Spray-pyrolyse fabricage van hoge-zuiverheid MAPbI3 perovskiet deeltjes voor dunne-film zonnecellen

Samenvatting

We presenteren een vergelijkende studie van drie schaalbare routes voor het produceren van methylammonium lood iodide (MAPbI3) perovskiet deeltjes: (1) anti-oplosmiddel precipitatie, (2) droog-malen, en (3) spray-pyrolyse. Spray-pyrolyse, die de precursoroplossing atomiseert in een hete-wand reactor, levert zuiverheidsvrije, kristallijne poeders met smalle grootteverdelingen en levert een uniforme perovskiet dunne film op wanneer gebruikt voor het fabriceren van een mesoporeuze zonnecel (PCE = 2,05%). Deze bevindingen tonen aan dat spray-pyrolyse de meest effectieve methode is voor het genereren van hoogwaardige perovskiet-pasta's geschikt voor groot-oppervlakte apparaatfabricatie.

Achtergrond

Organometallische halogide perovskieten—vooral die met methylammonium (MA), formamidinium (FA) of cesium (Cs)—staan aan de voorhoede van fotovoltaïsch onderzoek en worden ook verkend voor transistoren, LEDs en stralingssensoren. Hoewel de meeste werk zich richt op dunne-film depositie, bieden nanokristallijne perovskiet deeltjes quantum-confinement effecten en nieuwe apparaatarchitecturen. De literatuur wordt gedomineerd door volledig anorganische Cs-gebaseerde nanokristallen; MA-gebaseerde deeltjes blijven echter onderzocht, met name in het kader van schaalbare productie.

Presentatie van de hypothese

We stellen drie verschillende synthese-strategieën voor MAPbI3 deeltjes voor:

1. Anti-oplosmiddel precipitatie – Druppelgewijze toevoeging van een perovskiet-precursoroplossing in tolueen.
2. Droog-malen – Mechanische menging van MAI en PbI2 poeders op een magnetische roerer bij 200 °C.
3. Spray-pyrolyse – Verspuiting van de precursoroplossing met een 0,2 mm mondstuk in een twee-traps roestvrij-stalen verheater (275 °C/175 °C). Deze methode benut oplosmiddelverdamping en in-situ chemische conversie om kristallijne deeltjes te vormen.

Figuur 1 illustreert het schematische van de drie routes.

Testen van de hypotheses

Perovskiet-precursors (MAI = 158 mg, PbI2 = 420 mg) werden opgelost in 1 mL DMSO. De resulterende 1 mL oplossing werd verwerkt door elke methode, en de poeders werden geanneald bij 150 °C (anti-oplosmiddel) of direct verzameld (spray) voor karakterisering.

1. Anti-oplosmiddel methode

Snelle precipitatie produceerde geel poeder na 2 min; voortgezet roeren gedurende 20 min leverde een colloidale dispersie op. XRD (Bruker D5005) bevestigde perovskietvorming met geringe onzuiverheidspieken.

2. Malen methode

MAI/PbI2 massa-verhoudingen van 1:1 en 1:2 werden getest bij 200 °C. XRD toonde dominante perovskiet-pieken maar residuaire PbI2-signalen, wat incomplete conversie aangeeft.

3. Spray methode

Met 2 psig luchtdruk, gingen druppels in een 10 cm × 30 cm verheater. De eerste trap (275 °C) verdampt oplosmiddel; de tweede trap bij 175 °C voorkwam decompositie, wat een hoog-kristallijn, zuiverheidsvrij poeder opleverde.

Figuur 2 presenteert de XRD-patronen, en Figuur 3 toont SEM-afbeeldingen die micron-grootte, onregelmatige deeltjes onthullen; spray-afgeleide poeders vertonen de smalste grootteverdeling (Figuur 4).

Implicaties van de hypothese

Perovskiet-pasta's werden geformuleerd door 20 mg van elk poeder te disperseren in 10 µL ethanol en blade-coaten op mesoporeuze TiO2-lagen op FTO-glas. SEM (Figuur 6) toont dat alleen de spray-afgeleide paste een continue, defect-vrije film vormt. UV-Vis-spectra (Figuur 7) bevestigen de verwachte absorptierand bij ~750 nm voor spray-afgeleide films.

We fabriceren een basis MAPbI3 zonnecel: TiO2 / perovskiet / Spiro-OMeTAD / Au. Het apparaat vertoonde een PCE van 2,05% (Voc < 0,4 V, Jsc = 6,3 mA cm⁻², FF = 0,8), beperkt door interfaciale lading-recombinatie waarschijnlijk veroorzaakt door zwakke deeltjesbinding in de film. Verbeterde binders kunnen de prestaties verbeteren.

Conclusies

Spray-pyrolyse produceert consistent kristallijne, zuiverheidsvrije MAPbI3 deeltjes met een smalle grootteverdeling, wat de fabricatie van uniforme perovskietfilms en functionele zonnecellen mogelijk maakt. Deze schaalbare route belooft veel voor groot-oppervlakte perovskiet-apparaatproductie.