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

In situ gevormde en bij lage temperatuur gedeponeerde Nb:TiO2 compacte mesoporeuze laag voor hysterese-minder perovskiet-zonnecellen met hoge prestaties

Abstract

Onlangs zijn gerapporteerde perovskiet-zonnecellen (PSC's) met een hoge energieconversie-efficiëntie (PCE) meestal gebaseerd op mesoporeuze structuren die mesoporeus titaniumoxide bevatten (TiO2 ), wat de belangrijkste factor is om de algehele hysterese te verminderen. Bestaande fabricagebenaderingen voor mesoporeuze TiO2 vereisen over het algemeen een gloeiproces bij hoge temperatuur. Bovendien is er nog een lange weg te gaan voor verbetering in termen van het verhogen van de elektronengeleiding en het verminderen van de recombinatie van dragers. Hierin werd een gemakkelijke eenstaps, in situ en lage temperatuur methode ontwikkeld om een ​​Nb:TiO2 compact-mesoporeuze laag die diende als zowel scaffold als elektronentransportlaag (ETL) voor PSC's. De Nb:TiO2 compact-mesoporeuze ETL-gebaseerde PSC's vertonen onderdrukte hysterese, wat wordt toegeschreven aan het synergetische effect van het verhoogde interface-oppervlak veroorzaakt door nano-pin-morfologie en het verbeterde transport van dragers veroorzaakt door Nb-doping. Met een dergelijke compacte mesoporeuze laag van hoge kwaliteit kunnen de PSC's worden geassembleerd met behulp van geoptimaliseerde 2% Nb-gedoteerde TiO2 om een ​​opmerkelijke PCE van 19,74% te behalen. Dit werk belooft een effectieve aanpak voor het maken van hysteresisloze en zeer efficiënte PSC's op basis van compacte mesoporeuze structuren met een lager energieverbruik en lagere kosten.

Inleiding

Organisch-anorganische hybride perovskieten hebben veel belangstelling gewekt als veelbelovende lichtabsorberende materialen vanwege hun grote absorptiecoëfficiënten, hoge dragermobiliteit en fabricagegemak [1,2,3,4,5]. Op perovskiet gebaseerde zonnecellen, fotodetectoren, light-emitting diodes (LED's) en zelfs geheugenapparaten zijn uitgebreid onderzocht en vastgesteld [6,7,8]. Sinds het jaar 2009 is de stroomconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen (PSC's) snel gegroeid van 3,8% tot meer dan 25% onder standaard AM 1.5-verlichting [9,10,11,12]. PSC's worden over het algemeen vervaardigd met een mesoporeuze of vlakke structuur [13,14,15]. Tot op heden zijn de gerapporteerde PSC's met een hoge vermogensconversie-efficiëntie (PCE) meestal gebaseerd op een mesoporeuze structuur die een onmisbare steigerlaag van metaaloxide bevat [16]. Titaanoxide (TiO2 ) is algemeen gebruikt als een elektronentransportlaag. Het typische mesoporeuze type PSC gepresenteerd door Seok heeft een structuur van FTO/compact TiO2 /mesoporeuze TiO2 en perovskiet composietlaag/perovskiet bovenlaag/PTAA/Au [17]. Het is algemeen bekend dat de mesoporeuze TiO2 draagt ​​het meest bij aan het verminderen van de algehele hysterese voor PSC's van het mesoporeuze type [18]. De fabricage van een mesoporeuze TiO2 laag vereist vaak een gloeibehandeling bij hoge temperatuur (> 450 °C), wat leidt tot een hoog energieverbruik en de toepassing ervan in flexibele apparaten beperkt [19,20,21]. Vergeleken met PSC's van het mesoporeuze type, kunnen PSC's van het vlakke type worden vervaardigd met behulp van een proces bij lage temperatuur en tegen lage kosten [22]. Planaire PSC's hebben echter meestal last van een slechte elektronengeleiding, ernstige ladingsrecombinatie en een relatief lagere kristalliniteit, wat resulteert in een lage PCE met ernstig hysteresisgedrag [23, 24].

Er zijn uitgebreide inspanningen geleverd om TiO2 . van hoge kwaliteit te ontwikkelen elektronentransportlagen (ETL's) met een hoge elektronenmobiliteit, zoals door morfologie-optimalisatie, oppervlaktemodificaties en doping. Er is met name gekozen voor een breed scala aan elementen om TiO2 . te bereiden dopinglagen in PSC's, waaronder Lithium (Li) [25, 26], Niobium (Nb) [27, 28], Platina (Pt) [29], Natrium (Na) [30], Neodymium (Nd) [31], en aluminium (Al) [32]. Bijvoorbeeld, Liu et al. meldde dat de Li-gedoteerde TiO2 ETL was gunstig voor de prestaties van de PSC's met mesoporeuze structuur, vooral voor het verlichten van het hysterese-effect [26]. Liao et al. meldde dat de met Pt gedoteerde TiO2 ETL zou de ladingsdragerextractie en injectie-efficiëntie in n-i-p PSC's kunnen verbeteren [29]. Andere ionen zoals Na, Nb en overgangsmetaalionen [30, 31, 33,34,35] werden gebruikt om het oppervlakte- of passiveringsdefect van TiO2 te modificeren. , wat bijdraagt ​​aan het verminderen van niet-stralingsrecombinatie. Van deze elementen is niobiummetaal (Nb) een goede kandidaat als doteringsmateriaal voor titaanoxide-elektronentransportmaterialen vanwege de straal die vergelijkbaar is met die van titaan. De resultaten getoond door Yin et al. toonde aan dat Nb-doping zowel de geleidbaarheid als de mobiliteit zou kunnen verbeteren en tegelijkertijd de dichtheid van de valtoestand van TiO2 zou kunnen verlagen ETL's voor PSC's [27]. Ondanks deze vorderingen was een behandeling bij relatief hoge temperatuur (150 °C) verplicht en werd nog steeds een grote hysterese waargenomen in PSC's op basis van Nb-gedoteerde TiO2 . Zoals bekend, stroomdichtheid-spanning (J-V ) hysterese is een kritiek probleem dat vaak voorkomt, vooral bij PSC-apparaten met een vlakke structuur. Ernstige hysterese kan leiden tot instabiliteit van PSC's en degradatie van PCE. Om deze reden is het zeer gewenst om een ​​hysteresisloze PSC te ontwikkelen met behulp van een eenvoudige en lage-temperatuurmethode.

Hier stellen we een gemakkelijke eenstaps, in situ en lage temperatuur (70 °C) strategie voor om hystereseloze PSC's te ontwikkelen die een enkele Nb:TiO2 bevatten compact-mesoporeuze laag die zowel als steiger als ETL dient. De Nb:TiO2 laag bevat een compacte TiO2 bodem met nano-pin morfologie op het oppervlak, die kan worden gebruikt als een steiger. De hysterese-index daalde significant van 24,39% voor de PSC op basis van blote TiO2 tot 3,19% daarvoor op basis van 2% Nb:TiO2 laag vanwege het collaboratieve effect van het verhoogde interface-oppervlak veroorzaakt door nano-pin-morfologie op het oppervlak en de verbeterde transportsnelheid van de drager vanwege de aanwezigheid van Nb. Dankzij de mesoporeuze laag van hoge kwaliteit konden de PSC's een opmerkelijke PCE van 19,7% bereiken. Dit werk belooft een effectieve aanpak voor het bereiken van hysteresisloze en zeer efficiënte PSC's door middel van schaalbare en goedkope methoden bij lage temperatuur.

Methoden

Voorbereiding van monsters

Eerst werden de FTO-substraten achtereenvolgens in aceton, alcohol en gedeïoniseerd water gedaan om ultrasoon te worden gereinigd van elk 30 min. Daarna werden de gereinigde substraten gedurende 20 min behandeld met een UV-ozonreiniger en vervolgens in een petrischaal geplaatst. Ten tweede, vloeibare TiCl4 werd in gedeïoniseerd water gedruppeld onder een temperatuur van 0°C om 0,1 M TiCl4 te bereiden waterige oplossing. Ten derde, NbCl5 poeder werd in de ethanol gedaan bij een temperatuur van 0 °C om 0,1 M NbCl5 te verkrijgen ethanol oplossing. Dan, X vol.% NbCl5 ethanoloplossing en (100-X) vol.% TiCl4 waterige oplossing werden achtereenvolgens in de petrischaal op het oppervlak van FTO-substraten gedruppeld. Na hydrothermische reactie bij 70 °C gedurende 60 min, wordt de Nb:TiO2 nano-pin-functie werd gevormd op de FTO-substraten.

De perovskiet-absorptielaag werd afgezet met de dynamische tweestaps spincoating-methode [36]. Ten eerste, de PbI2 precursoroplossing werd verkregen door 0,462  g PbI2 . toe te voegen in 1 mL DMF. Ondertussen is de CH3 NH3 I (MAI) voorloperoplossing werd verkregen door 0,1 g MAI toe te voegen aan 2  mL isopropanol (99,5%, Aladdin). Ten tweede, 55 μL PbI2 voorloperoplossing werd op de voorbereide Nb:TiO2 . gesponnen ETL-film op 3000 rpm voor 10 s. Op dit moment werd 55 L MAI-precursoroplossing onmiddellijk op het monster gedruppeld en werd het spinnen gedurende 20 s voortgezet. Ten slotte werd de hele film gedurende 15 min bij 150 °C uitgegloeid.

De HTL-precursor werd verkregen door 1 mL chloorbenzeenoplossing te roeren, die 72,3 mg Spiro-OMeTAD, 28 μL 4-tert-butylpyridine en 17 μL Li-TFSI-oplossing bevatte (520 mg mL −1 ). De voorloper werd 30 s spin-coating op perovskietfilm bij 2000 tpm. Vervolgens werd de Spiro-OMeTAD HTL met een dikte van ongeveer 250 nm verkregen.

Karakterisatiemethoden

Een veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM, SU8010, Hitachi) werd uitgevoerd om de morfologie van de monsters te bestuderen. De absorptiespectra werden geregistreerd met een UV-vis spectrofotometer (Shimadzu, UV-3600). Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd gebruikt om het transportproces van dragers door een elektrochemisch werkstation (Autolab, PGSTAT 302 N) te begrijpen. De stroomdichtheid-spanning (J-V ) meting werd opgenomen met behulp van een digitale bron (Keithley 2400) met behulp van de zonnesimulator (ABET Technologies, SUN 3000).

Resultaten en discussie

Een schema van de PSC-structuur en de Nb:TiO2 syntheseprocedure wordt getoond in Fig. 1. Eerst werden de schoongemaakte FTO-substraten naar boven gericht in een petrischaal geplaatst. Ten tweede, 1 mL NbCl5 ethanoloplossing en 49 mL TiCl4 waterige oplossing werden achtereenvolgens op de FTO-substraten in de schaal gegoten. Ten derde werd de schaal overgebracht naar een oven en gedurende 1 uur hydrothermisch gereageerd bij 70 ° C. Eindelijk, de TiO2 laag met nano-pin-morfologie en 2% Nb-doteringsverhouding werd gevormd op de FTO-substraten. Voor de voorbereiding van de controle TiO2 laag, alleen TiCl4 waterige oplossing (zonder NbCl5 ethanoloplossing) werd in de schaal met FTO-substraten gedruppeld.

Schema van PSC-structuur en Nb:TiO2 synthese procedure

Het effect van Nb-doping op de evolutie van de TiO2 . begrijpen laag, de morfologieën van de controle TiO2 en Nb-gedoteerde TiO2 werden onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) die wordt getoond in Fig. 2. De kale TiO2 vertoont een veel gladder oppervlak, wat een typische morfologie is van compact TiO2 lagen in vlakke PSC's. Echter, 2% Nb-gedoteerde TiO2 toont een nano-pin-textuur verdeeld over de compacte bodem. De lengte van de nano-pin werd bepaald op 50 ± 20 nm. Dit geeft aan dat de Nb:TiO2 laag bevat een compacte TiO2 laag met een nano-pin-morfologie op het oppervlak, die wordt beschouwd als een mesoporeuze laag. Daarom vormde dit in situ Nb:TiO2 compact-mesoporeuze laag, die werd verkregen door een eenstapsproces, dient eigenlijk zowel als een steiger als een ETL in de PSC. De vorming van nano-pin-morfologie was het gevolg van de hydrothermische reactie met behulp van NbCl5 ethanoloplossing.

Bovenaanzicht SEM-afbeeldingen van a TiO2 /FTO en b 2% Nb:TiO2 /FTO

De XPS-spectra van 2% Nb:TiO2 film wordt getoond in Fig. 3. Figuur 3a toont de volledige scanspectra van de 2% Nb:TiO2 film. Het blijkt dat de atoomverhouding van Nb/Ti (1,3%) in het voorlopermengsel gesloten is tot de elementdoteringsverhouding van 2%. Zoals getoond in Fig. 3b, komen de Gauss-pieken bij 458 eV en 464 eV overeen met de bindingsenergie van Ti 2p3/2 en Ti 2p1/2 . Evenzo zijn de Gauss-aangepaste lijnen van Nb 5+ kan worden gedeconvolueerd in twee individuele pieken die geassocieerd zijn met Nb 3d5/2 en Nb 3d3/2 , respectievelijk bij de bindingsenergie van 207 eV en 209 eV (Fig. 3c). De XPS-spectra demonstreren de succesvolle dotering van Nb in de TiO2 film.

XPS-spectra van 2% Nb:TiO2. een Enquête, b Ti 2p, c Nb 3d, en d O 1s

Figuur 4a toont de absorptiespectra van FTO, kale TiO2 /FTO en met Nb gedoteerde TiO2 /FTO. Beide bloot TiO2 en Nb-gedoteerde TiO2 vertonen hoofdabsorptierand bij de golflengte van 300-350 nm. De absorptiecurve van met Nb gedoteerde TiO2 overlapt bijna die van blote TiO2 . De energiebandgap (E g ) kan worden berekend op basis van de absorptiespectra met behulp van de Tauc-vergelijking, die wordt getoond in figuur 4b. De E g is 4,05 eV voor FTO en 3,5 eV voor beide blote TiO2 en Nb-gedoteerde TiO2 . Daarom kan worden geconcludeerd dat Nb-doping weinig invloed heeft op de absorptie van TiO2 . De transmissie wordt ook niet verschoven tijdens het Nb-dopingproces zoals weergegeven in Fig. S1.

een De absorptiespectra van het FTO-substraat, TiO2 /FTO, en 2% Nb:TiO2 /FTO. b Tauc-plots van het FTO-substraat, TiO2 /FTO, en 2% Nb:TiO2 /FTO

Fig. S2 toont de SEM-afbeeldingen van CH3 NH3 PbI3 perovskietfilms gespincoat op de kale TiO2 en Nb-gedoteerde TiO2 films. Er wordt aangegeven dat de perovskietfilms minder gaatjes vertonen en een volledige oppervlaktedekking vertonen. Dankzij onze eerder ontwikkelde niet-substraatselectieve dynamische tweestaps spincoatingstrategie [36], kunnen de filmuniformiteit en dekking beter worden gecontroleerd. Bovendien lijken de gemiddelde kristallijne korrelgroottes van de perovskietfilms erg op elkaar. Fig. S3 toont de absorptiespectra van de perovskietfilms die zijn afgezet op het kale TiO2 en Nb-gedoteerde TiO2 films. Er wordt geen duidelijk verschil in absorptiepiek waargenomen tussen de perovskietfilms. Deze resultaten suggereren dat de vorming van nanopin-morfologie op het met Nb gedoteerde TiO2 compact-mesoporeuze laag zou weinig effect kunnen hebben op de perovskietkristallisatie door dynamische tweestaps spincoatingstrategie.

Om het transport van dragers dat de ETL/perovskiet-interfaces kruist te begrijpen, werd de elektrische impedantiespectroscopie (EIS) gebruikt. PSC's werden vervaardigd met de structuur van FTO/TiO2 /perovskietfilm/Spiro-OMeTAD/Au. Figuur 5 toont de Nyquist-plots van PSC's op basis van kale TiO2 en 2% Nb:TiO2 lagen, en het overeenkomstige equivalente circuitmodel wordt weergegeven in de inzet. De parameters van EIS werden vermeld in aanvullende tabel S1. Het is bekend dat het MER twee cirkelbogen bevat [37]. De hoogfrequente component wordt toegeschreven aan de ladingstransportweerstand (R ct ), en de laagfrequente component is voornamelijk gerelateerd aan de recombinatieweerstand (R rec ) [38]. In deze vergelijking was alles behalve de perovskiet/ETL-interface identiek. Dus alleen het Nb-dopingproces zou verantwoordelijk moeten zijn voor de weerstand (R ct en R rec ) variatie. Vergeleken met de kale TiO2 apparaat, de Nb:TiO2 apparaat vertoont kleinere R ct en grotere R rec . De kleine R ct draagt ​​bij aan efficiëntere elektronenextractie, en de grote R rec bewijst een lagere ladingsrecombinatie. Deze resultaten bevestigen dat de Nb:TiO2 -gebaseerde compact-mesoporeuze laag is een effectieve ETL voor zowel het verbeteren van het ladingstransport als het verminderen van de recombinatiesnelheid van de vervoerder.

Nyquist-plots van apparaten op basis van blote TiO2 en 2% Nb-gedoteerde TiO2 lagen

Zoals getoond in Fig. 6, werd de afhankelijkheid van de PCE van PSC's van de Nb-dopinginhoud onderzocht. De detailparameters voor PSC's met verschillende Nb-dopingconcentraties variërend van 0 tot 8% werden weergegeven in Tabel 1. Het blijkt dat de dopingverhouding de nullastspanning beïnvloedt (V oc ) en vulfactor (FF), die eerst werden verhoogd en vervolgens werden verlaagd met toenemende Nb-doping. Het apparaat met een 2% Nb-gedoteerde TiO2 laag vertoont de hoogste V oc van 1,19 eV, J sc van 23,52 mA/cm 2 , en FF van 70,74%, wat leidt tot een PCE van wel 19,74% voor de kampioensapparaten. Dankzij beter vervoer per koerier laten alle parameters een opmerkelijke verbetering zien. Overtollige doping zou echter de verstrooiing van de drager versterken en leiden tot een slechte mobiliteit. De incrementele recombinatie zal de verbetering van het vervoer door de vervoerder verzwakken en uiteindelijk de PCE schaden.

J-V curven van PSC's op basis van verschillende Nb-dopingconcentraties

De gemeten J-V curven van het controle- en kampioensapparaat worden getoond in Fig. 7. Het is algemeen bekend dat J-V hysteresisgedrag komt vaak voor, vooral in PSC-apparaten met een vlakke structuur. In dit werk wordt de hysterese van J-V krommen van kale compacte TiO2 -gebaseerde PSC en 2% Nb:TiO2 compact-mesoporeuze laag-gebaseerde PSC werden onderzocht. De hysterese-index, (PCE van omgekeerde scan − PCE van voorwaartse scan)/PCE van omgekeerde scan [30], daalde aanzienlijk van 24,39% voor de PSC op basis van kale compacte TiO2 tot 3,19% voor de PSC op basis van 2% Nb-gedoteerde TiO2 laag. Het is algemeen bekend dat PSC's gebaseerd op een mesoporeuze TiO2 laag kan elektronen verzamelen en effectief een evenwicht bereiken tussen de gatenflux en elektronenflux vanwege het grotere oppervlak, waardoor minder hysterese wordt vertoond [17]. De hysterese-onderdrukking van het met Nb gedoteerde TiO2 -gebaseerd apparaat wordt gemotiveerd door de toenemende geleiding en de vorming van nano-pin-morfologie. Ladingsaccumulatie veroorzaakt door grensvlakcapaciteit bij de ETL/perovskiet-interface zou worden verminderd en resulteren in een hysteresisloos karakter.

De J-V hysteresegedrag van de PSC's op basis van blote TiO2 en 2% Nb:TiO2 laag onder AM 1.5-verlichting

Conclusie

We hebben een gemakkelijke eenstaps, in situ en lage temperatuurbenadering ontwikkeld om een ​​Nb:TiO2 te bereiken compact-mesoporeuze laag die zowel als scaffold als ETL voor PSC's dient. Dientengevolge, PSC's op basis van 2% Nb-gedoteerde TiO2 kan een opmerkelijke PCE van 19,74% vertonen, wat dramatisch hoger is dan die van de gecontroleerde TiO2 gebaseerd apparaat. De Nb:TiO2 laag bevat een compacte TiO2 bodem met nano-pin morfologie op het oppervlak, die kan worden gebruikt als een mesoporeuze laag. Vanwege het collaboratieve effect van een groot interface-oppervlak en een verbeterde transportsnelheid van de vervoerder, is de hysterese van de J-V curve is aanzienlijk verminderd, waarbij de hysterese-index aanzienlijk daalt van 24,39 tot 3,19%. Dit werk belooft een effectieve aanpak voor het bereiken van hysteresisloze en zeer efficiënte PSC's door middel van een goed ontworpen schaalbare en kostenefficiënte hydrothermische methode bij lage temperatuur.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De auteurs verklaren dat het materiaal en de gegevens beschikbaar zijn voor de lezers, en alle conclusies die in dit manuscript worden getrokken, zijn gebaseerd op de gegevens die allemaal in dit artikel worden gepresenteerd en getoond.

Afkortingen

PSC's:

Perovskiet zonnecellen

PCE:

Energieconversie-efficiëntie

TiO2 :

Titaanoxide

ETL:

Elektronentransportlaag

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

EIS:

Elektrochemische impedantiespectroscopie

B g :

Bandafstand

E g :

Energiebandgap

V oc :

Nullastspanning

FF:

Vulfactor

J sc :

Kortsluitstroomdichtheid


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Nano-heterojuncties voor zonnecellen
    2. Effect van gouden nanodeeltjesdistributie in TiO2 op de optische en elektrische kenmerken van kleurstofgevoelige zonnecellen
    3. Zeer geleidende PEDOT:PSS transparante gattransportlaag met oplosmiddelbehandeling voor hoogwaardige silicium/organische hybride zonnecellen
    4. Elektrodepositie van SnO2 op FTO en de toepassing ervan in planaire heterojunctie perovskiet-zonnecellen als een elektronentransportlaag
    5. Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag
    6. Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen
    7. De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
    8. Hoge prestaties van PEDOT:PSS/n-Si-zonnecellen op basis van een gestructureerd oppervlak met AgNWs-elektroden
    9. Verbeterde energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen met een up-conversiemateriaal van Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedoteerde TiO2
    10. UV-behandeling van bij lage temperatuur verwerkte SnO2-elektronentransportlagen voor vlakke perovskiet-zonnecellen
    11. Invloed van Ag-nanodeeltjes met verschillende afmetingen en concentraties ingebed in een TiO2-compacte laag op de conversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen