Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen

Resultaten en discussie

Een nieuwe route met behulp van sequentiële dampverwerking biedt reproduceerbare vorming van pinhole-vrije, dicht opeengepakte kristallijne perovskietlagen. Figuur 1a illustreert in het kort het fabricageproces van de hoogwaardige perovskietlagen. Ten eerste, PbCl₂ wordt verdampt in een vacuümkamer met behulp van een effusiecel op TiO₂ /FTO/glassubstraten, waardoor reproduceerbare homogene lagen over het gehele substraatoppervlak worden geproduceerd. Bovendien maakt een goed gedefinieerde afzettingssnelheid door vacuümafzetting de diktecontrole van PbCl₂ en resulterende perovskietlagen gemakkelijk, vergeleken met vloeibare verwerking. Het verkregen homogene en transparante PbCl₂ monsters worden overgebracht naar glazen petrischalen terwijl de beklede zijden naar boven wijzen. Voor MAI-verdamping verspreidt MAI-poeder zich rond de PbCl₂ -gecoate substraten, en elke petrischaal is strak bedekt met een ander glazen deksel aan de bovenkant, wat zorgt voor een goed besloten ruimte. In een vacuümoven worden verschillende temperaturen en perioden gevolgd om de beste conditie voor perovskietvorming te achterhalen. Aangezien het proces een rol speelt bij MAI-diffusie en -reactie, evenals bij de verdamping, wordt de voorkeur gegeven aan een gematigde toestand voor reproduceerbare vorming van perovskiet met hoge kristalliniteit. Ten slotte wordt nagloeien uitgevoerd om de kristalliniteit te verbeteren door voldoende reactie van niet-gereageerde componenten. Figuur 1b toont de optische absorptiespectra van de PbCl₂ en perovskietmonsters met de representatieve voorbeeldfoto's. De donkerbruin gekleurde homogene laag met de verwachte absorptierand rond 785 nm geeft de succesvolle kristallisatie van het perovskiet via deze route aan. Bovendien blijkt de bandgap-waarde geschat op basis van de Tauc-plot (aanvullend bestand 1:figuur S1) ongeveer 1,58 eV te zijn, wat goed overeenkomt met de literatuur [27, 28].

een Schematische weergave van het fabricageproces, via PbCl₂ verdamping, MAI-verdamping en diffusie, en nagloeien. b UV-Vis absorptiespectra van de PbCl₂ en perovskietlagen. Overeenkomstige voorbeeldfoto's worden in inzet weergegeven

Eerst werd het effect van de MAI-procestemperatuur op de vorming van perovskiet ruwweg onderzocht met behulp van absorptiespectra. Zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Figuur S2, was 150 °C de optimale conditie met de duidelijke perovskietabsorptierand, wat waarschijnlijk te wijten is aan de optimalisatie tussen MAI-verdamping en perovskietvormingsreactie. Daarna werd meer gedetailleerd onderzoek uitgevoerd, zoals de MAI-procesperiode en de uitvoering na het gloeien, en werden XRD-analyses uitgevoerd om de evolutie van kristalgroei te begrijpen (Fig. 2). Alle monsters vertonen de karakteristieke perovskietdiffractiepieken toegeschreven aan tetragonale kristalstructuur, en relatief sterke intensiteiten aan de [001] en [110] richtingen bevestigen dat een sterk uitgelijnde kristaloriëntatie werd verkregen [29,30,31]. Hoewel de diffractie-intensiteiten van de tweede fasen erg klein zijn, kan de fasetransformatievolgorde worden afgeleid uit hun neiging volgens de toegepaste thermische energie. Wanneer de MAI-verdampingsperiode slechts 2 uur wordt aangehouden zonder te gloeien, verschijnen er pieken tussen 11° en 12°. De eerdere onderzoeken meldden dat deze pieken verband hielden met de H₂ O-geïncorporeerd perovskietcomplex ((CH₃ NH₃ )₄ PbI₆ ·2H₂ O) die kan worden gevormd door vocht en overtollig MAI [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42]. Bij toepassing van de nagloeibehandeling (bij 100 °C gedurende 1 uur) geven deze pieken plaats aan een PbI₂ piek door het vrijkomen van vocht en/of MAI [32, 43, 44]. Wanneer de MAI-verdampingsperiode wordt verlengd tot 4 uur met de stap na het uitgloeien, volledige conversie van PbCl₂ tot perovskiet wordt verkregen.

XRD-gegevens van de perovskiet-dunne films, volgens MAI-verwerkingstijd en uitvoering na uitgloeien. De perovskietvlakindices worden toegewezen, en de pieken voor het perovskietcomplex, PbI₂ , en FTO worden ook respectievelijk aangeduid als δ, * en #

Het vervaardigen van perovskiet zonder gaatjes is essentieel voor efficiënte vlakke zonnecellen. Onze route waarbij gebruik wordt gemaakt van fysieke vacuümdepositie, produceert reproduceerbaar compact en uniform perovskiet over het volledige substraatoppervlak. Het onderzoek naar de morfologie en microstructuur van de perovskietlagen werd uitgevoerd met SEM-analyses. Pinhole-vrije, uniforme en homogene oppervlaktekenmerken worden onthuld met het SEM-beeld met lage vergroting (figuur 3a). De dicht opeengepakte korrels met volledige dekking worden ook gezien in de modus met hoge vergroting (figuur 3b). De gemiddelde korrelgrootte werd geëxtraheerd als ~ -320 nm met behulp van een Gauss-passing van het histogram zoals weergegeven in figuur 3c. Het dwarsdoorsnede-aanzicht in Fig. 3d geeft duidelijk de duidelijke en continu gegroeide morfologie van de perovskietlaag weer. Bovendien is de gemiddelde perovskietdikte (~ 220 nm) kleiner dan de gemiddelde korrelgrootte, waardoor het verticale transport van ladingsdragers door de korrels wordt gegarandeerd.

SEM-analyses van de 220 nm dikke perovskietlaag. een Afbeelding met lage vergroting. b Afbeelding met hoge vergroting. c Histogram dat de korrelgrootteverdeling toont. d Dwarsdoorsnede

Het apparaatschema van de gefabriceerde n-i-p -type vlakke heterojunctie perovskiet zonnecellen wordt gegeven samen met de representatieve J-V krommen voor vijf verschillende perovskietdiktes in Fig. 4a, b. De fotovoltaïsche parameters geëxtraheerd uit de J-V curven zijn samengevat in tabel 1. Het is vermeldenswaard dat onze dampverwerking een vrije dikteregeling mogelijk maakt door een goed gedefinieerde afzettingssnelheid, waardoor een gemakkelijke optimalisatie van de apparaatefficiëntie wordt gegarandeerd. De geoptimaliseerde cellen bleken een gemiddelde efficiëntie van 11,2% te hebben met een perovskietdikte van 220 nm. De kleinere optimale dikte, vergeleken met die in de literatuur die een hoog rendement laat zien door een oplossingsproces, wijst erop dat het vermogen om lading te verzamelen van onze perovskiet verder moet worden verbeterd. Het is noodzakelijk om de kwaliteit van de perovskietlaag te ontwikkelen met de dampverwerkingsroute om recombinatie van dragers te verminderen. De standaarddeviatie werd berekend op basis van drie apparaten die voor elke conditie op hetzelfde substraat maakten. Ondanks de beperkte steekproefaantallen duiden de kleine afwijkingen op de uitstekende uniformiteit van de perovskietlagen op het hele substraatoppervlak met dit sequentiële dampproces. Afbeelding 4c geeft de hysterese-analyses weer als een functie van de scansnelheid voor het 220 nm dikke perovskietapparaat. De afhankelijkheid van de scansnelheid van de hysterese wordt duidelijk weergegeven. Bij de lage scansnelheid (300 mV/s), zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3, wordt de hysterese verwaarloosbaar met een gemiddelde efficiëntie van 7,5%. Voor n -ik -p structuur, hysterese met een hogere PCE bij reverse scan is gebruikelijk, wat aangeeft dat het verzamelen van dragers (dwz transport en / of overdracht op interfaces) efficiënter is met een specifieke distributie van capacitieve lading zoals ruimtelading en gevangen lading. Aan de andere kant werd steady-state PCE gecontroleerd op het maximale vermogenspunt zoals weergegeven in figuur 4d. De gestabiliseerde PCE- en stroomdichtheidswaarden werden verkregen als 7,5% en 14 mA/cm ² , wat goed overeenkomt met het resultaat in Fig. 4c.

een Apparaat schema. b J -V krommen van de perovskiet-zonnecellen met verschillende perovskietdiktes. 1000 mV/s met reverse scan. c Scansnelheidsafhankelijke hystereseverandering, perovskietdikte:220 nm. d Gestabiliseerde output bij de maximale voedingspuntspanning