Stabiele hoogrenderende tweedimensionale perovskiet-zonnecellen via broomopname

Resultaten en discussie

De 2D-perovskietfilms waarin verschillende hoeveelheden broom waren verwerkt, werden bereid met een eerder gerapporteerde hot-casting-methode. Door deze methode te gebruiken, worden substraten voorverwarmd om kristallisatie en oriëntatie te bevorderen [40]. Om de effecten van verschillende hoeveelheden PbBr₂ . te onderzoeken in de 2D-perovskiet-precursoroplossingen op de morfologie van de resulterende film werden een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) en atomaire krachtmicroscopie (AFM) metingen uitgevoerd. Zoals getoond in Fig. 1a, de 2D perovskiet BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x film zonder broomopname (x =0%, aangeduid als controle perovskiet) vertoont een slechte morfologie met grote scheuren, wat wijst op de lage dekking en inferieure compactheid. De scheuren zijn verdwenen in de 2D perovskietfilm met 5 mol% PbBr₂ inhoud (x =5%, aangeduid als perovskiet-5%). De perovskiet-5% film vertoont echter nog steeds enkele gaatjes (figuur 1b). In het geval van de 2D-perovskietfilm met 10 mol% PbBr₂ inhoud (x =10%, aangeduid als perovskiet-10%), het filmoppervlak wordt uniform en compact zonder scheuren of gaatjes (figuur 1c). Als de PbBr₂ inhoud wordt verder verhoogd tot 15 mol% (x =15%, aangeduid als perovskiet-15%), er verschenen opnieuw scheuren in de film (figuur 1d). De AFM-beelden van 2D-perovskietfilm met verschillende hoeveelheden PbBr₂ worden getoond in Fig. 2a-d, die consistent zijn met de SEM-resultaten. De controle perovskietfilm toont een ruw oppervlak met een hoge root-mean-squared ruwheid (RMS)-waarde van 51,2 nm. De gedeeltelijke vervanging van jodium door broom verlaagt de RMS-waarde aanzienlijk tot respectievelijk 21,3 nm voor perovskiet-5% en 23,1 nm voor perovskiet-15%. Vooral de perovskiet-10% film vertoont een vrij glad oppervlak met de laagste RMS-waarde van 10,7 nm vanwege het verdwijnen van scheuren en gaatjes. De bovenstaande resultaten geven aan dat het opnemen van een geschikte hoeveelheid broom gunstig is om de uniformiteit en oppervlaktedekking van de 2D-perovskietfilm te verbeteren. Het is algemeen bekend dat scheuren en gaatjes in de film kunnen leiden tot een sterke energetische stoornis, recombinatie kunnen veroorzaken, het ladingstransport kunnen belemmeren en de fotovoltaïsche prestaties kunnen verzwakken [47]. Daarom is het verkrijgen van een uniforme en goed bedekte perovskietfilm essentieel om de efficiëntie van het apparaat te verbeteren.

SEM-afbeeldingen van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x films gebaseerd op a 0% PbBr₂ , b 5% PbBr₂ , c 10% PbBr₂ , en d 15% PbBr₂

AFM-beelden van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x films gebaseerd op a 0% PbBr₂ , b 5% PbBr₂ , c 10% PbBr₂ , en d 15% PbBr₂ . Röntgendiffractiepatronen (e ) en bijbehorende lokale vergrote afbeelding (f ) van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x films met verschillende hoeveelheden PbBr₂

Om de impact van broom op de kristalfase en kristalliniteit van 2D-perovskietfilms te onderzoeken, werden röntgendiffractie (XRD) metingen uitgevoerd. Zoals getoond in Fig. 2e, vertonen alle films twee onderscheidende diffractiepieken rond 14,5° en 28,4°, die respectievelijk kunnen worden toegewezen aan (111) en (202) kristallografische vlakken. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat zowel de (111) als (202) oriëntatie de [(MA)_{n −1} Pb_n I_{3n +1} ] ²⁻ platen groeien verticaal uitgelijnd met het PEDOT:PSS/ITO-substraat [13, 23, 24]. Daarom is een beperkte vervanging van jodium door broom bevorderlijk voor de vorming van verticaal georiënteerde 2D-perovskietfilm, zoals blijkt uit de voorkeursintensiteitstoename in de (111) en (202) pieken [48]. De verticaal georiënteerde 2D-perovskietfilm maakt een efficiënter transport van foton-geïnduceerde dragers mogelijk, waardoor de fotovoltaïsche prestaties van PVSC worden verbeterd [23, 24]. Aan de ene kant worden de diffractiepieken rond 14,5° en 28,4° beide sterker na de opname van broom, wat de verhoogde kristalliniteit van de perovskietfilm suggereert. Aan de andere kant worden de twee pieken geleidelijk verschoven naar hogere hoeken bij de opname van broom, wat te wijten is aan de kleinere omvang van het broomion ten opzichte van het jodium-ion dat het kristalrooster doet krimpen [13]. Deze geleidelijke verschuivingen in de diffractiepiekpositie bewijzen dat gemengde BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x perovskieten worden gevormd met broomionen ingevoegd in het kristalrooster. Het is vermeldenswaard dat alle films de toppen van (0 k 0) reflecties onder lage hoeken (<10 °), wat wijst op de vorming van 2D RP-perovskietstructuren (figuur 2f). De controlefilm vertoont echter enkele diffractiepieken die niet konden worden toegewezen aan een typische 2D-perovskiet-karakteristieke piek. De intensiteit van deze ongewenste pieken wordt verzwakt door de opname van broom, wat aanleiding geeft tot de laagste intensiteit in perovskiet-10% film. Dit fenomeen suggereert dat de opname van matig broom de vorming van de onzuiverheidsfasen in de 2D-perovskietfilm kan remmen.

Verder werden de absorptie- en fotoluminescentie (PL) -metingen uitgevoerd om de invloed van broomopname op de optische eigenschappen van de film te begrijpen, zoals samengevat in Fig. 3a-c. Figuur 3a toont de UV-zichtbare absorptiespectra van de 2D-perovskietfilm met verschillende hoeveelheden PbBr₂ . Al deze films vertonen kenmerkende excitonabsorptiepieken in de absorptiespectra, die worden toegewezen aan 2D-fasen met n =2, 3 en 4, hoewel nominaal opgesteld als “n =5.” De perovskiet-10% vertoont de verbeterde absorptie-intensiteit, als gevolg van een dichte en uniforme aard van de resulterende film, zoals blijkt uit de SEM- en AFM-afbeeldingen. Trouwens, de absorptierand van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x heeft een blauwe verschuiving met de toename van x waarde, wat de verbreding van de bandgap aantoont [49]. Figuur 3b presenteert de steady-state PL-spectra van de 2D-perovskietfilms die op glassubstraten zijn afgezet. In vergelijking met het controlemonster dat het zwakste PL-signaal vertoont, vertoont ofwel het perovskiet-15%-monster of het perovskiet-5%-monster het verhoogde PL-signaal, terwijl het perovskiet-10%-monster het sterkste PL-signaal vertoont. Opmerkelijke PL-verbetering wordt waargenomen na opname van broom, wat wijst op de verminderde dichtheid van de trap-toestand in de PbBr₂ behandelde films. Afbeelding 3c toont de tijdsopgeloste PL-vervalspectra van de BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x films spin-coated op glassubstraten, wat ook de vermindering van de trap-state dichtheid in perovskiet bewijst met de opname van broom. De in de tijd opgeloste PL-curven werden uitgerust met een twee-exponentiële vergelijking (Vgl. (1)) die een snel verval en een langzaam vervalproces bevat, en de aanpassingsparameters zijn samengevat in Tabel 1. Het snelle verval (τ ₁ ) wordt beschouwd als het resultaat van het uitdoven van het transport van dragers in het perovskiet-domein, en het langzame verval (τ ₂ ) is het resultaat van stralingsrecombinatie [50]. De gemiddelde levensduur (τ ) van 2D-perovskietfilms worden berekend volgens Vgl. (2). De perovskiet-10% film presenteert de langste τ van 3,47 ns in vergelijking met andere films (dwz 0,9 ns, 2,72 ns en 1,31 ns voor respectievelijk controlefilm, perovskiet-5% film en perovskiet-15% film), wat wijst op een langzamer recombinatieproces met minder defecten.

een Absorptiespectra, b stabiele PL-spectra, en c tijdopgeloste PL-curven van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x film met verschillende hoeveelheden PbBr₂ spincoating op glassubstraten. d Donkerstroom-spanningsmetingen van PVSC's op basis van de BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x film met verschillende hoeveelheden PbBr₂

Bovendien, om te onderzoeken of verminderde defecttoestanden voortkomen uit de PbBr₂ toen de 2D-perovskietfilms in een PVSC-structuur werden geassembleerd, werden ook donkere stroom-spanningscurven van de overeenkomstige apparaten verzameld (figuur 3d). De donkerstroom van het apparaat op basis van de perovskiet-10% film is veel lager dan die van het apparaat op basis van de controlefilm bij dezelfde spanning. De lagere donkerstroom van het apparaat op basis van de perovskiet-10% film geeft aan dat de verminderde defecttoestanden inderdaad worden bijgedragen door de opname van broom.

Het wordt getoond PbBr₂ in 2D-perovskietfilms veroorzaakten verbeterde morfologie, kristalliniteit en opto-elektronische eigenschappen. We hebben PVSC-apparaten gefabriceerd met de vlakke p-i-n-architectuur als indiumtinoxide (ITO)/PEDOT:PSS/BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x /PCBM/BCP/Ag. De J-V curven en de gerelateerde parameters van de best presterende apparaten worden getoond in Fig. 4a en Tabel 2. De PVSC's op basis van de controle perovskietfilm leverden slechte apparaatprestaties op, wat een kampioen PCE laat zien van 3,01% met een nullastspanning (V _oc ) van 0,89 V, een kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) van 8,28 mA/cm ² , en een vulfactor (FF ) van 40,79%. De introductie van broom in de perovskiet-precursor verhoogt opmerkelijk de PCE van het apparaat (afb. 4a). De hoogste PCE van 12,19% met een V _oc van 1,02 V, een J _sc van 17,86 mA/cm ² , en een vulfactor (FF ) van 66,91% werd verkregen in de 10 mol% PbBr₂ -behandeld apparaat vergeleken met 8,88% in de 5 mol% PbBr₂ -bevat apparaat en 7,85% in de 15 mol% PbBr₂ -bevat apparaat. Om de prestaties van deze apparaten nauwkeuriger te kunnen vergelijken, werden 20 apparaten voor elk geval gefabriceerd. Uit statistische gegevens (afb. S1, ondersteunende informatie) toont het apparaat met 10 mol% broom de relatief hogere V _oc en FF , wat wordt toegeschreven aan de verminderde dichtheid van de valtoestand als gevolg van hoogwaardige perovskietfilm, zoals besproken in Fig. 3b-d. Hoe hoger V _oc in apparaten die Br bevatten, kan ook worden toegeschreven aan de grotere bandgap. De bandgap van de BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x neemt toe met de toenemende PbBr₂ verhouding, zoals blijkt uit Fig. 3a [49]. Dus de 15 mol% PbBr₂ -bevat apparaat toont de hoogste V _oc . Bovendien is de hoge J _sc in 10 mol% PbBr₂ -bevat apparaat kan bijdragen aan de verhoogde lichtabsorptie en het efficiënte ladingstransport, zoals hierboven besproken. De hysterese van de apparaten op basis van de controle perovskietfilm en perovskiet-10% film werd onderzocht door het scannen van de J-V krommen in verschillende richtingen (Fig. 4c en Fig. S2). Het apparaat op basis van de perovskiet-10% vertoont een lichte hysterese, terwijl een ernstige hysterese-karakteristiek werd waargenomen in het apparaat op basis van de controle perovskiet, wat opnieuw wijst op de significant verminderde defecttoestanden in het eerste geval.

een De apparaatarchitectuur van PVSC. b J-V curven van PVSC's op basis van BA₂ MA₄ Pb₅ I_16-10x Br_10x films met verschillende hoeveelheden PbBr₂ . c J-V curven van het best presterende apparaat in verschillende scanrichtingen. d Vochtigheidsstabiliteit, e verlichtingsstabiliteit, en f thermische stabiliteit van het niet-verzegelde apparaat zonder en met 10 mol% PbBr₂

Verder is de opname van PbBr₂ kan de vochtigheid, verlichting en thermische stabiliteit van de 2D PVSC's effectief verbeteren. Het niet-verzegelde controleapparaat en het apparaat op basis van perovskiet-10% werden blootgesteld aan een relatieve vochtigheid van 45-60% bij 25°C voor de vochtigheidsstabiliteitstest. De PCE van het controleapparaat daalt binnen 30 dagen tot 50% van zijn oorspronkelijke waarde, terwijl het apparaat op basis van perovskiet-10% nog steeds 85% van zijn aanvankelijke efficiëntie behoudt onder identieke omstandigheden (Fig. 4d). Interessant is dat de introductie van PbBr₂ verbetert ook de verlichtingsstabiliteit van de PVSC's. Na continu bestraald te zijn onder AM 1.5G-zonintensiteit gedurende 240 min, behouden de apparaten meer dan 80% van de originele PCE voor perovskiet-10% terwijl slechts minder dan 50% voor de controle perovskiet (Fig. 4e). De verbetering van de thermische stabiliteit werd ook bevestigd door meting. Zowel het controleapparaat als het perovskiet-10%-apparaat werden thermisch gegloeid bij 85 ° C in een stikstofatmosfeer zonder inkapseling. Zoals weergegeven in figuur 4f, behoudt het perovskiet-10%-apparaat 83% van zijn oorspronkelijke PCE na 300 min, wat veel hoger is dan dat van het controleapparaat (54%).

Conclusie

Concluderend hebben we aangetoond dat het opnemen van geschikt broom in een voorloperoplossing de morfologie van 2D-perovskietfilms met verbeterde kristalliniteit kan verbeteren, wat leidt tot een verbetering van de opto-elektronische eigenschappen in termen van absorptie en valdichtheid. De uitstekende filmkwaliteit en opto-elektronische eigenschappen zorgen voor een duidelijke verbetering in PCE van 3,01 tot 12,19%. Bovendien verbetert de opname van broom de tolerantie van PVSC's voor vochtigheid, verlichting en thermische stabiliteit. Deze resultaten bewijzen dat het opnemen van broom cruciaal is voor het bereiken van stabiele, hoogwaardige 2D PVSC's.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn volledig beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

3D:

Driedimensionaal

2D:

Tweedimensionaal

PCE :

Energieconversie-efficiëntie

PVSC's:

Perovskiet zonnecellen

PbBr₂ :

Lood (II)bromide

PbI₂ :

Lood (II) jodide

BAI:

N-butylammoniumjodide

MAI:

Methylammoniumjodide

PC₆₁ BM:

Fenyl-C61-boterzuurmethylester

DMSO:

Dimethylsulfoxide

BCP:

Bathocuproïne

ITO:

Indiumtinoxide

J-V :

Stroomdichtheid-spanning

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

RMS:

Wortel-gemiddelde-kwadraat ruwheid

PL:

Fotoluminescentie

V _oc :

Circuitspanning

J _sc :

Kortsluitstroomdichtheid

FF :

Vulfactor