Perovskiet-zonnecellen op basis van compacte, gladde FA0.1MA0.9PbI3-film met een efficiëntie van meer dan 22%

Abstract

Het gebruik van gemengde kationen is gunstig voor het benutten van de voordelen van kationen en het bereiken van zeer efficiënte perovskiet-zonnecellen (PSC's). Hierin is de precies kleine opname van CH(NH₂ )₂ (FA)-kationen in methylammonium-loodjodide (MAPbI₃ ) maakt de vorming van een compacte, gladde perovskietfilm met een hoge kristalliniteit mogelijk. Bijgevolg zijn de kortsluitstroom en de vulfactor van de PSC's gebaseerd op FA_x MA_1-x PbI₃ perovskiet zijn sterk verbeterd, wat leidt tot een verbeterde apparaatefficiëntie. De kampioen PSC op basis van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ vertoont een opmerkelijk hoog rendement van 22,02%. Verder zijn de PSC's gebaseerd op FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet vertonen ook verbeterde stabiliteit van het apparaat. Dit werk biedt een eenvoudige benadering om perovskietfilms van hoge kwaliteit en hoogwaardige PSC's met betere stabiliteit te fabriceren.

Inleiding

Sinds het afgelopen decennium heeft de toename van de industriële en huishoudelijke energiebehoeften niet alleen geleid tot een energiecrisis, maar ook tot problemen als gevolg van de opwarming van de aarde. Halfgeleidertechnologie speelde een belangrijke rol bij het overwinnen van deze crises met minimale milieuproblemen. Op halfgeleidermateriaal gebaseerde zonnecellen zijn milieuvriendelijk, zoals silicium, samengestelde halfgeleiders, oxiden en organische materialen [1, 2]. Op perovskiet gebaseerde zonnecellen (PSC's) zijn de focus geworden vanwege de hoge energieconversie-efficiëntie die van 3,8% in 2009 tot 25,2% tot nu toe steeg [3]. De opmerkelijke hoge vermogensconversie-efficiëntie (PCE) van PSC's is gebaseerd op de unieke opto-elektronische eigenschappen van de perovskietmaterialen, en perovskietmateriaalengineering is een belangrijke benadering om de prestaties van het apparaat te verbeteren.

Over het algemeen is perovskiet een materiaal met hetzelfde type kristalstructuur gebaseerd op de formule ABX ₃ , waar A is een organisch kation (zoals CH₃ NH₂ ⁺ ) of alkalikation (Cs⁺ ) of hun mengkationen, B is het metaalanion (Pb⁺² of Sn⁺² ), en X verwijst naar de halogenide-anionen (X =Ik ⁻ , Br⁻ , of Cl⁻ ) [4,5,6,7,8,9,10]. Van de perovskietmaterialen is FA_x MA_1-x PbI₃ (MA, methylammonium; FA, formamidinium) is het veelgebruikte materiaal in PSC's. Als FA⁺ heeft een iets grotere afmeting (ionische straal =2,79 Å) in vergelijking met MA⁺ (ionische straal =2,70 Å), FA_x MA_1-x PbI₃ heeft een lagere band gap dan MAPbI₃ , die dus een hogere efficiëntie voor het oogsten van zonnelicht mogelijk maken [8, 11,12,13,14,15,16,17,18,19]. Meestal wordt een kleine hoeveelheid MA-kation gedoteerd met FA-kation om FA_{x te fabriceren} MA_1-x PbI₃ perovskiet, dat de vorming van de fotoactieve FA-kationfase bevordert dan pure FAPbI₃ en leiden tot een hoge apparaatefficiëntie [19,20,21]. Echter, zelfs met de opname van MA-kationen, is het toch een hele uitdaging om puur zwart gefaseerd FA-perovskiet te bereiken zonder enig spoor van geel gefaseerd FA-perovskiet vanwege de grotere ionische straal van FA-kationen, vooral wanneer een grote hoeveelheid FA wordt gebruikt. Dit probleem is vaak waargenomen ondanks de hoge efficiëntie van deze PSC's, omdat dit de structurele en thermische stabiliteit van de PSC's beïnvloedt [22, 23]. Daarom, om een hoge efficiëntie en apparaatstabiliteit te bereiken in FA_x MA_1-x PbI₃ -gebaseerde PSC's, moet de vorming van gele fasedefecten worden voorkomen. In dit werk, in plaats van een groot aantal FA-kationen te gebruiken in FA_x MA_1-x PbI₃ perovskiet, we gebruiken een kleine hoeveelheid FA om FA_0.1 . te fabriceren MA_0.9 PbI₃ vlakke film, waardoor de efficiëntie van het kampioensapparaat meer dan 22% bedraagt. Anders dan de resultaten die werden gerapporteerd met mesoporeuze perovskietfilm [24], vonden we de introductie van kleine FA in MAI binnen de gaten van de PbI₆ octaëders stabiliseren de MAPbI₃ perovskietstructuur in een "quasi-kubische" fase bij kamertemperatuur. Verder vloeien de verbeteringen hier voornamelijk voort uit de grotendeels toegenomen J _SC , profiterend van de vorming van een compacte, gladde, hoogwaardige perovskietfilm met de opname van FA. Verder zijn de PSC's gebaseerd op FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet vertoont ook verbeterde apparaatstabiliteit.

Resultaten en discussies

De gebruikte apparaatstructuur van de PSC's in dit werk wordt schematisch weergegeven in Fig. 1, waar SnO₂ laag wordt gebruikt als de elektronentransportlaag (ETL), Spiro-OMeTAD als de gatentransportlaag (HTL) en goud (Au) als de anode. Zowel standaard als gemodificeerde perovskietlagen werden afgezet op de indiumtinoxide (ITO) transparante elektrode als de absorberende laag door middel van conventionele eenstaps solvent-engineeringmethode.

Schematische structuur van perovskiet-zonnecel

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) werd gebruikt om de morfologie van de perovskietfilms te onderzoeken. De film bereid met smetteloze MAPbI₃ toont een hogere verhouding van korrelgrenzen zoals getoond in Fig. 2a. De gaatjes samen met veel korrelgrenzen in de perovskietfilm bevorderen de niet-stralingsrecombinatie en verminderen de apparaatefficiëntie van de PSC's. Daarentegen wordt een homogene, gaatjesvrije perovskietfilm bereikt door de opname van FA-kationen in ongerepte MAPbI₃ (FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ ) film, zoals getoond in Fig. 2b. Het presenteert de dicht opeengepakte structuur met een kleine vergroting van de korrelgrootte en veel minder korrelgrenzen. Een compacte, gladde filmmorfologie met een grote korrelgrootte minimaliseert de valtoestanden en defecten in de perovskietfilm.

Bovenaanzicht SEM-afbeeldingen van MAPbI₃ (een ) en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ (b ). Fotoluminescentie (PL) spectra van standaard en gemodificeerd perovskiet op glassubstraten. c Tijdsopgeloste fotoluminescentie (TRPL) spectra van zowel standaard als gemodificeerde perovskietfilms (d )

De steady-state fotoluminescentie (PL) spectra van beide MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskietfilms worden getoond in Fig. 2c. Zoals verwacht wordt een significante roodverschuiving in de emissiepiek opgemerkt. Daarnaast werd ook piekvernauwing waargenomen. Deze significante verschuiving is te wijten aan de introductie van FA in MA in perovskietrooster. Bovendien wordt de PL-intensiteit ook tot op zekere hoogte verhoogd met de toevoeging van FA-kationen, wat wijst op de afname van de traptoestanden en in ruil daarvoor geeft het sterk kristallijne FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ film.

Om meer te begrijpen over de afname van de valtoestanden van de gemodificeerde perovskietlaag in vergelijking met een standaardapparaat, werd in de tijd opgeloste fotoluminescentie (TRPL) uitgevoerd op perovskietfilm op basis van elk materiaal zoals weergegeven in figuur 2d. Aangezien de perovskietlaag zonder enige transportlaag op het glassubstraat wordt afgezet, wordt verwacht dat de recombinatie van de drager alleen het ladingstransport tussen de lagen vertegenwoordigt (dwz niet-stralingsrecombinatie), wat een langere levensduur van de drager en een langzamere recombinatie tussen de lagen zou vertonen met de opname van FA in MAPbI₃ [25, 26]. Er kunnen twee tijdscomponenten worden verkregen om de levensduur van de dragerrecombinatie van de als voorbereide perovskietfilm van elk type te berekenen door de TRPL-curve uit te rusten met een bi-exponentiële functie van de tijd (t ):

$$ F(t)={A}_1{e}^{-}\frac{t}{\tau_1}+{A}_2{e}^{-}\frac{t}{\tau_2}+{ \gamma}_0 $$ (1)

waar τ ₁ en τ ₂ in verg. 1 vertegenwoordigen de tijdconstante van respectievelijk snel verval en langzaam verval [27]. Het snelle verval τ ₁ component vertegenwoordigt de oppervlakterecombinatie, terwijl de langzame vervalcomponent gerelateerd is aan de recombinatie die plaatsvindt in het grootste deel van de perovskietstructuur. Alle aangepaste TRPL-parameters voor standaard en gemodificeerde perovskietmonsters zijn samengevat in tabel S1 en de gemiddelde recombinatielevensduur (τ _ave ) van beide perovskietlagen werd bij benadering berekend op basis van de aangepaste curvegegevens volgens de formule die wordt weergegeven in aanvullende informatie. Zoals, in vergelijking met de standaard perovskietfilm met een gemiddelde levensduurvervaltijd van 24,61 ns, FAMAPbI₃ (10%) film vertoont een merkbaar langere gemiddelde levensduur van de drager van 49,92 n, wat wijst op de onderdrukking van niet-stralingsrecombinatie in gemodificeerde PSC's.

Röntgendiffractie (XRD) werd gebruikt om de kristalliniteit van de perovskietfilms te onderzoeken. Figuur 3a toont de belangrijkste diffractiepiek van de perovskietfilm op 2θ van 14,24° vertoont voorkeursoriëntatie met hogere intensiteit, waarbij de kleine opname van FA in standaard MAPbI₃ perovskietfilm maakt de diffractie-intensiteit veel sterker, wat de hogere kristalliniteit suggereert. Bovendien verschuiven de diffractiepieken van de gemodificeerde perovskietlaag naar een kleine hoek. De prominente pieken verschuiven van respectievelijk 14,61 ° en 28,84 ° naar 14,24 ° en 28,49 °, zoals weergegeven in Fig. 3b, c. Omdat de grootte van FA-kationen groter is dan de MA-kationen, neemt de roostergrootte toe met de opname van FA-ionen, wat in overeenstemming is met de vergelijking van Bragg (2d sinθ =nλ ). Bovendien verlaagt de introductie van het FA-kation met de MA ook de tolerantiefactor en veroorzaakt het de vorming van een stabiele kubische perovskietfase. Merk op dat, afhankelijk van de filmmorfologie en depositieomstandigheden, het toevoegen van een kleine hoeveelheid FA (0,1) ook kan voorafgaan aan een tetragonale fase. De volledige breedte en half maximum (FWHM) werd gebruikt om de korrelgrootte in de perovskietfilms te schatten. In FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ , de waarde van FWHM van de hoogste piek is 0,133 °, zoals weergegeven in de aanvullende informatie Fig. S1a b, die het bewijs geeft van een toename van de korrelgrootte met een hogere kristalliniteit in vergelijking met MAPbI₃ film (FWHM 0,174°).

XRD-patronen (a ) voor MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskietfilms en vergroot XRD-patroon van de pieken bij 13–15° (b ) en 27–29° (c )

Om de elementsamenstelling te bevestigen na precies kleine incorporatie van FA-kationen, werden röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) metingen uitgevoerd op zowel standaard als gemodificeerde perovskietlagen. De aanwezigheid van FA in MA-kationen kan worden bevestigd door de geïdentificeerde C-C-binding (284,8 eV) zoals weergegeven in Fig. 4a, c. Verder is de verschenen binding van C-N (401,3 eV) en C=N (400,10 eV) afkomstig van ingebouwde FA-kationen die duidelijk kunnen worden waargenomen in het N1s-spectrum van FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet [27] zoals getoond in Fig. 4b. Voor verdere analyse van de elementsamenstelling werd energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX) uitgevoerd zoals getoond in Fig. S2 a &b. We kunnen de chemische samenstelling kennelijk gelijkstellen; de integratie van elementpieken toont een gekwantificeerde atomaire verhouding % van C tot N tot Pb 44,75(2.3):22.73(1.1):19.34(1) voor MAPbI₃ en 47.71 (2.3):27.34 (1.3):20.15 (1) voor FA_0.1 MA0.9PbI₃ perovskiet [28].

XPS-meting voor elementen voor MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet films. Koolstof (a , c ). Stikstof (b , d )

Kelvin-probekrachtmicroscopie (KPFM) -techniek werd gebruikt om de perovskietfilm verder te analyseren, die het contactpotentiaalverschil (CPD) tussen de punt en het oppervlak van het monster eronder meet [14, 23]. De oppervlakteruwheid is opmerkelijk verminderd van 20,488 naar 4,778 nm door de opname van FA in MAPbI₃ perovskiet, zoals blijkt uit de topografische afbeeldingen in Fig. 5a, d. Dit onthult verder de compacte, gladde morfologie van de perovskietfilm met FA-doping. De oppervlaktemorfologie van zowel standaard als gemodificeerde perovskietfilms in drie dimensies (3D) wordt respectievelijk getoond in Fig. 5b en e. De oppervlaktepotentiaalbeelden worden getoond in Fig. 5c, f, en de 3D-beelden worden getoond in de aanvullende informatie Fig. S3 (b &c). Het is duidelijk dat FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film vertoont een homogenere potentiaalverdeling dan MAPbI₃ film, wat wijst op minder oppervlaktedefecten aan het oppervlak van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film. Ondertussen, de FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film vertoont een hoger oppervlaktepotentieel aan de korrelgrenzen dan de standaard perovskietfilm, wat de vangst- en recombinatiewaarschijnlijkheid van de minderheidsdragers zal verlagen en het huidige pad bepaalt voor minderheidsdragers om de overeenkomstige selectieve contacten te bereiken. Hierin zal het de algehele prestaties van de PSC's verbeteren op weg naar een beter ladingstransport met onderdrukte recombinatie.

Topografische afbeeldingen (a , d ), 3D-topografiebeelden (b , e ), en potentiële afbeeldingen aan de oppervlakte (c , v ) van MAPbI₃ film en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film

Transversale SEM-afbeeldingen van MAPbI₃ film en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film worden getoond in Fig. 6a, b. Deze perovskietfilms zijn gefabriceerd op de bovenkant van SnO₂ ETL. Het is duidelijk te zien dat de ETL/perovskiet-interface sterk is verbeterd met de opname van FA in perovskiet. Het is ook te zien dat FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film is veel compacter en gladder dan MAPbI₃ film. Deze verbeteringen zijn gunstig voor efficiënte dragerextractie op interfaces. Ultraviolet-zichtbare (UV-Vis) absorptiespectra werden gemeten om de absorptiekenmerken van de perovskietfilms te analyseren, zoals getoond in Fig. 6c. FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film vertoont iets hogere absorptie-intensiteiten dan de MAPbI₃ film. De bandgapwaarden zijn berekend met behulp van de Tauc-plotspectra getoond in S4 a &S4b, die 1,58 eV zijn voor MAPbI₃ en 1,54 eV voor FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ , wat aantoont dat de kleine opname van FAI-kationen in de MAI-roostermatrix de bandafstand verkleint. De verminderde bandgap is gunstig voor de ontwikkeling van zeer efficiënte perovskiet-zonnecellen.

Dwarsdoorsnede-afbeeldingen van MAPbI₃ (een ) en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ (b ) films bovenop ETL/ITO en de absorptiespectra (c ) van perovskietfilms

De PSC's op basis van MAPbI₃ (standaard PSC) en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ (gemodificeerde PSC) zijn geconstrueerd met de structuur van ITO/SnO₂ /perovskiet/Spiro-OMeTAD/Au. De stroomdichtheid-spanningscurves (J-V) worden getoond in Fig. 7a, en de corresponderende fotovoltaïsche parameters zijn vermeld in Tabel 1. Het is duidelijk dat de kortsluitstroomdichtheid (J_SC ) van gemodificeerde PSC's is duidelijk hoger dan die van standaard PSC's, wat leidt tot een aanzienlijke toename van de apparaatefficiëntie. De maximale PCE van gemodificeerde PSC's is 22,02% met een nullastspanning (V _OC ) van 1,13 V, J _SC van 25,87 mAcm⁻² , en een vulfactor (FF) van 0,75. De opmerkelijke verbeteringen in J _SC en PCE van gewijzigde PSC's op basis van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ sterk verbeterde dragerverzameling impliceren. Vanwege de compacte en gladde oppervlaktekenmerken van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ films met een grote korrelgrootte en betere kristalliniteit, ladingsextractie en transport worden mogelijk gemaakt met minimaal verlies veroorzaakt door recombinatieprocessen. Vandaar, J _SC is enorm toegenomen, en ondertussen, V _OC wordt ook verbeterd. De verhoogde J _SC wordt ook gedeeltelijk bijgedragen door de verminderde bandgap en de verbeterde absorptie in FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ film (zoals onthuld door de absorptiekenmerken getoond in Fig. 6c). Om het effect van FA verder te onderzoeken in MAPbI₃ , we gebruikten ook verschillende verhoudingen van FA (5-20%) en de resulterende apparaatprestaties van de overeenkomstige PSC's worden getoond in Fig. S5 en Tabel S2. De opname van FA in de perovskiet met een molverhouding van 5 tot 20% verhoogt J _SC en PCE, waardoor de hoge efficiëntie van de gemodificeerde PSC's wordt bereikt. De beste waarden van de apparaatprestaties worden verkregen bij gebruik van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ .

J-V-curven (a ), dV /dJ vs. (J _SC + J )⁻¹ plots met lineaire fittingcurve (b ), en ln (J _SC + J ) versus (V − R _S J ) plots met lineaire fittingcurves voor de PSC's op basis van MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ (c )_. Overeenkomstige EQE-spectra voor gemodificeerd perovskiet in vergelijking met standaard PSC's (d )

Om de onderliggende mechanismen te onderzoeken voor de opmerkelijk verbeterde apparaatprestaties met de kleine toevoeging van FA, de parameters van serieweerstand (R _S ) en omgekeerde verzadigbare stroomdichtheid (J ₀ ) zijn gekarakteriseerd [29, 30]. De J-V-kenmerken worden aangegeven door:

$$ J={J}_{\mathrm{ph}}-{J}_0\left[\exp \left(\frac{e\left(V+ AJ{R}_S\right)}{m{K} _{\beta }T}\right)-1\right]-\frac{V+J{R}_S}{R_{\mathrm{SH}}} $$ (1)

waar J is de stroom die door de externe belasting vloeit, J _ph is de fotostroomdichtheid gegenereerd door een diode, A is het apparaatgebied, R _SH is de shuntweerstand, m verwijst naar de idealiteitsfactor van de pn-overgang, K _β is de constante van Boltzman, en T en e zijn respectievelijk de temperatuur en de elektronische lading [31, 32]. Voor een ideale conditie (R _SH is groot genoeg) [33, 34], Vgl. 1 kan worden geschreven als:

$$ \frac{dV}{dJ}=\frac{A{K}_{\beta }T}{e}{\left({J}_{\mathrm{ph}}+J\right)}^ {-1}+{R}_S $$ (2) $$ \ln \left({J}_{\mathrm{SC}}+J\right)=\frac{e}{A{K}_{ \beta }T}\left(V-{R}_S\ J\right)+\ln {\mathrm{J}}_0 $$ (3)

R _S kan worden verkregen bij de –dV /dJ vs (J _SC − J )⁻¹ grafieken in Fig. 7b met een lineaire aanpassingscurve in overeenstemming met Vgl. 2, die 4,8 Ω cm² . zijn en 2,3 Ω cm² voor standaard PSC met MAPbI₃ en gewijzigde PSC met FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ , respectievelijk. Deze afname van R _S voor de gewijzigde PSC duidt op beter vervoer van de vervoerder en draagt bij aan de hoge J _SC . J ₀ bepaald uit ln (J _SC + J ) versus (V − R _S J ) plots in Fig. 7c is 1,43 × 10⁻² , en 1,16 × 10⁻⁵ mAcm⁻² voor MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ PSC's, respectievelijk. Een kleinere J ₀ geeft lagere recombinatie aan, en dus, V _OC van de gemodificeerde PSC's is verbeterd. De verminderde recombinatie door FA-opname is ook in overeenstemming met de KPFM-meting. Bovendien is de crosssponding externe kwantumefficiëntie (EQE) berekend, waarbij brede fotoresponsen met hoge waarden worden verkregen; de berekende geïntegreerde stroomdichtheden (J _SC ) zijn 24,88 mAcm⁻² en 20,25 mAcm⁻² voor respectievelijk best aangepaste en standaardapparaten, zoals weergegeven in Fig. 7d, wat consistent is met de J _SC waarde berekend op basis van de J-V-test.

Over het algemeen is EIS een geschikt hulpmiddel om het interne elektrische proces van PSC's te analyseren. Hierin werden EIS uitgevoerd als een spanningsfunctie. De verkregen gegevens werden uitgerust met ZView met behulp van een geschikt equivalent circuit zoals weergegeven in figuur 8a. De recombinatieweerstand (R rec) van elke perovskiet-zonnecel wordt berekend uit de diameter van de halve cirkel. Het is duidelijk te zien dat R rec van gemodificeerde perovskiet-zon nam toe met de kleine opname van FA in MAPbI₃ wat de significante afname van ongewenste recombinatie aangeeft en in ruil daarvoor de defectdichtheid van PSC's verlaagt.

Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) Nyquist-plot voor gemodificeerd perovskiet in vergelijking met standaard PSC's (a ). Genormaliseerde PCE vs. tijdgrafieken van standaard en gewijzigde PSC's (b )

Figuur 8b laat zien dat de gewijzigde PSC met FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ behoudt zijn oorspronkelijke waarde tot 80%, zelfs na 800 h, terwijl de standaard PSC met MAPbI₃ behoudt slechts minder dan 60% van zijn oorspronkelijke waarde. De verbeterde stabiliteit van de PSC met FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ correleert met de hoge kwaliteit van de FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet film. De stabiliteitsproblemen van het apparaat van de PSC's werden ook gekarakteriseerd binnen verschillende tijdsintervallen onder omgevingsomstandigheden.

Om de herhaalbaarheid van de PSC's te bevestigen, is de gemiddelde prestatie van beide MAPbI₃ en FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ PSC's gemiddeld van meer dan 40 apparaten worden getoond in Tabel 1 en de statistieken van de fotovoltaïsche parameters worden getoond in Fig. 9a-d. Het is te zien dat in PSC's met FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ , de gemiddelde prestatie is ook duidelijk superieur aan de PSC's met MAPbI₃ en een betere reproduceerbaarheid vertonen.

Statistieken van V _OC , FF PCE en J _SC van meer dan 40 apparaten voor elk soort PSC's (a –d )

Experimentele details

Materialen en methoden

CH₃ NH₃ Ik, PbI₂ , CH (NH₂ )₂ , en Spiro-OMeTAD werden gekocht van Xi'an Polymer Light Technology Corp. SnO₂ werd gekocht bij Alfa Aesar. De voorloperoplossing van FA_x MA_1-x PbI₃ was samengesteld uit PbI₂ , CH₃ NH₃ I, en CH (NH₂ )₂ een nacht geroerd in een mengsel van dimethylformamide (DMF) tot dimethylsulfoxide (DMSO) (9:1, vol/vol). De concentratie van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ voorloperoplossing was 0,3 mol/ml. De met indiumtinoxide (ITO) gecoate substraten hebben een plaatweerstand van 15 Ω/□. Alle materialen werden direct gebruikt zonder verdere zuivering.

Apparaatfabricage

Alle PSC's werden vervaardigd op ITO-glassubstraten. SnO₂ werd afgezet op het vooraf gereinigde ITO-substraat als een elektronentransportlaag (ETL). Perovskietlagen werden afgezet in de N₂ -gevuld handschoenenkastje bij 5000 tpm voor 35 s. Op 29 s voordat de spincoating stopt, werd anti-oplosmiddel tolueen op het substraat gedruppeld. Daarna werd het substraat overgebracht naar het hete gehemelte voor gloeien gedurende 8 minuten bij 80 ° C en vervolgens gedurende 10 minuten bij 120 ° C. Na afkoeling werd het gatentransportmateriaal Spiro-OMeTAD op de top van de perovskietlaag afgezet door spincoating bij 3000 rpm gedurende 30 s. Nadat de spincoating van alle lagen was voltooid, werden de monsters een nacht buiten de handschoenenkast gehouden voor een beter oxidatieproces. Ten slotte werd 80 nm goud (Au) afgezet door thermische verdamping onder 4 × 10⁻⁴ Pa vacuümcondities om de apparaatstructuur te voltooien.

Apparaatkarakterisering

Stroom-spanningskarakterisering werd uitgevoerd met een digitale bronmeter (Keithley Model 2400) bij AM 1.5G bij 100 mW cm⁻² . Scanning elektronenmicroscoop (SEM) metingen werden gedaan door 4800. Röntgendiffractie (XRD) patronen werden verzameld met een D/max 2200 V röntgenpoederdiffractometer met Cu Ka-straling (λ =1.540A). Kelvin probe force microscopie (KPFM) metingen werden gedaan met behulp van de MFP-3D infinity van Asylum Research. Alle karakteriseringen werden uitgevoerd onder constante blootstelling aan omgevingsomstandigheden en zonder inkapseling van het apparaat.

Conclusie

In ons werk wordt een precies kleine hoeveelheid FA-kationen geïntroduceerd in MA-kationen van standaard MAPbI₃ -gebaseerde perovskietfilm om de filmkwaliteit te verbeteren in termen van gladheid en kristalliniteit met volledige oppervlaktedekking. De opmerkelijke PCE van 22,02% en aanzienlijk verbeterde J _SC is verkregen van de PSC's op basis van FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ perovskiet. Verder is de verbetering in V _OC als gevolg van verminderde dragerrecombinatie wordt ook verkregen. Deze resultaten laten zien dat zeer efficiënte PSC's met superieure stabiliteit herhaalbaarheid kunnen worden vervaardigd op basis van de compacte, gladde perovskietfilm met verbeterde kristalliniteit, mogelijk gemaakt door de opname van een kleine waarde van FAI-kationen in MAPbI₃ .

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die de resultaten van dit artikel ondersteunen, zijn opgenomen in het artikel.

Afkortingen

PSC:: Perovskiet zonnecel
SEM:: Scanning elektronenmicroscopie
XRD:: Röntgendiffractie
FWHM:: Volledige breedte en halve maximum
PL:: Fotoluminescentie
TRPL:: Tijdsopgeloste fotoluminescentie
KPFM:: Kelvin-sondekrachtmicroscopie
EIS:: Elektrochemische impedantiespectroscopie

Resistive Random Access Memory (RRAM):een overzicht van materialen, schakelmechanisme, prestaties, opslag op meerdere niveaus (mlc), modellering en toepassingen Hiërarchische poreuze koolstof met onderling verbonden geordende poriën van bioafval voor hoogwaardige supercondensatorelektroden

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal