Regelbare tweedimensionale perovskietkristallisatie via wateradditief voor hoogwaardige zonnecellen

Resultaten en discussie

Om de invloed van H₂ . te onderzoeken O additief voor de prestaties van 2D PVSC's, we hebben de omgekeerde apparaten gefabriceerd met de configuratie van indiumtinoxide (ITO)/PEDOT:PSS/BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ /PC₆₁ BM/BCP/Ag zoals getoond in Fig. 1a. Het gedeïoniseerde water werd gemengd met een perovskiet-precursoroplossing met een gevarieerde volumeverhouding van 0 tot 5%. De fotostroomdichtheid–spanning (J–V) krommen van de kampioen 2D PVSC's op basis van perovskiet met verschillende hoeveelheden wateradditief onder verlichting van AM 1.5G, 100 mW/cm ² worden weergegeven in Fig. 1b, en de bijbehorende fotovoltaïsche parameters zijn vermeld in Tabel 1. Het regelapparaat zonder watertoevoeging vertoont een lage nullastspanning (V _oc ) van 0,84 V, een kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) van 5,73 mA/cm ² , een vulfactor (FF ) van 47,63 %, wat resulteert in een slechte PCE van 2,29 %. Uit tabel 1 blijkt duidelijk dat de geschikte hoeveelheid H₂ O-additief verbetert de bijbehorende fotovoltaïsche prestaties van de apparaten aanzienlijk. In het geval van 2D perovskiet met 3% H₂ O, het best presterende apparaat toont een PCE van 12,15%, met een V _oc van 1,06 V, J _sc van 15,80 mA/cm ² , en FF van 72,56 %. De significante verbetering in PCE wordt toegeschreven aan de met additieven behandelde perovskietfilm, die een hogere kristalliniteit, grotere steenachtige korrels, uniforme morfologie en verticale oriëntatie loodrecht op het substraat vertoont. De details zullen hieronder worden besproken. Door de volumeverhouding van H₂ . verder te verhogen O tot 5% waren de fotovoltaïsche parameters van PVSC's verslechterd. Figuur 1c geeft de steady-state fotostroomdichtheid weer waarbij PCE een functie is van de tijd bij het maximale vermogenspunt (0,84 V). De PCE van het kampioensapparaat met 3% H₂ O stabiliseert op 11,78% (zwart) met een fotostroomdichtheid van 14,02 mA/cm ² (rood) in de scantijd van 200 s, en het ligt dicht bij de waarde die is geëxtraheerd uit J-V kromme. Belangrijk is dat de houdbaarheid een van de belangrijkste vereisten is voor praktische toepassing van PVSC's. Zowel de niet-verzegelde apparaten zonder als met 3% H₂ O werden bewaard in een luchtatmosfeer met een relatieve vochtigheid van 25 ± 5% bij 25°C om de evolutie van hun PCE als functie van de tijd te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 1d, het apparaat met 3% H₂ O behield nog steeds 85,76 % van zijn initiële PCE na 720 h, wat veel stabieler was dan die van het apparaat zonder H₂ O (52,76 %). De aanzienlijk verbeterde stabiliteit wordt toegeschreven aan de stabiele gehydrateerde 2D-perovskieten die kunnen worden gegenereerd tijdens het spincoating- en gloeiproces. De stabiele gehydrateerde 2D-perovskieten weerstaan ​​tot op zekere hoogte de afbraak van 2D-perovskietfilm [39, 40]. Op basis van bovenstaande resultaten concluderen we dat het apparaat dat is behandeld met een optimaal watergehalte niet alleen superieure fotovoltaïsche prestaties levert, maar ook een goede stabiliteit vertoont.

een Schematische weergave van de PVSC-structuur. b J-V-curven van PVSC's op basis van BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ films die zijn afgezet uit perovskiet-precursoroplossingen die zijn gedoteerd met een verschillend volume H₂ O. c Steady-state fotostroom en PCE van de kampioensapparaat 1 zonconditie. d Langdurige stabiliteit van het niet-verzegelde apparaat zonder en met 3% H₂ O

De statistische gegevens voor fotovoltaïsche parameters van telkens 16 PVSC's worden getoond in Fig. 2a-d. De apparaten zonder en met 1,5%, 3% en 5% H₂ O presenteert de beste PCE van 2,29%, 7,63%, 12,15% en 10,38% met de gemiddelde waarde van respectievelijk 1,85%, 6,59%, 11,38% en 9,02% (tabel 1). Deze statistische gegevens laten dezelfde tendens zien als hun overeenkomstige kampioensapparaten, wat de statistisch zinvolle prestatieverbeteringen van het apparaat bij een geschikte hoeveelheid gedeïoniseerd water bewijst.

Statistiekverdeling voor (a ) V _oc , (b ) J _sc , (c ) FF , en (d ) PCE van 2D PVSC's gebaseerd op BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ films met verschillende hoeveelheden H₂ O additief

De SEM werd uitgevoerd om de effecten van H₂ . te evalueren O additief op morfologie en dekking van 2D-perovskietfilms. De SEM-afbeeldingen in bovenaanzicht van BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ film met verschillende hoeveelheden H₂ O-additief worden getoond in Fig. 3a-c, en de corresponderende SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede worden getoond in de inzet van Fig. 3a-c. De perovskietfilm zonder H₂ O (aangeduid als perovskiet-w/o H₂ O) vertoont een slechte morfologie met kleine hoeveelheden scheuren en gaatjes, terwijl de film met 3% H₂ O (aangeduid als perovskiet-3% H₂ O) vertoont een gelijkmatiger oppervlak zonder scheuren. Een grote hoeveelheid holtes en scheuren kan worden waargenomen wanneer 5% H₂ O (aangeduid als perovskiet-5% H₂ O) werd toegevoegd, wat voornamelijk te wijten is aan de ontleding van het hydraatperovskiet veroorzaakt door overmatige bulk H₂ O [41]. Trouwens, zoals getoond in de inzet van Fig. 3a, de film zonder H₂ O-additief is opgebouwd uit willekeurig georiënteerde kleine kristallijne korrels met veel korrelgrenzen. De korrelgrootte van de perovskiet-3%H₂ O film is groter dan die van de perovskiet-5% H₂ O film, hoewel ze allebei een verticaal georiënteerde baksteenachtige morfologie vertonen. De grotere korrels in 2D-perovskietfilm resulteren in bijna geen korrelgrens langs de verticale richting. Er is gemeld dat korrelgrenzen regio's zijn waar de valtoestanden voornamelijk zijn verdeeld [45, 46]. Daarom is de perovskiet-3% H₂ O-films met grotere verticaal georiënteerde kristalkorrels dragen bij aan efficiënte PVSC's.

een -c SEM-afbeeldingen van bovenaf en SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede (inzetstukken) van BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ films met verschillende hoeveelheden H₂ Oh additief. GIWAXS-patronen van BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ film:(d ) zonder H₂ O additief en (e ) met 3% H₂ O additief

De GIWAXS-patronen zijn gebruikt om de rol van wateradditief in de kristalgroei van 2D-perovskietfilms verder te identificeren. We speculeren dat wateradditief het kristallisatieproces van perovskiet kan reguleren vanwege het lagere kookpunt en de hogere dampdruk in vergelijking met DMF [40]. Bovendien verhoogt het opnemen van een geschikte hoeveelheid water in DMF de oplosbaarheid van de perovskiet-ionische verbinding, wat leidt tot de verbeterde kwaliteit van de perovskietfilms met verbeterde kristalliniteit [47]. De resultaten van SEM en GIWAXS in dit werk komen overeen met de speculatie. Zoals getoond in Fig. 3d, de perovskiet-w/o H₂ O film toont verschillende Bragg-ringen op specifieke q waarden, die voornamelijk willekeurig georiënteerde kristalkorrels in deze polykristallijne film aangeven. Echter, de perovskiet-3% H₂ O film toont scherpe en discrete Bragg-vlekken langs dezelfde q positie (Fig. 3e), die de goed uitgelijnde kristalkorrels suggereert met (111) vlakken evenwijdig aan het substraat [17]. Bovendien worden de donkere Bragg-vlekken waargenomen in perovskiet-3% H₂ O film terwijl de minder duidelijke diffractieringen in perovskiet-w/o H₂ O-film, die de verhoogde kristalliniteit van perovskiet-3% H₂ . aantoont Oh film. De sterk georiënteerde perovskiet-3% H₂ O-film die loodrecht op het substraat staat, kan een efficiënt transportkanaal voor dragers vormen, wat leidt tot verbeterde fotovoltaïsche prestaties [14, 17].

Om de impact van morfologische en kristallografische veranderingen als gevolg van de toevoeging van water op de optische eigenschappen van films te onthullen, hebben we absorptiespectroscopiemeting uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 4a. Zowel de perovskiet-w/o H₂ O film en de perovskiet-3% H₂ O-film vertoont meerdere excitonabsorptiepieken in de UV-Vis-absorptiespectra, wat wijst op het bestaan ​​van meerdere perovskietfasen met verschillende n waarden, hoewel nominaal opgesteld als “n =4”. Echter, de perovskiet-3% H₂ O-film vertoont een licht verbeterde absorptie in het bereik van 400-600 nm vergeleken met de perovskiet-w/o H₂ Oh film. Uit de SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede (inzet van Fig. 3a-c) kan worden geconcludeerd dat alle 2D-perovskietfilms bijna dezelfde dikte vertonen. Dus schrijven we de verbeterde absorptie toe aan een uniforme, sterk kristallijne en sterk georiënteerde perovskietfilm die wordt geïnduceerd door wateradditief [14, 48]. De externe kwantumefficiëntie (EQE ) spectrums van PVSC zonder H₂ O additief en PVSC met 3% H₂ O worden getoond in Fig. 4b, en de overeenkomstige afgeleide geïntegreerde stroomwaarden zijn rechts uitgezet y -as. De geïntegreerde J _sc van EQE spectrum van PVSC zonder H₂ O additief en de PVSC met 3%H₂ O is 5,16 mA/cm ² en 15,20 mA/cm ² , respectievelijk. De waarden liggen dicht bij de resultaten gemeten van de J–V-curve. Blijkbaar zijn de EQE-waarden van het apparaat met 3% H₂ O in de meeste zichtbare lichtbereiken zijn veel hoger dan die van het apparaat zonder toevoeging. Dit fenomeen is niet alleen het gevolg van een verbeterde lichtabsorptie, maar vooral ook van een efficiënter ladingstransport in een sterk georiënteerde 2D-perovskietfilm met een betere kristalliniteit.

een Absorptiespectra van BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ films zonder en met 3% H₂ O. b EQE-spectra en geïntegreerde stroomcurve van overeenkomstige apparaten. c Donkere stroom-spanningscurven van de HOD's op basis van overeenkomstige 2D-perovskietfilms (inzet:configuratie van HOD's). d TRPL-spectra van overeenkomstige 2D-perovskietfilms

Verder hebben we de donkere stroom-spanningscurves van de hole-only devices (HOD's) gemeten met een structuur van ITO/PEDOT:PSS/2D perovskite/Spiro-OMeTAD/Au om de trap-state dichtheid te karakteriseren (N _t ) in 2D-perovskietfilms (Fig. 4v). De N _t werd bepaald door de met val gevulde limietspanning (V _TFL ) volgens vergelijking (1) [14, 46, 49]:

waar ε _o is de vacuüm permittiviteit, ε _r is de relatieve diëlektrische constante van 2D perovskiet, q is de elementaire lading, en L is de dikte van de 2D-perovskietfilm. Beide perovskietfilms hebben dezelfde ε _r waarde en dezelfde dikte. Daarom is de N _t is positief gecorreleerd met de V _TFL waarde. Zoals getoond in Fig. 4c, is de V _TFL waarde verkregen uit 2D perovskiet-3% H₂ HOD op basis van O is duidelijk lager dan die verkregen uit 2D perovskiet-w/o H₂ O gebaseerde HOD. Het toont aan dat de dichtheid van de valtoestand in de 2D perovskiet-3% H₂ O film is verkleind. Dit werd verder bevestigd door de in de tijd opgeloste fotoluminescentie (TRPL) spectra van de 2D-perovskietfilms afgezet op niet-geleidend glas. Het tijdsverval van de fluorescentiesignalen werd aangepast aan twee exponentiëlen, zoals weergegeven in figuur 4d. De 2D perovskiet-3% H₂ profiteerde van hoogwaardige films met weinig korrelgrenzen, zoals blijkt uit Fig. 2 O-film heeft een langere fluorescentielevensduur van 10 ns vergeleken met 2D-perovskiet-w/o H₂ O-film (2 ns), die de verminderde bulkdefectdichtheid aantoont in 2D perovskiet-3% H₂ O film.

Op basis van alle bovenstaande resultaten bewijzen we dat het opnemen van een geschikt wateradditief in de voorloperoplossing de kristalgroei van BA₂ kan beheersen. MA₃ Pb₄ ik₁₃ perovskietfilm met vergrote korrelgrootte en uniforme filmdekking, wat leidt tot een verminderde trap-state dichtheid. En deze zeer kristallijne en sterk georiënteerde BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ perovskietfilms geïnduceerd door wateradditief zouden het ladingstransport vergemakkelijken [8, 9, 14]. Daarom is de hoogwaardige BA₂ MA₃ Pb₄ ik₁₃ perovskietfilms brengen een uitgebreide verbetering in V _oc , J _sc , FF van de overeenkomstige PVSC's.