Verbeterde prestaties van CsPbI₂Br perovskiet zonnecellen via ZnCl₂–MnCl₂ doping

Samenvatting

Volledig anorganische CsPbI₂Br perovskiet zonnecellen (PSCs) vertonen superieure thermische stabiliteit vergeleken met hybride tegenhangers, maar hun vermogensomzettingsrendementen (PCEs) blijven onder de state-of-the-art hybride apparaten. In deze studie introduceren we een dubbele doping-strategie—samenvoeging van ZnCl₂ en MnCl₂ in de CsPbI₂Br precursor—om de kristallisatiedynamica te moduleren. De dopanten infiltreren interstitiële plaatsen tijdens filmgroei, onderdrukken snelle nucleatie en mogelijk maken de vorming van grotere kristallijne korrels. Deze morfologische verbetering vertaalt zich in een kortsluitstroomdichtheid (Jsc) van 15,66 mA cm⁻² en een vulfactor (FF) van 73,37%. Daarom stijgt het PCE van 13,47% (onge-dopt) naar 14,15%, wat deze cel onder de meest efficiënte CsPbI₂Br PSCs plaatst. De verbeterde prestaties worden toegeschreven aan verminderde valdedichtheden, verbeterde oppervlaktemorfologie en onderdrukte ladinghercombinatie, allemaal bereikt door nauwkeurige compositie-techniek.

Inleiding

Hybride organisch-anorganische perovskieten hebben veel aandacht getrokken vanwege hun hoge ladingsdrager mobiliteiten en instelbare bandgaps, wat PCEs dreef van 3,8% naar 23,3% door kation-uitwisselingsstrategieën. Echter, omgevingsstabiliteit blijft een kritieke knelpunt. Volledig anorganische cesium-lood-haliden, zoals CsPbI₂Br, bieden een aantrekkelijke alternatief: een gunstige bandgap van ~1,91 eV en robuuste zwarte-fase stabiliteit in omgevingslucht. Korrelgrootte en defectdichtheid beïnvloeden kritisch de apparaatefficiëntie; grotere korrels verminderen korrelgrens-hercombinatie terwijl lage valdedichtheden ladingsextractie vergemakkelijken. Compositie-doping—het introduceren van vreemde ionen in het rooster—is uitgegroeid als een krachtig hulpmiddel om filmkristalliniteit en elektronische eigenschappen af te stemmen. Op deze basis onderzoeken we systematisch de impact van ZnCl₂–MnCl₂ co-doping op CsPbI₂Br PSCs, wat aantoonbare verbeteringen in morfologie, ladingdynamica en lange-termijn stabiliteit laat zien.

Resultaten en discussie

We synthetiseerden een 1,0 M CsBr/PbI₂ precursor-oplossing in een 1,4:1 DMF/DMSO mengsel, met ZnCl₂ en MnCl₂ geïncorporeerd bij 0%, 0,25% en 0,50% molaire verhoudingen (CsPbI₂Br-0%, CsPbI₂Br-0,25%, CsPbI₂Br-0,50%). Een een-stap spin-coating protocol produceerde ~350 nm dikke films geanneald bij 150 °C. SEM-micrografieken (Fig. 1a–c) onthullen dat de 0,25% gedopte film een zeer uniforme, gatloze oppervlakte vertoont, terwijl de 0,50% film zeldzame gaten toont die de apparaatprestaties aantasten.

XRD-analyse (Fig. 2a) toont dat de 0,25% gedopte film een verschuiving van de (100) piek naar hogere hoeken vertoont, wat roostercontractie aangeeft door gedeeltelijke substitutie van Pb²⁺ door Zn²⁺/Mn²⁺. XPS-spectra (Fig. 2c–f) bevestigen verschuivingen in Pb 4f, I 3d en Br 3d bindingsenergieën, wat de roosterincorporatie van dopanten verder ondersteunt.

J–V karakteristieken (Fig. 3a) tonen aan dat het 0,25% gedopte apparaat een kampioens PCE van 14,15% bereikt (Jsc = 15,66 mA cm⁻², Voc = 1,23 V, FF = 73,37%). EQE-metingen (Fig. 3b) bevestigen de hoge Jsc-waarden. Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) onthult een hercombinatiewerstand (Rrec) van 1.016 Ω voor de gedopte film versus 620 Ω voor de onge-dopte, wat verminderde defect-gemedieerde hercombinatie reflecteert. Minimale hysterese wordt waargenomen in de voorwaartse en omgekeerde J–V scans (Fig. 3d).

Lange-termijn stabiliteitstesten (Fig. 4a) tonen aan dat het 0,25% apparaat 87% van zijn initiële PCE behoudt na 30 dagen in N₂, met stabiele Voc. Thermische cycling bij 80 °C gedurende 150 min behoudt 96% van het oorspronkelijke PCE (Fig. 4c). UV-vis absorptie (Fig. 4d) bevestigt dat de bandgap onveranderd blijft, met een aanvang bij 600 nm, wat aangeeft dat doping de licht-opvangscapaciteiten niet nadelig beïnvloedt.

Experimentele sectie

Materialen en methoden

Materialen

SnO₂, CsBr, ZnCl₂, MnCl₂, DMSO, DMF, spiro-OMeTAD en PbI₂ werden aangeschaft bij Alfa Aesar, Sigma-Aldrich en Xi'an Polymer Light Technology Corp., respectievelijk.

Apparaatfabricage

ITO-glassubstraten werden achtereenvolgens gereinigd met detergent, isopropylalcohol, aceton en gedemineraliseerd water, gevolgd door 10 min zuurstofplasma. Een 1:6 SnO₂ waterige dispersie werd gespincoteerd bij 3.000 rpm (40 s) en geanneald bij 150 °C (30 min). De perovskiet precursor (1,0 M) werd gefiltreerd (0,22 µm) en geroerd bij 70 °C gedurende 2 uur. Spin-coating omvatte 1.000 rpm (12 s) dan 5.000 rpm (30 s) met een 100 µL chlorobenzene druppel. Films werden geanneald bij 50 °C (1 min) dan 150 °C (5 min). Een spiro-OMeTAD HTL (72,3 mg mL⁻¹, met Li-TFSI, TBP en chlorobenzene) werd gespincoteerd bij 4.000 rpm (30 s), gevolgd door 80 nm Au depositie via thermische verdamping.

Karakterisering

XRD werd uitgevoerd op een Rigaku-2500 diffractometer. SEM-beeldvorming gebruikte een HITACHI 2100. Zonnecelprestaties werden gemeten met een Keithley 2420 onder AM 1,5 (100 mW cm⁻²) belichting, gekalibreerd door een silicium referentiecel. EIS werd uitgevoerd op een Zahner Zennium systeem. EQE werd vastgelegd met een Newport Oriel IQE-200 opstelling. Apparaatoppervlakte was 0,044 cm².

Conclusies

Co-doping van CsPbI₂Br perovskieten met 0,25% ZnCl₂–MnCl₂ verbetert de filmkwaliteit aanzienlijk, vermindert valdedichtheden en onderdrukt hercombinatie. De resulterende PSC bereikt een PCE van 14,15%, met Jsc = 15,66 mA cm⁻², Voc = 1,23 V en FF = 73,37%. Deze resultaten benadrukken de effectiviteit van compositie-techniek in het verbeteren van prestaties en stabiliteit van volledig anorganische perovskiet zonnecellen.

Inhoudsopgave-item

We presenteren een kosteneffectieve, reproduceerbare doping-strategie die CsPbI₂Br filmmorfologie en apparaatprestaties verbetert, wat resulteert in een record 14,15% efficiëntie en robuuste lange-termijn stabiliteit.

Afkortingen

DMF

N,N-dimetylformamide

DMSO

Dimetylsulfoxide

EQE

Externe kwantumefficiëntie

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

XPS

Röntgenfotoelektronenspectroscopie

XRD

Röntgendiffractie