage en kleinere hysterese in vergelijking met die van traditionele nip PSC's. Als een belangrijke transportlaag voor dragers in PSC's, heeft de gatentransportlaag (HTL) een aanzienlijke invloed op de prestaties van het apparaat. Daarom wordt HTL-modificatie een van de meest kritieke problemen bij het verbeteren van de prestaties van PSC's. In dit artikel rapporteren we een effectieve en milieuvriendelijke UV-ozonbehandelingsmethode om de hydrofilie van gereduceerd grafeenoxide (rGO) te verbeteren met zijn uitstekende elektrische prestaties. De behandelde rGO werd aangebracht op gedoteerd poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) als HTL-materiaal van PSC's. Bijgevolg waren de prestaties van rGO/PEDOT:PSS-gedoteerde PSC's aanzienlijk verbeterd, met een stroomconversie-efficiëntie (PCE) van 10,7%, J sc van 16,75 mA/cm 2 , V oc van 0,87 V en FF van 75%. De PCE van deze gedoteerde PSC's was 27% hoger dan die van de PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL. Deze prestatie werd toegeschreven aan de uitstekende oppervlaktemorfologie en geoptimaliseerde gatenmobiliteit van de in oplossing verwerkbare rGO-gemodificeerde PEDOT:PSS.
Achtergrond
Als een van 's werelds top 10 wetenschappelijke en technologische doorbraken in 2013, wordt hybride organisch-anorganisch perovskietmateriaal beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor de ontwikkeling van zeer efficiënte fotovoltaïsche apparaten vanwege zijn uitstekende foto-elektrische eigenschappen [1,2,3]. In de afgelopen 7 jaar is de stroomconversie-efficiëntie (PCE) van perovskietzonnecellen (PSC's) opmerkelijk gestegen van 3,8 naar 22,1%, wat beter is dan die van conventionele polykristallijne siliciumzonnecellen [4]. Helaas is de traditionele vervaardiging van n-i-p-type PSC's met een gloeiprocedure bij hoge temperatuur niet beschikbaar voor flexibele substraten, waardoor de commerciële vooruitzichten worden beperkt. Het nieuwe zonnecelapparaat, dat voor het eerst werd gefabriceerd door Guo et al. in 2013 en leverde een PCE 3,9% [5], bestaat uit poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) poly(styreen-sulfonaat) (PEDOT:PSS) als gatentransportlaag (HTL) en [6,6]-fenyl C61 -boterzuurmethylester als elektronentransportlaag (ETL). In het bijzonder wordt het p-type gatentransportmateriaal (HTM) afgezet voorafgaand aan de perovskiet-lichtabsorptiefilm. Vervolgens wordt de n-type ETL op de perovskietfilm afgezet. Deze p-i-n-architectuur is een omgekeerde structuur, die veel uitstekende eigenschappen vertoont, zoals gemakkelijke fabricage, kosteneffectiviteit, kleine hysterese en hoge vulfactor, vergeleken met die van traditionele n-i-p-apparaten [6,7,8]. Tot op heden hebben de omgekeerde vlakke PCS's veel belangstelling gewekt [9, 10]. Onderzoekers gebruikten verschillende methoden, waaronder structuuroptimalisatie [11,12,13], ontwikkeling van verbeterde HTL [13] en ETL [14, 15], kristallijne en morfologische controle van perovskieten [16, 17] en grensvlakengineering [18 ,19,20], om de efficiëntie van omgekeerde PSC's te verbeteren. Helaas is de efficiëntie van omgekeerde planaire zonnecellen nog steeds lager dan die van traditionele structuur [21].
Grafeen is een soort 2D koolstof nanomateriaal dat is samengesteld uit sp 2 -gehybridiseerde koolstofatomen in een hexagonale structuur [22]. Dit materiaal heeft uitstekende voordelen op het gebied van elektrische geleidbaarheid, optische transparantie en omgevingsstabiliteit [23, 24]. HTL-modificatie is een van de belangrijkste problemen voor het verbeteren van de prestaties van omgekeerde vlakke PSC's. Bijvoorbeeld Yeo et al. toegepast gereduceerde grafeenoxide (rGO) nanosheets als HTL's, en de rGO-basis zonnecel vertoonde een superieure apparaatefficiëntie (10,8%) op PEDOT:PSS- en GO-gebaseerde zonnecellen [25]. Jokar et al. besprak het ladingsextractiegedrag van GO en rGO als p-contactlagen voor PSC's, wat aantoont dat de rGO die is gesynthetiseerd via GO-reductie met reductiemiddelen hoogwaardige omgekeerde vlakke heterojunctie PSC's [26] verkrijgt. Bovendien kunnen grafeenmaterialen dienen als opmerkelijke doteermiddelen om de ladingstransportlaag te wijzigen vanwege hun lange levensduur van hete elektronen en ultrasnelle extractie-eigenschappen van hete elektronen [27]. Commerciële grafeenmaterialen, zoals rGO, aggregeren echter wanneer ze in water worden gedispergeerd vanwege de afwezigheid van hydrofiele functionele groepen. GO vertoont een lage geleidbaarheid vanwege de beschadigde geconjugeerde structuur. Dus een in oplossing verwerkbaar grafeen met zowel uitstekende elektrische eigenschappen, zoals rGO, als goede dispersie-eigenschappen, zoals GO, zou goed moeten worden vervaardigd voor HTL-modificatie.
In dit artikel presenteren we een eenvoudige en milieuvriendelijke UV-ozonbehandelingsmethode om in water gedispergeerd grafeen te verkrijgen met een hoge ladingsmobiliteit. Verder hebben we PEDOT:PSS gedoteerd met behulp van het verkregen grafeen om een verbeterde HTM te vormen in omgekeerde PSC's. De opname van behandeld grafeen in PEDOT:PSS verhoogde de kortsluitstroomdichtheid en PCE van de PSC's. Een opmerkelijk verbeterde V oc van 0,87 V met een relatief hoge J SC van 16,75 mA/cm 2 werd verkregen. De overeenkomstige PCE met een gemiddelde waarde van 10,75% werd bereikt met een hoge reproduceerbaarheid. De typische PCE van PSC's met rGO/PEDOT:PSS was met 27% verbeterd in vergelijking met die van PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL.
Methoden/experimenteel
Chemische stoffen
PEDOT:PSS (CleviosTM PVP. Al 4083) en CH3 NH3 I (MAI) werden gekocht bij respectievelijk Heraeus Materials Technology Shanghai Ltd. en Deysol Ltd. PbI2 (99%), watervrij N ,N -dimethylformamide (DMF, 99,8%) en watervrij chloorbenzeen (CB, 99,8%) werden geleverd door de firma Sigma-Aldrich. [6,6]-Fenyl-C61 -boterzuurmethylester (PC61BM,> 99%) en 2,9-dimethyl-4,7-difenyl-1,10-fenantroline (BCP,> 99%) werden verkregen van Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO was gesynthetiseerd door YF Chen's team [28].
Oplossing voorbereiden
Ongeveer 5 mg rGO werd in een kwarts-petrischaal geplaatst en vervolgens gedurende 2 uur continu behandeld met UV-ozonreinigingsprocedure (bedrijfsvermogen, 270 W). Daarna werd de verkregen rGO verzameld en toegevoegd aan gedeïoniseerd water om een oplossing te vormen met een concentratie van 1 mg/ml onder ultrasone badbehandeling.
Om verbeterde HTM voor omgekeerde PSC's te verkrijgen, werden rGO-oplossingen met verschillende volumeverhoudingen (0,1, 0,2 en 0,3) toegevoegd aan PEDOT:PSS-oplossing bij kamertemperatuur. De resulterende rGO/PEDOT:PSS-oplossingen werden 's nachts magnetisch geroerd en gefilterd door polytetrafluorethyleen (PTFE) filters (0,45 μm).
De perovskiet-precursoroplossing werd bereid door de volgende werkwijzen. MAI en PbI2 poeder werden gemengd in watervrij DMF met een molaire verhouding van 1:1. Vervolgens werd de oplossing (40 gew.%) een nacht bij 60 °C geroerd en gefiltreerd met PTFE-filters van 0,45 μm voorafgaand aan de fabricage van het apparaat.
Apparaatfabricage
De structuur van de omgekeerde vlakke heterojunctie-PSC's was indiumtinoxide (ITO)/PEDOT:PSS/CH3 NH3 PbI3 /PC61 BM/BCP/Ag. Het ITO-substraat (1,5 × 1,5 cm 2 ) werd achtereenvolgens gereinigd met aceton, isopropanol en gedeïoniseerd water. De bereide rGO/PEDOT:PSS-oplossing met UV-ozon-loopvlak werd gecentrifugeerd tot film gedurende 40 s bij 4000 rpm en thermisch behandeld bij 150 ° C gedurende 10 minuten in lucht. Bij deze behandeling werd de perovskiet-actieve laag afgezet door middel van een eenstapsoplossingsmethode door middel van spincoating CH3 NH3 PbI3 precursoroplossing (40 gew.% in DMF) bij 4000 rpm gedurende 40 s. Om de kristallisatie van de actieve laag te verbeteren, werd snel 70 μL CB op CH3 gedruppeld NH3 PbI3 natte film ongeveer 6 s na het begin van het spinnen, zoals vermeld in de literatuur [29]. De films werden gedurende 30 minuten bij 110 ° C gegloeid in de handschoenenkast gevuld met stikstof. Daarna werd een oplossing van PC61BM in CB (20 mg/ml) gecentrifugeerd op de perovskietfilm bij 3000 rpm gedurende 40 s. Vervolgens werd de verzadigde BCP-oplossing 30 seconden lang bij 2000 rpm gecentrifugeerd in isopropylalcohol. Ten slotte werd een Ag-laag (100 nm) afgezet door thermische verdamping.
Karakterisering
De componentanalyse van rGO werd uitgevoerd door röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) met een ESCALAB 250 elektronenspectrometer. De kristallisatiestructuren van CH3 NH3 PbI3 lagen werden bepaald door röntgendiffractie (XRD Bede multifunctionele röntgendiffractometer met hoge resolutie, Brits). De filmmorfologie werd waargenomen door atomaire krachtmicroscopie (AFM, SPI3800, Japan). De stroomdichtheid-spanningsmeting (J-V) is uitgevoerd met behulp van Keithley model 2400 Source Meter onder gesimuleerde AM 1.5 G-zonneverlichting (100 mW/cm 2 ) gegenereerd door zonnesimulator (ABET Technologies, SUN 3000).
Resultaten en discussie
De onbehandelde en met UV-ozon behandelde rGO's opgelost in gedeïoniseerd water met een concentratie van 1 mg / ml worden getoond in Fig. 1. De onbehandelde rGO kan nauwelijks worden gedispergeerd in gedeïoniseerd water en de behandelde kan homogeen worden gedispergeerd in water, die wordt toegeschreven aan sommige -OH- en -COOH-groepen in rGO. De met UV-ozon behandelde rGO-oplossing vertoont nog steeds een diepzwarte kleur in vergelijking met de bruine commerciële GO-oplossing van 1 mg/ml [22], wat wijst op het onvolledige oxidatieproces van de UV-ozonbehandeling.
Foto's van een onbehandeld en b Met UV-ozon behandelde rGO-oplossing (1 mg/ml in H2 O)
XPS-meting werd uitgevoerd om te verifiëren of delen van de zuurstofbevattende groepen van rGO een hydrofiele behandeling ondergingen. Zoals getoond in Fig. 2a, vertonen de C1s-spectra van onbehandeld rGO duidelijk een hoge mate van oxidatie met vier functionele groepen die overeenkomen met C-C (niet-geoxygeneerde ring C, 284,7 eV), C-O (C in C-O-bindingen , 286,1 eV), C=O (carbonyl C, 287,2 eV) en C-(O)-OH (carboxylgroepen, 288,8 eV) [30]. Voor rGO die matig is behandeld met UV-ozon, nemen de intensiteiten van de pieken die zijn toegewezen aan C–O en C–(O)–OH licht toe. De intensiteit van pieken toegewezen aan C–O en C–(O)–OH neemt duidelijk toe dan die van C=O. Daarom kan rGO behandeld met UV-ozon op geldige wijze hydrofiele groepen induceren.
XPS-spectra van a onbehandeld en b UV-ozon behandeld rGO
XRD-spectra werden verkregen om de kristallisatiestructuur van CH3 . te onderzoeken NH3 PbI3 lagen. CH3 NH3 PbI3 dunne films werden spin-gecoat op ongerepte PEDOT:PSS en rGO/PEDOT:PSS HTL's en vervolgens gedurende 30 minuten bij 100 ° C uitgegloeid. Zoals getoond in Fig. 3, vertonen beide perovskietfilms vergelijkbare kenmerken en vertonen ze drie pieken bij 14,14 °, 28,08 ° en 31,86 °, die geassocieerd zijn met de (110), (220) en (310) vlakken van perovskietkristallen, respectievelijk. Niettemin vertoont perovskiet gecoat op hybride rGO/PEDOT:PSS-laag scherpere diffractiepieken dan die gecoat op originele PEDOT:PSS, wat de verbeterde kristalliniteit van perovskiet op gemodificeerde PEDOT:PSS-laag suggereerde.
XRD-patronen van de perovskietfilms op rGO/PEDOT:PSS en PEDOT:PSS
AFM werd uitgevoerd om het effect van rGO-opname op PEDOT:PSS te onderzoeken. Afbeelding 4 toont de AFM-afbeeldingen in bovenaanzicht van dunne PEDOT:PSS- en rGO/PEDOT:PSS-films. Deze AFM-bovenaanzichtbeelden van rGO / PEDOT:PSS dunne films vertonen geen duidelijk teken van rGO in het gescande gebied. Dit resultaat wordt toegeschreven aan het feit dat de rGO zich in het midden van de PEDOT:PSS-laag bevindt met een sandwichachtige structuur. Bovendien is de root-mean-square (RMS) ruwheid van de ongerepte PEDOT:PSS-laag ongeveer 1,15 nm. De dunne rGO/PEDOT:PSS-films hebben een RMS-ruwheid van 1,27 nm. Eerdere literatuur meldde [19] dat een enigszins hoge oppervlakteruwheid van het substraat gunstig is voor het kristallisatieproces van perovskiet, en het veroorzaakt een grote korrelgrootte en verbeterde kristalliniteit, wat in overeenstemming is met de conclusie in Fig. 3.
AFM bovenaanzicht beelden van a ongerepte PEDOT:PSS en b rGO/PEDOT:PSS dunne films:alle afbeeldingen hebben een oppervlakte van 2,5 × 2,5 μm 2 vastgelegd
De rGO-concentratie in PEDOT:PSS wordt gereguleerd om de prestaties van PSC's te optimaliseren. Figuur 5a toont de J-V-curven van de PSC met ongerepte PEDOT:PSS en PSC's met rGO/PEDOT:PSS bij verschillende volumeverhoudingen. PSC's met ongerepte PEDOT:PSS vertonen een V oc van 0,85 V, een J SC van 13,29 mA/cm 2 , een FF van 66% en een overeenkomstige PCE van 8,48%. Voor PSC's met 0,1, 0,2 en 0,3 volumeverhoudingen van rGO/PEDOT:PSS als HTL's, is de V OC waarden zijn respectievelijk 0,90, 0,87 en 0,89 V. Dienovereenkomstig, de J sc is 15,04, 16,75 en 13,44 mA/cm 2 ; de FF is 66, 75 en 73% en 68%; en de PCE is respectievelijk 10,16, 10,75 en 8,16%. Al met al het meest opmerkelijke apparaat met een V OC van 0,87 V, een J SC van 16,75 mA/cm 2 , een FF van 75% en een PCE van 10,75% werden waargenomen in de PSC's die waren opgenomen met 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL. Zowel de V OC en J SC van de PSC's die zijn opgenomen met 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL nemen significant toe in vergelijking met die van PSC's die zijn opgenomen met ongerepte PEDOT:PSS als HTL. Bijgevolg werd een verbetering van ongeveer 27% waargenomen in de PSC's die waren opgenomen met 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL.
een J-V-curven van de PSC met ongerepte PEDOT:PSS en PSC's met rGO / PEDOT:PSS bij verschillende volumeverhoudingen. b J–V-curven van PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL (rode lijnen) en PSC's (blauwe lijnen) met rGO/PEDOT:PSS (0.2 v /v ) als HTL gemeten onder gesimuleerd AM1,5 zonlicht van 101 mW/cm 2 bestraling (ononderbroken lijnen) en in het donker (stippellijnen)
Om de verbeterde V . te begrijpen OC en J SC voor PSC's met rGO/PEDOT:PSS als HTL, toont figuur 5b de J–V-curves van PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL en PSC's met rGO/PEDOT:PSS (0.2 v /v ) als HTL, respectievelijk. De aanzienlijk verhoogde waarde van J sc is voornamelijk te wijten aan de verminderde serieweerstand van het apparaat. Bovendien draagt verminderde donkerstroom ook bij aan de toename van de J sc van de apparaten volgens een eerdere studie [31,32,33]. Om het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de verbetering van de prestaties van het apparaat verder te verduidelijken, werden ook de J-V-curven van de apparaten in donkere toestand gekarakteriseerd. J–V-meting in het donker speelt een belangrijke rol bij het onderzoeken van de diode-eigenschappen van de zonnecellen [34]. Donkere J-V-metingen gebruiken elektrische methoden om dragers in het circuit te injecteren in plaats van met fotogegenereerde dragers om aanvullende informatie over de cel te verschaffen voor diagnostische doeleinden. De J-V-curven van PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL en rGO / PEDOT:PSS als HTL gemeten in het donker worden getoond in Fig. 5b. De donkerstroomwaarde voor PSC's met rGO/PEDOT:PSS als HTL is lager dan die voor PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL. Dit resultaat gaf aan dat de lekstroom van de PSC's met rGO/PEDOT:PSS als HTL wordt onderdrukt. Voor zonnecellen omvat donkerstroom omgekeerde verzadigde stroom, dunne film lekstroom en bulk lekstroom. Daarom kunnen veel fotogegenereerde ladingsdragers door het apparaat stromen in plaats van direct te worden gecompenseerd door donkerstroom of rangeren. Over het algemeen wordt de donkerstroom onderdrukt door de sterk elektrisch geleidende rGO-gedoteerde PEDOT:PSS HEL. Bijgevolg is de V OC en J SC zijn verbeterd, wat past bij de gegevens die zijn verkregen uit de donkere J–V-curven.
Histogrammen van statistische fotovoltaïsche parameters (V OC , J SC , FF en PCE) voor PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL en rGO/PEDOT:PSS als HTL worden getoond in Fig. 6. Statistische gegevens zijn afgeleid van in totaal 60 apparaten. De meeste fotovoltaïsche parameters zijn in overeenstemming met de Gauss-verdeling, ondanks enkele experimentele gegevens, zoals weergegeven in de aanpascurven in Fig. 6. Volgens de statistische gegevens is de V OC , J SC , FF en PCE van PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL zijn 0,85 ± 0,01 V, 13,88 ± 0,65 mA/cm 2 , respectievelijk 64,69 ± 1,41% en 7,65 ± 0,48%. Echter, de V OC , J SC , FF en PCE van PSC's met rGO/PEDOT:PSS als HTL zijn 0,88 ± 0,02 V, 15,25 ± 1,8 mA/cm 2 , respectievelijk 72,37 ± 2,03% en 9,7 ± 1,04%. In het kort, de V OC vertoont geen duidelijke verandering. FF en J SC aanzienlijk toenemen, wat een efficiëntieverbetering van 27% oplevert. Intrinsiek verhoogt de rGO de J sc en FF van de PSC's opgenomen met rGO/PEDOT:PSS als HTL. Beide V OC en J SC van de PSC's die zijn opgenomen met 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL nemen significant toe in vergelijking met die van PSC's die zijn opgenomen met ongerepte PEDOT:PSS als HTL. Bijgevolg wordt een verbetering van ongeveer 27% waargenomen in de PSC's die zijn opgenomen met 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL.
Histogrammen van statistische fotovoltaïsche parameters a V OC , b J SC , c FF, en d PCE voor PSC's met ongerepte PEDOT:PSS als HTL en rGO/PEDOT:PSS als HTL
Conclusies
We hebben een eenvoudige en effectieve behandelingsmethode voor UV-ozon gerapporteerd om hoogwaardige en in oplossing verwerkbare rGO te verkrijgen. We hebben ook de met UV-ozon behandelde rGO gedemonstreerd als een additief om de PEDOT:PSS te wijzigen als HTL voor de fabricage van efficiënte PSC's. Zonnecellen op basis van behandelde met rGO gedoteerde PEDOT:PSS vertoonden veelbelovende prestaties met een V OC van 0,87 V, een J SC van 16,75 mA/cm 2 , een FF van 75% en een PCE van 10,75%. Bovendien werd, gezien de uitstekende oppervlaktemorfologie en verbeterde mobiliteit van de gaten, een efficiëntieverbetering van 27% waargenomen in de PSC's die waren ingebouwd met 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS als HTL. De duidelijke voordelen van in oplossing verwerkbare rGO bieden een nieuwe mogelijkheid om zeer efficiënte zonnecellen en andere foto-elektrische apparaten te realiseren.
Nanomaterialen
- Een kort voortgangsrapport over hoogrenderende perovskiet-zonnecellen
- Zeer geleidende PEDOT:PSS transparante gattransportlaag met oplosmiddelbehandeling voor hoogwaardige silicium/organische hybride zonnecellen
- Elektrodepositie van SnO2 op FTO en de toepassing ervan in planaire heterojunctie perovskiet-zonnecellen als een elektronentransportlaag
- Synthese van ZnO-nanokristallen en toepassing in omgekeerde polymeerzonnecellen
- Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag
- Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen
- De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
- Perovskiet-zonnecellen vervaardigd met behulp van een milieuvriendelijk aprotisch polair additief van 1,3-dimethyl-2-imidazolidinon
- Vervaardiging van 20,19% efficiënte enkelkristallijne siliciumzonnecel met omgekeerde piramidemicrostructuur
- Verbeterde energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen met een up-conversiemateriaal van Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedoteerde TiO2
- Effect van verschillende CH3NH3PbI3-morfologieën op fotovoltaïsche eigenschappen van perovskiet-zonnecellen