home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Voorbereiding van in de omgeving verwerkte perovskiet-zonnecellen met betere elektronische eigenschappen via voorverwarmende eenstapsdepositiemethode

Abstract

Hoewel de stroomconversie-efficiëntie (PCE) van perovskiet-zonnecellen (PSC's) snel toeneemt, zijn er nog steeds enkele problemen die hun commercialisering beperken. De perovskiet is gevoelig voor de watermoleculen, waardoor het moeilijker wordt om perovskietfilms in omgevingscondities te maken. De meeste hoogwaardige PSC's op basis van de conventionele methode moeten worden bereid in een inerte atmosfeer, wat de fabricagekosten verhoogt. Om de hoogwaardige perovskiet in omgevingsconditie te fabriceren, hebben we de substraten voorverwarmd en het juiste anti-oplosmiddel geselecteerd. Dientengevolge vertonen de beoogde perovskietfilms een betere kristalliniteit in vergelijking met perovskietfilm die is bereid via de conventionele eenstapsdepositiemethode in omgevingscondities. De PSC's die in omgevingsconditie zijn bereid, leveren de verbeterde PCE van 16,89% op bij een PCE van 11,59%. In vergelijking met de referentie-apparaten is de prestatiestabiliteit van doel-PSC's veel beter dan die van referentie-PSC's.

Inleiding

Perovskiet-zonnecellen (PSC's) hebben veel aandacht getrokken sinds de organisch-anorganische hybride perovskiet werd gebruikt als de lichtoogster van zonnecellen [1,2,3,4,5]. De perovskietfilm vertoont talrijke uitstekende foto-elektrische eigenschappen zoals een hoge lichtabsorptiecoëfficiënt, geschikte bandgap en goed ladingstransport. De laatst gerapporteerde gecertificeerde hoogste stroomconversie-efficiëntie (PCE) bereikte 25,2% (https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200311.pdf).

De conventionele structuur van PSC's bevat ladingstransportlagen, een lichte oogstlaag en elektroden [6,7,8,9,10,11]. De lichte oogstlaag die tussen ladingstransportlagen wordt ingevoegd, is van vitaal belang voor de fotovoltaïsche prestaties van PSC's. Perovskietfilms zijn samengesteld uit talrijke submicron-sized kristalkorrels, en de grootte van deze korrels is gerelateerd aan het bereidingsproces van perovskietfilms. De meeste perovskietfilms werden bereid in droge lucht of inert gas om de aantasting van watermoleculen op het kristallisatieproces van perovskietfilms te voorkomen. Het voorbereiden van perovskietfilms in inert gas of droge lucht zou echter de fabricagekosten verhogen, wat ongunstig is voor de commercialisering van PSC's. Sinds 2014 zijn enkele onderzoeksgroepen begonnen met het bestuderen van de bereidingsmethode van PSC's in omgevingsconditie [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Ze fabriceerden de PSC's met behulp van een tweestapsmethode en ze optimaliseerden het ingrediënt en het afzettingsproces van perovskietfilms. De hoogste PCE bereikte 16%. De Miyasaka-groep fabriceerde PSC's van het mesoporeuze type op basis van CH3 NH3 PbI3 onder de voorwaarde met een relatieve vochtigheid van 30% bij 25 °C [22]. De apparaten gaven een PCE van 15,3% en hadden een goede reproduceerbaarheid. De apparaten die gedurende 1  maand in droge lucht en in het donker werden bewaard, behielden 80% van de initiële PCE. In 2015 gebruikten Mori et al., van het Aichi Institute of Technology, de gasstroomhulpmethode om de perovskietfilms in luchtcondities af te zetten (relatieve vochtigheid van 42-48% bij 25 °C) [24]. De PSC's van het vlakke type op basis van deze perovskietfilms hebben een PCE van respectievelijk 16,32% en 13,31% onder achterwaartse en voorwaartse scanrichting. Ko et al. gefabriceerd mesoporeus type CH3 NH3 PbI3 PSC's op basis van PSC's in omstandigheden met verschillende vochtigheid, en de apparaten die zijn voorbereid onder omstandigheden met een relatieve vochtigheid van 50% bij 23,1 °C, vertonen de beste fotovoltaïsche prestaties met de hoogste PCE van 15,76% [14]. Ze gebruikten de tow-step depositiemethode en de substraten werden voorverwarmd vóór de spincoating van PbI2 oplossing waarvan het oplosmiddel dimethylformamide (DMF) was. De verkregen PbI2 had een verbeterde transparantie en de PCE van apparaten is verhoogd van 10% naar 15%. Verbeterde voorverwarmingstemperatuur induceerde de toename in korrelgroottes van perovskietfilms, maar de resterende PbI2 Werd meer. Daarom is het belangrijk om de juiste voorverwarmingstemperatuur te vinden om de kristalgrootte en overdrachtsefficiëntie van PbI2 in evenwicht te brengen. . In 2017, Cheng et al. verhoogde de dampdruk van het oplosmiddel om het binnendringen van zuurstof- en watermoleculen tijdens de PbI2 afzetting door het substraat voor te verwarmen vóór afzetting van PbI2 films [12]. Ze verkregen een met lucht verwerkte PSC's vervaardigd onder een vochtigheid van 70% RH, en de PCE bereikte 18,11%. Er zijn enkele rapporten dat de watermoleculen de kristallisatiekwaliteit van perovskietfilms kunnen verbeteren tijdens de gloeistap van de perovskietfilms wanneer de eenstapsmethode wordt gebruikt om de perovskietfilms te bereiden. In 2014, U et al. ontdekte dat de PCE van vlakke type PSC's gebaseerd op CH3 NH3 PbI3-X Clx verbeterd onder de bijzondere vochtigheid [23]. De perovskietfilms werden gedurende 1 uur uitgegloeid onder een relatieve vochtigheid van 30 ± 5% bij kamertemperatuur, wat de PCE tot 16,6% verhoogt. Het resultaat maakte ook duidelijk dat de juiste vochtigheid gunstig was voor de vorming van het compactere perovskiet. Veel onderzoek heeft uitgewezen dat de relatieve luchtvochtigheid tijdens de bereiding van de perovskiet lager moet zijn dan 80%. In 2015 hebben Lv et al. van de Changzhou University gebruikte dimethylacetamide als het oplosmiddel van de perovskiet [15]. Dit oplosmiddel kan de kristallisatie van de CH3 . versnellen NH3 PbI3 perovskiet zodat de aantasting van vochtigheid op perovskietfilms drastisch zou worden verminderd. Daarom werden apparaten met de kampioen PCE van 16,15% verkregen onder de voorwaarde met een relatieve vochtigheid van 28% bij kamertemperatuur. In 2016 hebben Sveinbjornsson et al. heeft ook het substraat voorverwarmd en de temperatuur geoptimaliseerd tussen 20 en 100 °C in omgevingscondities [19]. De PSC's op basis van (FAPbI3 )1-x (MAPbBr3 )x met een voorverwarmtemperatuur van 50 °C leverde een gemiddelde PCE van 17,6% op. In 2019 hebben Li et al. de voorverwarmtemperatuur en de anti-oplosmiddeldruppeltijd geoptimaliseerd om de CH3 . te fabriceren NH3 PbI3 -gebaseerde PSC's onder de conditie met een relatieve vochtigheid van 90% bij kamertemperatuur [25]. Ze kregen de apparaten met een PCE-output van 19,5%.

Engineering van het anti-oplosmiddel is een andere effectieve manier om de fotovoltaïsche prestaties van PSC's die in omgevingscondities zijn voorbereid, te verbeteren. Om de aantasting van het vocht op de perovskietformatie te voorkomen, is de selectie van anti-oplosmiddel erg belangrijk. Het algemeen gebruikte anti-oplosmiddel omvat chloorbenzeen, diethylether en ethylacetaat. Troughton et al. dacht dat het ethylacetaat zowel als anti-oplosmiddel als vochtabsorberend materiaal werkte, wat de aantasting van watermoleculen vermindert, dus het ethylacetaat-oplosmiddel is superieur in vergelijking met andere anti-oplosmiddelen zoals chloorbenzeen en diethylether.

Hier gebruikten we de voorverwarmingsmethode in een eenstaps depositieproces bij het bereiden van perovskietfilms in omgevingscondities (relatieve vochtigheid van 25-30% bij 20 ° C). We gebruikten ook ethylacetaatoplosmiddel als het anti-oplosmiddel als vervanging voor diethylether. Het voorverwarmde substraat kan de verdamping van het oplosmiddel versnellen, wat het binnendringen van zuurstof en vocht kan verminderen. Bovendien kan diethylether niet alleen het oplosmiddel van perovskiet extraheren, maar ook de watermoleculen absorberen. De doel-PSC's geven een betere PCE van 16,89% in vergelijking met de referentie-PSC's. In vergelijking met andere fabricagemethoden is deze methode kosteneffectiever en eenvoudiger. Het heeft geen ingewikkeld proces nodig.

Methoden

Materialen

Alle materialen zijn gekocht van Ying Kou You Xuan Trade Co. Ltd, indien niet gespecificeerd. DMF en dimethylsulfoxide (DMSO) werden gekocht bij Sigma-Aldrich Corp. The SnO2 nanodeeltjes colloïdale oplossing werd gekocht bij Alfa Aesar. De CH3 NH3 PbI3 oplossing werd bereid door PbI2 . te mengen , CH3 NH3 I, en DMSO in DMF volgens ref. [26]. De HTL-oplossing werd bereid door 72,3 mg (2,29,7,79-tetrakis(N,N-di-p-methoxyfenylamine)-9,9-spirobifluoreen) (spiro-MeOTAD), 28,8 μL 4-tert-butylpyridine op te lossen. , 17,5 L van een voorraadoplossing van 520 mg/ml lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imide in acetonitril en 29 L van een oplossing van 300  mg/ml FK209 in acetonitril in 1 ml chloorbenzeen.

Voorbereiding

De ITO-glazen werden achtereenvolgens gereinigd in aceton, absolute ethylalcohol en een ultrasoonbad met gedeïoniseerd water gedurende respectievelijk 15 min. Nadat de ITO-bril gedurende 20 min was gereinigd door de UV-ozonbehandeling, werd een SnO2 film werd afgezet door spin-coating verdund SnO2 nanodeeltjes colloïdale oplossing (Alfa Aesar (tin(IV) oxide, 15% in H2 O colloïdale dispersie)) volgens ref. [27]. Na de spin-coating, de SnO2 film werd 0,5 uur verwarmd op 165°C. Vervolgens werden de substraten opnieuw behandeld met de UV-ozon en overgebracht naar de handschoenenkast. Perovskietfilms werden bereid volgens Fig. 1. De HTL werd bereid door de HTL-oplossing gedurende 30 s te spincoaten bij 5000 tpm. Ten slotte werd 100 nm Au-topelektrode thermisch verdampt op de HTL.

een Anti-solvent spin-coating methode van perovskietfilm, b warmte anti-oplosmiddel spin-coating methode van perovskiet film, c foto van perovskiet afgezet met verschillende methoden

Karakterisering

De stroomdichtheid-spanningscurves (JV) van PSC's werden geregistreerd door Keithley-broneenheid 2400 onder AM 1.54G-zonintensiteitsverlichting door een zonnesilmulator van Newport Corp. De röntgendiffractiepatronen werden geregistreerd met Bruker D8 ADVANCE A25X. Scanning-elektronenmicroscoop (SEM) werd uitgevoerd op veldemissie-fitting SEM (FE-Inspect F50, Holland). De absorptie van perovskiet werd gemeten met een Shimadzu 1500 spectrofotometer. Statistische gegevens worden geplot met behulp van een kaderdiagram.

Resultaat en discussie

Het proces van de conventionele anti-oplosmiddel spin-coating methode (AS) en warmte anti-oplosmiddel spin-coating methode (HS) wordt getoond in respectievelijk Fig. 1 a en b. In vergelijking met AS moeten de substraten en de montage voor spincoating worden voorverwarmd voordat de perovskietoplossing op substraten wordt gedruppeld. Het anti-oplosmiddel wordt tijdens het spincoatingproces op het monsteroppervlak gedruppeld. Na de spincoating worden de monsters overgebracht op een verwarmingsplaat met een temperatuur van 165°C. Het druppelen van het anti-oplosmiddel is voltooid voordat de film troebel wordt. De foto's van perovskietfilms die met verschillende methoden zijn gemaakt, worden getoond in Fig. 1c. Hier worden de diethylether en ethylacetaat gebruikt als het anti-oplosmiddel. In vergelijking met diethylether is het ethylacetaat meer geschikt voor perovskietafzetting in omgevingscondities. Ethylacetaat kan de watermoleculen absorberen en de perovskietfilm beschermen tegen binnendringend water. Hier worden de perovskietfilms bereid met de AS- en HS-methode respectievelijk AS-perovskiet en HS-perovskiet genoemd.

Hier hebben we PSC's gefabriceerd op basis van HS-perovskiet en AS-perovskiet. De PSC's op basis van AS-perovskiet (AS-PSC's) werden gebruikt als referentieapparaten. Er waren twee verschillende anti-oplosmiddelen, waaronder diethylether en ethylacetaat, gebruikt bij het bereidingsproces van HS-perovskiet. Alleen ethylacetaat werd gebruikt als het anti-oplosmiddel in het bereidingsproces van AS-perovskiet. De stroomdichtheid versus spanning (JV)-curves voor de best presterende apparaten in elke groep worden getoond in Fig. 2a, en de fotovoltaïsche parameters zijn weergegeven in Tabel 1. De statistische gegevens van fotovoltaïsche parameters voor meer dan 15 apparaten in elke groep is getoond in Fig. 3. De PSC's op basis van HS-perovskiet (HS-PSC's) leveren een veel betere fotovoltaïsche prestatie op in vergelijking met AS-PSC's. De PSC's op basis van perovskietfilms bereid met de HS-methode en ethylacetaat (HS-EA-PSC's) hebben de hoogste vermogensconversie-efficiëntie (PCE) van 16,89% met een nullastspanning (VOC ) van 1,06 V, kortsluitstroomdichtheid (JSC ) van 22,98 mA/cm 2 en vulfactor (FF) van 69,25%. De hysterese van de kampioen HS-EA-PSC's wordt getoond in figuur 2b. De PSC's op basis van perovskietfilms bereid met de HS-methode en diethylether (HS-DE-PSC's) leveren een PCE van 15,99% op. De PCE voor referentie-PSC's is 11,59%, wat veel lager is dan de PCE's van HS-PSC's. Uit de J-V-curven en statistische gegevens blijkt dat de belangrijkste reden voor de verbetering van de fotovoltaïsche prestaties in HS-PSC's de duidelijk verhoogde stroomdichtheid is. Om het mechanisme voor de verbetering van de fotovoltaïsche prestatie te onderzoeken, zijn verschillende karakteriseringen uitgevoerd op de perovskietfilms.

een JV-kuren van PSC's op basis van verschillende perovskiet (zwarte lijn:HS EA, rode lijn:HS DE, blauwe lijn:AS EA) (HS EA staat voor PSC's op basis van perovskiet bereid via voorverwarmingsmethode met een anti-oplosmiddel van ethylacetaat, HS DE staat voor PSC's op basis van perovskiet bereid via voorverwarmingsmethode met een anti-oplosmiddel van diethylether, AS EA staat voor PSC's op basis van perovskiet bereid via conventionele methode met een anti-oplosmiddel van ethylacetaat), b J-V-curven van PSC's op basis van HS EA onder verschillende scanrichtingen, c PCE-variatie met de tijd, en d genormaliseerde PCE-variatie met de tijd

Statistische gegevens van fotovoltaïsche parameters inclusief VOC (een ), JSC (b ), FF (c ), en PCE (d )

De stabiliteit van PSC's op basis van verschillende perovskietfilms is ook gekarakteriseerd. De apparaten werden opgeslagen onder airconditioning en de fotovoltaïsche prestaties werden elke dag gemeten. De PCE-verandering met de tijd wordt getoond in Fig. 2b. Na 1 week daalde de PCE van HS-PSC's tot 14,25% van de initiële PCE van 16,89%, en de waarde behield 84,3% van de initiële PCE. De PCE van AS-PSC's daalde echter van 12,09% naar 6,99% en de waarde bleef slechts 57,8% van de initiële PCE-waarde. De genormaliseerde PCE-veranderingen van verschillende apparaten worden getoond in Fig. 2c. De stabiliteitsresultaten maken duidelijk dat de HS-PSC's een veel betere prestatiestabiliteit hebben. De reden voor de betere stabiliteit zal in de volgende delen worden besproken.

De kristalliniteit en topografie van de perovskiet beïnvloeden de fotovoltaïsche prestaties van de PSC's. Een compacte en uniforme perovskietfilm is essentieel voor de uitstekende prestaties van het apparaat. De compacte lichtabsorptielaag kan het directe contact tussen elektronentransportlaag en gatentransportlaag (HTL) vermijden, en het uniforme oppervlak is gunstig voor de volledige dekking van de HTL, waardoor de kortsluitlussen in apparaten worden verminderd. De scanning elektronenmicroscoop (SEM) afbeeldingen van perovskiet bereid met verschillende methoden worden getoond in Fig. 4. Van de SEM-afbeeldingen zijn de perovskietfilms compact en uniform, en de kristalgrenzen zijn duidelijk. De perovskietfilm bereid met de HS-methode vertoont een veel grotere gemiddelde korrelgrootte, wat een minder grens en een lagere defectdichtheid induceert. De verdelingen van de perovskietkristalgrootte worden getoond in Fig. 5. De gemiddelde grootte van de perovskiet bereid met de AS-methode en de HS-methode is respectievelijk 280 nm en 360 nm. Uit figuur 3 blijkt dat het aandeel kristalkorrels met een grootte van meer dan 400 nm in HS-perovskiet veel groter is dan dat in AS-perovskiet, wat consistent is met het resultaat van het oppervlak-SEM-beeld. De grotere kristalgrootte resulteert in een betere vochtstabiliteit van perovskietfilms.

SEM-beelden van perovskiet bereid met AS-methode (a ) en HS-methode (b )

Korrelgrootteverdeling van perovskietfilms bereid met AS-methode (a ) en HS-methode (b )

De kristalliniteit van perovskietfilms wordt gekarakteriseerd met behulp van röntgendiffractie (XRD) metingen. De XRD-patronen worden getoond in Fig. 6. De piek gelokaliseerd op 14,1°, 28,4° en 31,3° komt respectievelijk overeen met (110), (220) en (310) vlak van perovskietfilms. Er zijn geen duidelijke pieken rond 12° in het XRD-patroon, wat aangeeft dat er bijna geen PbI2 is residu in beide perovskietfilms. De perovskietfilm op basis van AS-methode met het anti-oplosmiddel van EA heeft een hogere XRD-piek, wat een betere kristalliniteit verduidelijkt.

een XRD-patroon van HS-perovskiet en AS-perovskiet. b Absorptiecurven van UV-zichtbaar licht van verschillende perovskietfilms

De meting van de absorptie van UV-zichtbaar licht wordt uitgevoerd om de lichtabsorptiecapaciteit van perovskiet, bereid met verschillende methoden, te karakteriseren. De perovskiet filmt schijnbare absorptie wanneer de golflengte van het invallende licht lager is dan 770 nm. De absorptieranden van perovskietfilms die met verschillende methoden zijn gemaakt, overlappen elkaar, wat aantoont dat alle perovskietfilms een vergelijkbare bandgap hebben en dat het ingrediënt van perovskietfilms niet wordt beïnvloed door de bereidingsmethoden. De absorptie van HS-perovskietfilms is hoger dan die van AS-perovskietfilms in het golflengtebereik van 450-700 nm. De hogere absorptie van HS-perovskietfilms resulteert in een hogere foto-geïnduceerde dragerdichtheid, wat leidt tot een hogere stroomdichtheid in apparaten die onder zonlicht worden gebruikt.

Conclusie

Samenvattend hebben we een voorverwarmende eenstapsmethode gebruikt om hoogwaardige perovskietfilms in omgevingscondities te fabriceren. We vergeleken ook de verschillende anti-oplosmiddelen om de perovskietfilms te maken. De doel-PSC's op basis van perovskiet bereide HS-methode met een anti-oplosmiddel van EA vertoonden de beste fotovoltaïsche prestaties met een verbeterde PCE van 16,89% vergeleken met die van referentie-PSC's. De verbeterde fotovoltaïsche prestaties zijn het gevolg van de betere kristalliniteit van HS-EA-perovskietfilms. De betere kristalliniteit van perovskiet resulteert ook in een hogere prestatiestabiliteit. Dit werk heeft verduidelijkt dat het voorverwarmen van een eenstapsmethode een effectieve manier is om perovskietfilms in omgevingscondities te maken.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn volledig beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

PSC's:

Perovskiet zonnecellen

PCE:

Energieconversie-efficiëntie

Spiro-MeOTAD:

(2,29,7,79-tetrakis(N,N-di-p-methoxyfenylamine)-9,9-spirobifluoreen)

DMSO:

Dimethylsulfoxide

DMF:

Dimethylformamide

J-V:

Stroomdichtheid-spanning

SnO2 :

Tindioxide

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

ITO:

Indiumtinoxide

MA:

CH3 NH3

FA:

HC(NH2 )2

VOC :

Nullastspanning

JSC :

Kortsluitstroomdichtheid

FF:

Vulfactor

XRD:

Röntgendiffractie

HTL:

Gatentransportlaag

AS:

Conventionele anti-solvent spin-coating methode

HS:

Warmte anti-oplosmiddel spin-coating methode

FK209:

Tris(2-(1H-pyrazool-1-yl)-4-tert-butylpyridine)-kobalt(III)bis(trifluormethylsulfonyl)imide


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Plasmon-versterkte lichtabsorptie in (p-i-n) Junction GaAs nanodraad-zonnecellen:een FDTD-simulatiemethodestudie
    2. Een kort voortgangsrapport over hoogrenderende perovskiet-zonnecellen
    3. Elektrodepositie van SnO2 op FTO en de toepassing ervan in planaire heterojunctie perovskiet-zonnecellen als een elektronentransportlaag
    4. Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag
    5. Opeenvolgend door damp gegroeid hybride perovskiet voor vlakke heterojunctie zonnecellen
    6. De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
    7. Perovskiet-zonnecellen vervaardigd met behulp van een milieuvriendelijk aprotisch polair additief van 1,3-dimethyl-2-imidazolidinon
    8. Hybride UV-ozon-behandelde rGO-PEDOT:PSS als een efficiënt gattransportmateriaal in omgekeerde vlakke perovskiet-zonnecellen
    9. Verbeterde energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen met een up-conversiemateriaal van Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedoteerde TiO2
    10. Effect van verschillende CH3NH3PbI3-morfologieën op fotovoltaïsche eigenschappen van perovskiet-zonnecellen
    11. Invloed van Ag-nanodeeltjes met verschillende afmetingen en concentraties ingebed in een TiO2-compacte laag op de conversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen