UV-behandeling van bij lage temperatuur verwerkte SnO2-elektronentransportlagen voor vlakke perovskiet-zonnecellen

Resultaten en discussie

De UV/ozon kan ultraviolet licht produceren met een piek van bijna 185 en 254 nm met een fotonenergie van respectievelijk 647 en 472 kJ/mol, die hoger zijn dan de bindingsenergie van CC, CO en CH van 346, 358 en 411 kJ/mol, respectievelijk [38,39,40]. Als gevolg hiervan zal het UV-licht deze chemische bindingen gemakkelijk verbreken tijdens de behandeling. Om het te bevestigen, SnO₂ film met een concentratie van 20% wordt geselecteerd voor elementaire distributie spectrometer (EDS) na UV-behandeling, en de distributie van de belangrijkste componenten wordt onderzocht. Afbeelding 1a toont de SEM van de geselecteerde film. De gelijkmatigheid en uniformiteit van de film zijn goed op grote schaal bij de bar van 0,5 um. Afbeelding 1b toont het diagram van de elementverdeling, terwijl de piek zonder markering de piekpositie van het goud van de testelektrode is. Zoals u kunt zien, zijn het Sn-, O- en trace C-element inbegrepen. Tabel 1 bevat de specifieke inhoud van elk element in de geselecteerde film. Na UV-behandeling is het gehalte aan Sn en O in de film groter dan 99% en is het gehalte aan C minder dan 1%. Het is duidelijk dat de meeste organische oplosmiddelen worden verwijderd en dat alleen Sn en O achterblijven na de UV-behandeling. Dus deze manier van verwerken kan de zeer zuivere SnO₂ . krijgen ETL's, die een mogelijkheid bieden voor de voorbereiding van hoogwaardige PSC's. Afbeelding 2 toont het XRD-patroon van SnO₂ op diaglas na UV-behandeling. Het XRD-profiel toont diffractiepieken bij 2θ waarden van 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6° en 65,9°, die worden geïdentificeerd als de reflecties van (110), (101), (200), (211) en (301) vlakken van het rutieltype tetragonale structuur van SnO₂ (JCPDS41-1445), respectievelijk. De kristallietgrootte van SnO₂ werd berekend met behulp van de Debye-Scherrer-eq. (D = 0,89λ /β cosθ ) [41], waarbij D is gemiddelde kristallietgrootte, λ is de röntgengolflengte, θ is de Bragg-diffractiehoek, en β is de piekbreedte op het halve maximum. Het levert een geschatte kristallietgrootte van 5,5 nm op voor het voorbereide monster.

Oppervlakte SEM-afbeelding van SnO₂ (een ) en de bijbehorende EDX-spectra van ITO/SnO₂ film

Het röntgendiffractiepatroon (XRD) van SnO₂ na UV-behandeling

Figuur 3a is het structuurdiagram van de PSC. Afbeelding 3b is het SEM-oppervlak van de actieve laag en de afbeelding is een dwarsdoorsnede van de ITO/SnO₂ (20%) /MAPbI₃ . Er kan worden waargenomen dat de continuïteit van de perovskietfilm goed is. De deeltjesgrootte van het enkele perovskietkristal is groter dan 1 m; de transversale kristallisatie van de actieve laag is zeer goed. De dikte van SnO₂ (20%) is ongeveer 65 nm en de dikte van perovskiet is ongeveer 384 nm, wat naar verwachting een hoogwaardige perovskiet-zonnecel zal opleveren.

Structuurdiagram van de perovskiet-zonnecel (a ) en de SEM-afbeelding van de actieve laag (b )

Zoals weergegeven in Afb. 4, is de J-V karakteristieke curven van apparaat ITO/SnO₂ (x )/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au (x = 10, 15, 20 en 30%) onder AM1,5G-zonneverlichting van 100 mW/cm ² in omgevingslucht. De gedetailleerde resultaten worden gegeven in Tabel 2. Hieruit blijkt dat J _sc van het apparaat eerst toenemen en vervolgens afnemen met de toename van SnO₂ concentratie. J _sc van het apparaat met 10% is het kleinst en dat met 20% is het grootst. De waarschijnlijke reden is dat wanneer de concentratie van SnO₂ is veranderd, dat de dikte van de film toeneemt, wat leidt tot een grotere weerstand. Bovendien zal de lichttransmissie van film anders zijn vanwege de verschillende dikte. V _oc van het apparaat neemt toe met de concentratie van SnO₂ toenemend. De dikke SnO₂ film verkleint de kans dat de gaten naar de FTO-elektrode worden getransporteerd, wat gemakkelijk te bereiken is voor elektronen. Het is voordelig om de recombinatie van dragers op het grensvlak te verminderen. Wanneer de concentratie van SnO₂ 20% was, behalen de PSC's een optimale prestatie met J _sc van 20,11 mA/cm ² , V _oc van 1,11 V, FF van 0,643, PCE van 14,36%, Rs van 232,8 Ω en Rsh van 15,868 Ω.

J -V kenmerken van het apparaat. De kenmerken zijn afhankelijk van de verschillende concentraties SnO₂ die variëren van 10 tot 30% onder AM1.5G-verlichting van 100 mW/cm ² . De inzet toont de bijbehorende PCE-V kromme

Afbeelding 5 toont de dwarsdoorsnede-SEM-afbeeldingen van SnO₂ films. De beeldschaalbalk van de films is 100 nm en de vergroting is × 100.000. De diktes van de films die werden vervaardigd bij verschillende concentraties SnO₂ waren respectievelijk 34 nm bij 10%, 48 nm bij 15%, 66 nm bij 20% en 97 nm bij 30%. De dikte nam geleidelijk toe door de toenemende concentratie van SnO₂ . Om de invloed op de verticale weerstand van de dikte van SnO₂ . te begrijpen films werd een weerstandsapparaat gemaakt met een structuur als ITO/SnO₂ (x )/Au. Afbeelding 6 toont de I-V bochten. De weerstand tussen ITO en Au was 98,6 Ω bij 10%, 41,6 bij 15%, 33,7 bij 20% en 50,8 bij 30%. Wanneer de concentraties veranderden van 10 naar 20%, nam de verticale weerstand af, die toenam toen de concentratie tot 30% bedroeg. Het verschilt van de conventionele kennis dat de weerstand toeneemt met de toename van de dikte. Om de redenen verder te analyseren, werd de oppervlakte-SEM van de films onderzocht.

Transversale SEM-afbeeldingen van a de ITO/SnO₂ (10%), b ITO/SnO₂ (15%), c ITO/SnO₂ (20%) en d ITO/SnO₂ (30%)

Ik -V krommen van ITO/SnO₂ (x )/Au, x zijn 10, 15, 20 en 30%

Afbeelding 7a–d toont de SEM-afbeeldingen in bovenaanzicht van SnO₂ films met een vergroting van × 50.000 met een schaalbalk van 100 nm. En Fig. 7e-h toont de overeenkomstige oppervlakte-SEM-afbeeldingen bij een vergroting van ×  200.000 met een schaalbalk van 100 nm. Het is te zien dat de uniformiteit en gladheid van de films erg goed zijn bij verschillende concentraties, en de typische kristallietgrootte van SnO₂ is ongeveer 6,814 nm, wat vrij ongeveer overeenkomt met de berekening van Debye-Scherrer-eq. (5,5 nm), zodat de hoogwaardige actieve laag moet worden verkregen bij het voorbereiden van de perovskiet-absorptielaag. Er zijn slechts een paar kleine verschillen tussen hen. Dit kleine verschil zou de reden moeten zijn dat de weerstand beïnvloedt. Wanneer de SnO₂ concentratie is 10%, de continuïteit van de films is slecht en sommige eilandgroepen verschenen zoals weergegeven in Fig. 7a, e. Deze defecten op het oppervlak introduceren een gedeeltelijke weerstandswaarde. De films zijn duidelijk uniform en zelfs wanneer de concentratie toeneemt tot 20%, zoals weergegeven in Fig. 7b, c, f, g, wat leidt tot een toename van de elektrische geleidbaarheid. Terwijl de concentratie tot 30% is, ontstaat de reüniesituatie die leidt tot een toename van de weerstand. Bovendien was de lichttransmissie van film afhankelijk van de dikte van de gemodificeerde laag, die het gebruik van licht door actieve materialen beïnvloedde.

Bovenaanzicht SEM-afbeeldingen van a –d de voorbereide ITO/SnO₂ (x ) films met een vergroting van × 50.000, en e –u films met een vergroting van × 200.000

Om de oorzaak te begrijpen, hadden we het UV–vis transmissiespectrum van de SnO₂ getest (x ) films, zoals weergegeven in Fig. 8. Het is te zien dat de transmissie van de films meer dan 75% is tussen 400 en 800 nm. De pieken liggen precies op 616, 662, 718 nm en meer dan 800 nm wanneer de concentraties respectievelijk 10, 15, 20 en 30% zijn. Met de toename van de dikte van SnO₂ , is de transmissiepiek rood verschoven. Het absorptiebereik van de MAPbI₃ ligt tussen 300 en 760 nm. Het doorvallende licht komt overeen met dat absorptiebereik van perovskiet, terwijl de concentraties minder dan 20% zijn. Daarom kon de hogere PCE worden verkregen vanwege het meer lichte gebruik. Wanneer de concentratie 30% is, wordt de lichtabsorptie van de actieve laag verzwakt, wat leidt tot een afname van PCE. Het gebruik van licht beïnvloedt de prestaties van de PSC's. Als gevolg hiervan zal de PCE eerst worden verhoogd en vervolgens worden verlaagd met de toename van de concentratie, wat samenvalt met de eerdere resultaten.

UV–vis transmissiespectra van de ITO/SnO₂ (x ) films