UV-ozone-behandelde gereduceerde grafeneoxide verbetert PEDOT:PSS gattransportlaag in omgekeerde perovskietzonnecellen

Samenvatting

Omgekeerde planaire perovskietzonnecellen (PSCs) bieden laagtemperatuur-, laagkost-fabricage en verminderde hysteresie vergeleken met conventionele n-i-p architecturen. De prestaties van PSCs hangen af van de kwaliteit van de gattransportlaag (HTL). Hier demonstreren we een groene UV-ozone-behandeling die de hydrofiliciteit van gereduceerde grafeneoxide (rGO) verbetert terwijl de hoge elektrische geleiding behouden blijft. Het behandelde rGO wordt gemengd in PEDOT:PSS om een gemodificeerde HTL te vormen. Cellules gefabriceerd met deze rGO/PEDOT:PSS-laag bereiken een vermogensomzettingsrendement (PCE) van 10,7 %, met een kortsluitstroomdichtheid (J_SC) van 16,75 mA cm^–2, open-circuitspanning (V_OC) van 0,87 V en vulfactor (FF) van 75 %. Dit vertegenwoordigt een verbetering van 27 % ten opzichte van PSCs met zuiver PEDOT:PSS, toegeschreven aan het gladde oppervlak en de verbeterde gatmobiliteit van de rGO-gedopte laag.

Achtergrond

Hybride organisch-anorganische perovskieten hebben zich ontwikkeld tot een toonaangevend fotovoltaïsch materiaal, met PCE's die in het afgelopen decennium stegen van 3,8 % naar 22,1 % – kristallijn silicium overtreffend. Echter, de hoge temperatuur van de aanlozing die vereist is voor traditionele n-i-p PSCs beperkt hun toepassing op flexibele substraten. De omgekeerde p-i-n structuur, voor het eerst gerapporteerd door Guo et al. in 2013, plaatst een gattransportmateriaal (HTM) onder de perovskietlaag, gevolgd door een elektronentransportmateriaal (ETM). Deze architectuur vereenvoudigt de verwerking, verlaagt hysteresie en verbetert de vulfactor. Ondanks vooruitgang in HTL- en ETL-ontwikkeling, loopt het rendement van omgekeerde PSCs nog achter op dat van conventionele cellen.

Grafene en derivaten bieden uitzonderlijke geleiding, transparantie en milieustabiliteit, wat ze aantrekkelijk maakt voor HTL-modificatie. Commerciële gereduceerde grafeneoxide (rGO) neigt echter tot aggregatie in aqueuze media door beperkte hydrofiele groepen, terwijl grafeneoxide (GO) lijdt aan lage geleiding. Een in oplossing verwerkbaar rGO dat disperseerbaarheid en geleiding in evenwicht brengt, is daarom gewenst. In dit werk presenteren we een eenvoudig, milieu-vriendelijk UV-ozone-protocol dat hydroxyl- en carboxylgroepen op rGO introduceert, wat stabiele aqueuze dispersie mogelijk maakt zonder de elektrische eigenschappen in te boeten. Het incorporeren van dit behandelde rGO in PEDOT:PSS levert een hoogpresterende HTL voor omgekeerde PSCs.

Methoden/Experiment

Chemicaliën

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP. Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99 %), anhydre N,N-dimetylformamide (DMF, 99,8 %) en chlorbenzeen (CB, 99,8 %) werden aangeschaft bij Sigma-Aldrich. [6,6]-Fenyl-C₆₁-zuur methylester (PC₆₁BM, > 99 %) en 2,9-dimethyl-4,7-difenyl-1,10-fenantroline (BCP, > 99 %) werden verkregen van Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO werd gesynthetiseerd volgens het protocol van Y.F. Chen.

Oplossingsbereiding

Vijf milligram rGO werd in een kwarts Petrifaz geplaatst en 2 uur blootgesteld aan UV-ozone (270 W). Het behandelde rGO werd verzameld en gedispergeerd in gedemineraliseerd water tot een concentratie van 1 mg mL^–1 met behulp van een ultrasonisch bad. Voor de HTL-bereiding werden rGO-oplossingen (volumeratio's 0,1, 0,2 en 0,3 v/v) bij kamertemperatuur met PEDOT:PSS gemengd, overnachten geroerd en gefilterd door 0,45 µm PTFE-filters.

De perovskiet-voorloper werd bereid door MAI en PbI₂ (1:1 molaire verhouding) in DMF (40 wt %) op te lossen bij 60 °C gedurende 24 u, gevolgd door filtratie door 0,45 µm PTFE-filters.

Celfabricage

Omgekeerde PSCs werden gemonteerd op ITO (1,5 × 1,5 cm²) volgens een spin-coating-volgorde: ITO/PEDOT:PSS/rGO/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. De ITO-substraten werden gereinigd met aceton, isopropanol en water. De rGO/PEDOT:PSS-laag werd gespincodeerd op 4000 toer/min gedurende 40 s, daarna geanleed bij 150 °C gedurende 10 min in lucht. De perovskietlaag werd aangebracht via een eenstaps spin-coating van de 40 wt % DMF-oplossing (4000 toer/min, 40 s), gevolgd door een snelle toevoeging van 70 µL CB 6 s in het natte film. De films werden geanleed bij 110 °C gedurende 30 min onder N₂. PC₆₁BM (20 mg mL^–1 in CB) werd gespincodeerd op 3000 toer/min gedurende 40 s, daarna BCP (verzadigde oplossing in IPA) op 2000 toer/min gedurende 30 s. Tenslotte werd 100 nm Ag verdampt.

Karakterisatie

XPS werd uitgevoerd met een ESCALAB 250-spectrometer om functionele groepen te beoordelen. XRD-patronen van perovskietfilms werden opgemeten op een Bede hoogresolutie diffractometer. AFM (SPI3800) leverde oppervlaktemorfologie. Stroom-spanning (J-V) kenmerken werden gemeten met een Keithley 2400 onder AM 1.5 G (100 mW cm^–2) verlichting van een ABET SUN 3000 zonsimulator.

Resultaten en Discussie

Figuur 1 toont de optische contrast tussen onbehandelde en UV-ozone-behandelde rGO-dispersies. Het behandelde rGO disperseert uniform, wat de introductie van hydrofiele –OH en –COOH groepen bewijst zonder volledige oxidatie, zoals bevestigd door de behouden zwarte kleur versus de bruine GO.

XPS-spectra (Figuur 2) tonen verhoogde intensiteiten van C–O en C–(O)–OH pieken na UV-ozone-behandeling, wat succesvolle functionalisatie bevestigt terwijl het sp²-netwerk behouden blijft.

Perovskiet-kristalliniteit werd onderzocht met XRD (Figuur 3). Zowel films op zuiver PEDOT:PSS als rGO/PEDOT:PSS vertonen kenmerkende pieken bij 14,14°, 28,08° en 31,86° (110, 220, 310 vlakken). De scherpere pieken voor de rGO-gemodificeerde HTL wijzen op verbeterde kristalliniteit, wat correleert met verbeterde ladings-transport.

AFM (Figuur 4) onthult een lichte toename in RMS-ruwheid van 1,15 nm (zuiver PEDOT:PSS) naar 1,27 nm (rGO/PEDOT:PSS). Deze bescheiden verruwing kan perovskietkorrelgroei bevorderen, wat de XRD-waarnemingen ondersteunt.

Celprestaties (Figuur 5) tonen aan dat de 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS HTL de beste metrieken levert: V_OC = 0,87 V, J_SC = 16,75 mA cm^–2, FF = 75 % en PCE = 10,75 %. Vergeleken met zuiver PEDOT:PSS (PCE = 8,48 %) vertegenwoordigt dit een toename van 27 %. Donkere J-V-metingen (Figuur 5b) bevestigen verminderde lekkagestroom, wat zowel V_OC als J_SC verbetert door de serieweerstand te verlagen en shunts te onderdrukken.

Statistische analyse van 60 cellen (Figuur 6) bevestigt de reproduceerbaarheid: gemiddelde PCE van 9,7 ± 1,04 % voor rGO-gedopte cellen versus 7,65 ± 0,48 % voor zuiver PEDOT:PSS. De verbetering wordt voornemelijk gedreven door hogere J_SC (15,25 ± 1,8 mA cm^–2) en FF (72,37 ± 2,03 %) in plaats van V_OC.

Conclusies

We hebben een eenvoudig, eco-vriendelijk UV-ozone-proces geïntroduceerd dat water-dispergeerbaar rGO met behouden geleiding oplevert. Gemengd in PEDOT:PSS fungeert dit rGO als een hoge-mobiliteit-additief, verbeterend oppervlaktemorfologie en verminderend cel-lekkage. Omgekeerde PSCs met 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS bereiken een PCE van 10,75 %, een 27 % stijging ten opzichte van conventionele PEDOT:PSS HTL's. Deze strategie toont een haalbare weg naar hoog-rendement, in-oplossing-verwerkbare perovskietzonnecellen en kan uitgebreid worden naar andere optoelektronische apparaten.