Laagtemperatuur UV-gecureerde SnO₂ elektronen-transportlagen leveren 14,4% efficiëntie in planaire perovskiet zonnecellen

Samenvatting

We introduceren een eenvoudig ultraviolett (UV) ozon (UVO) behandelprotocol voor tin-oxide (SnO₂) elektronen-transportlagen (ETLs) geproduceerd bij temperaturen onder 90 °C. Door de SnO₂-precursor-concentratie te optimaliseren, controleren we filmdikte, bereiken hoge kristallijnheid en verwijderen organische residuen, resulterend in ETLs met superieure geleiding en optische doorlaatbaarheid. Geïntegreerd in een planaire perovskiet zonnecel (PSC) architectuur (Glas/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au), bereiken de apparaten een maximaal vermogensconversie-efficiëntie (PCE) van 14,36% bij 20% SnO₂-concentratie. Deze laagtemperatuur, UV-gebaseerde benadering biedt een schaalbare, kosteneffectieve route naar hoogpresterende PSCs.

Achtergrond

Perovskiet zonnecellen (PSCs) hebben snel gevorderd van 3,8% tot 22,1% PCE in de laatste jaren. In zowel mesoporieuze als planaire architecturen wordt de perovskiet-absorber ingesloten tussen elektronen-transportlagen (ETLs) en gaten-transportlagen (HTLs), en de interfaciale kwaliteit van deze lagen beïnvloedt direct de apparaatprestaties. Conventionele fabricage van compacte ETLs vereist vaak hoge-temperatuur aanlaten of sinteren (tot 450 °C voor TiO₂ en 180 °C voor SnO₂), wat grootschalige, laagkostige productie beperkt.

We presenteren een spin-coating protocol voor SnO₂-precursors gevolgd door UVO-behandeling, wat een volledig compacte ETL bij temperaturen onder 90 °C oplevert. Deze methode elimineert de noodzaak voor hoge-temperatuur stappen, vermindert verwerkingscomplexiteit en verlaagt productiekosten. Onze PSCs, gebaseerd op CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) en gefabriceerd via een een-stap anti-solvent (OSAS) benadering, vertonen een planaire heterojunctie architectuur: Glas/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. De geoptimaliseerde apparaten bereiken een PCE van 14,5%.

Methoden

Materialen en Precursor Bereiding

Methylammonium iodide (MAI; Z99,5%) en lood-iodide (PbI₂; Z99,9%) werden bezorgd door Xi'an Polymer Light Technology Corp. Tin-oxide (SnO₂; 15% massa in H₂O colloïdale dispersie met sporen organische oplosmiddelen) werd gekocht van Alfa Aesar. 1,2-Dichloorbenzeen (DCB; 99,5%) en andere oplosmiddelen (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) werden verkregen van Sigma Aldrich. Alle reagentia werden als ontvangen gebruikt zonder verdere zuivering.

Apparaat Fabricage

De apparaatstapel is ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. ITO-glassubstraten (<15 Ω/□) werden ultrasoon gereinigd met aceton, ethanol en DI water (15 min elk) en gedroogd met stikstof. Vervolgende UVO-reiniging (15 min bij ~60 °C) verwijderde residuele organische stoffen. SnO₂-films werden gespincoten uit precursor-oplossingen (10%, 15%, 20%, 30% per volume) bij 5000 rpm gedurende 30 s, gedroogd bij 50 °C gedurende 5 min en vervolgens aan UVO blootgesteld (60 min, ~60 °C). Een 1-M MAPbI₃-precursor (MAI:PbI₂ = 1:1 M) werd bereid in een 9:1 (v/v) DMF:DMSO mengsel, geroerd en verwarmd bij 50 °C overnachten. De perovskietlaag werd gespincoten bij 4000 rpm gedurende 30 s, met een druppel diethylether toegevoegd 5 s voor het einde van het spinnen. De film werd geanneald bij 90 °C gedurende 10 min in een handschoenenkast. De HTL bestond uit 70 mM Spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI en 55 mM TBP in DCB, gespincoten bij 5000 rpm gedurende 20 s. Ten slotte werd 100 nm Au thermisch verdampt bij ~5 Å/s onder 5×10⁻⁴ Pa. Het actieve oppervlak was 4 mm².

Karakterisatie en Metingen

Stroom-spanning (J-V) krommen werden opgenomen met een Keithley 2400 onder AM1.5G verlichting (100 mW/cm²) met een Newport 94043A zonsimulator, gekalibreerd tegen een referentie siliciumcel. UV-vis transmissiespectra werden verkregen met een Cary 5000 spectrometer. Oppervlaktemorfologie en doorsnede-structuur werden onderzocht met SEM (JSM-7001F). Röntgendiffractie (XRD) werd uitgevoerd op een Röntgendiffractometer (DX-2700) om de rutile SnO₂-fase te bevestigen. Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie (EDS) beoordeelde elementaire samenstelling.

Resultaten en Discussie

UV/ozon emiteert fotonen bij 185 en 254 nm (647 en 472 kJ/mol), voldoende om C-C, C-O en C-H bindingen (346-411 kJ/mol) te breken. EDS van een 20% SnO₂-film na UVO toont >99% Sn en O, met <1% residueel C, wat verwijdering van organische stoffen en hoge-zuivere ETLs bevestigt (Tabel 1).

XRD van de UVO-behandelde films onthult karakteristieke rutile-pieken bij 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6° en 65,9° (vlakken (110), (101), (200), (211), (301)) overeenkomend met JCPDS 41-1445. Debye-Scherrer analyse levert een gemiddelde kristallijngrootte van 5,5 nm op (Fig. 2).

Figuur 3a toont het apparaatschema. SEM van de actieve laag (Fig. 3b) onthult een continue MAPbI₃-film (~384 nm dik) met enkeltkristallen >1 µm, wat wijst op hoge-kwaliteit perovskietvorming. De SnO₂ (20%) laag is ~65 nm dik, wat een optimale balans tussen geleiding en lichttransmissie biedt.

J-V-karakteristieken (Fig. 4) en gedetailleerde parameters (Tabel 2) illustreren dat J_sc piekt bij 20,11 mA/cm² voor het 20% SnO₂-apparaat, terwijl V_oc en vulfactor (FF) ook verbeteren met toenemende concentratie tot 20%. De overeenkomstige PCE bereikt 14,36% met serieweerstand (R_s) van 232,8 Ω en shunt-weerstand (R_sh) van 15.868 Ω. Excessieve SnO₂ (30%) verlaagt transparantie, wat recombinatie verhoogt en prestaties verlaagt.

Doorsnede-SEM (Fig. 5) bevestigt filmdiktes van 34 nm (10%), 48 nm (15%), 66 nm (20%) en 97 nm (30%). I-V-metingen van ITO/SnO₂/Au structuren onthullen dat verticale weerstand daalt van 98,6 Ω (10%) tot 33,7 Ω (20%) voordat het stijgt tot 50,8 Ω (30%), correlerend met filmcontinuïteit en kristallijnheid.

Bovenanzicht SEM (Fig. 7) toont uniforme, gladde films over alle concentraties, met kristallijngroottes rond 6,8 nm - consistent met XRD-schattingen. Kleine eilandsdefecten verschijnen bij 10% (Fig. 7a, e), wat geleiding vermindert, terwijl 20% optimale continuïteit biedt. Bij 30% vertonen films lichte coalescentie, wat weerstand verhoogt.

UV-vis transmissiespectra (Fig. 8) wijzen op >75% transmissie over 400-800 nm. Pieken verschuiven naar langere golflengtes met toenemende SnO₂-dikte (10% → 616 nm, 15% → 662 nm, 20% → 718 nm, 30% → >800 nm). De MAPbI₃-absorptieband (300-760 nm) overlapt het beste met de 10-20% SnO₂-films, wat lichtopbrengst maximaliseert. Overmatige dikte (30%) verlaagt transmissie, wat tot lagere PCE leidt.

Conclusies

We tonen aan dat laagtemperatuur UVO-behandeling van gespincote SnO₂-precursors compacte, hoge-zuivere ETLs oplevert met uitstekende geleiding en transparantie. Het optimaliseren van de SnO₂-concentratie tot 20% produceert planaire PSCs met een PCE van 14,36%. De prestaties worden bepaald door de balans tussen filmdikte, uniformiteit en optische transparantie. Dit schaalbare, laagkostige proces is uitstekend geschikt voor industriële PSC-productie.

Afkortingen

ETLs:

Elektronen-transportlagen

FF:

Vulfactor

HTLs:

Gaten-transportlagen

J_sc:

Kortsluitings-fotostroom

OSAS:

Eén-stap anti-solvent

PCE:

Vermogensconversie-efficiëntie

PSCs:

Perovskiet zonnecellen

UVO:

Ultraviolett ozon

V_oc:

Open-circuit spanning