כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להתאים את המאפיינים של CH פתרון מעובד 3 NH 3 PBI 3, באמצעות שילוב של תוספים קטיון חד ערכי על מנת להשיג תאים סולריים יעילים perovskite מאוד.
הנה, אנחנו מדגימים שילוב של תוספי קטיון חד ערכיים לתוך CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite כדי להתאים את האופטי, excitonic, מאפיינים חשמליים. האפשרות של סימום נחקרה על ידי הוספת הלידים קטיון חד ערכיים עם רדיוס יוני דומה Pb 2+, כולל Cu +, Na +, ו Ag +. משמרת ברמה פרום ירידה מרשימה של קליטה אופטית-bandgap משנה, יחד עם הפרעה אנרגטית נמוך יותר perovskite, הושגה. תנופה כדי-של-הגודל של ניידות חור בתפזורת הפחתה משמעותית של אנרגית שפעול והובל בתוך מכשיר perovskite מבוסס כתוסף הושגה. המפגש של תכונות משופרות הנ"ל בנוכחות קטיונים אלה הביא שיפור בפרמטרים פוטו של התאים הסולריים perovskite. גידול של 70 mV מתח המעגל הפתוח עבור AGI ו 2 mA / 2 ס"מ שדrovement בצפיפות פוטונים עבור NaI- ותאים סולריים מבוססים CuBr הושג לעומת המכשיר והטהור. עבודתנו סוללת את הדרך עבור שיפורים נוספים באיכות אופטו של CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite והתקנים הבאים. זה מדגיש דרך חדשה חקירות על עצם את התפקיד של זיהומי dopant התגבשות ושולט צפיפות הפגם האלקטרונית במבני perovskite.
נכון לעכשיו, את החלק הדומיננטי של דרישת האנרגיה של העולם (כלומר, 85%) הוא להיות מסופק על ידי הבעירה של נפט, פחם, גז טבעי, אשר הופכת לפשוט התחממות הגלובלית ויש לו השפעות מזיקות על הסביבה שלנו 1. לכן, פיתוח של CO 2 מקורות -neutral האנרגיה הוא עניין בעל חשיבות עליונה. Photovoltaics (PV) הוא תהליך המרת אנרגיה אידיאלי שיכול לענות על דרישה זו. עם זאת, עלות ויעילות, כמו המכשולים העיקריים לאימוץ נרחב בטכנולוגיית PV, חייב להשתפר. מתעוררים טכנולוגיות PV מבוסס על חומרים חדשים, כגון תאים סולריים perovskite (PSC), יש את השילוב של עלויות נמוכות ולהתייעלות. זו מושגת באמצעות הניצול של חומרים זולים כי הם זמינים, כמו גם דרך מהירה, קלילים, ומסלולי עיבוד אנרגיה נמוכה לעומת עמיתיהם מבוססי סיליקון 2, 3,4. שיפור מרשימה היעילה המרת הכח (PCE), מ -3.8% ליותר מ -22%, דווח על perovskite ההיברידית אורגנית-אורגנית להוביל הליד מאז ההופעה הראשונה שלה באדריכלות PV 5, 6, 7, 8. כזה ביצועים מעולים מקורו אור הקליטה החזקה עם להקה-קצה חד מאוד, ההפרעה האנרגטית הנמוכה מאוד, אקסיטונים-הקשורים בחולשה שהתפרקו בקלות לתוך ספקים חינם עם אורכי דיפוזיה גדולים, ואת יכולת מחזור הפוטון של היברידי אורגנית-אורגני הליד להוביל perovskite 9, 10, 11, 12. חומרים אלה מסווגים במשפחה perovskite, אשר מתגבשים מלחי הליד הליד ומתכת אורגני ליצירת גבישים של ABX 3 </sub> מבנה, כאשר X הוא אניון ו- A ו- B הם קטיונים בגדלים שונים (יצור גדול יותר B). קטיונים מדווחים עבור אתר לכלול methylammonium (MA), formamidinium (FA), ו צסיום (Cs); שילוב של קטיונים אלו מציג את 13 הביצועים הגבוהים ביותר, 14. יתר על כן, המועמד הראשי עבור קטיון divalent באתר B הוא להוביל, אשר יכול להיות מוחלף על ידי פח; bandgap יכול להיות אדום העביר בהצלחה ליותר מ 1,000 ננומטר א-פח להוביל מעורבב perovskite 15. בדומה לכך, דיירי X-האתר נחקרו רבות, שם תערובת של יודיד (אני) ו ברומיד (Br) הוכנסו המועמדים העיקריים 16, 17. לכן, זה מאוד לא סביר כדי לתפעל את מבניים, מורפולוגיים, ו אופטו המאפיינים של perovskites ידי שינוי ההרכב הכימי שלהם.
למרות העובדה כי crysta משופרתאיכות lline והאחידות מקרוסקופית של סרט perovskite הן פרמטרים מרכזיים להשיג מכשירים יעילים 18, את ההשפעה של הגבולות בין תחומי polycrystalline, את המקור ואת התפקיד של פגמים אלקטרוניים בולמי perovskite, ואת תפקידיו של שכבות אוסף תשלום על תהליכי אובדן של תאים סולאריים perovskite עדיין אינם מובנים היטב. באשר לאופייה של פגמים אלקטרוניים במבנה perovskite, זה כבר דווח כי חלק ניכר מן הליקויים, כגון I או משרות Pb, לגרום למדינות שהן מאוד קרובים או בתוך הרצף של מדינות להקות ההולכה ערכיות, אשר עשוי להיות השלכה אלקטרונית שלילית על ההתקנים פוטו 19. בנוסף, אינטראקציה מליטה קוולנטיים חזקה בין קטיונים עופרת אניונים יודיד במישור perovskite עלולה להוביל קיומם של פגמים מהותיים (למשל, תחת מתואמת Pb הדימרים ואני trimers), אשר יכול creatאתרי e בתוך קצה הלהקה אשר פועל מרכזי רקומבינציה תשלום במהלך המבצע של המכשיר 20.
כאן, אנו לחקור את ההשפעה של CH סימום 3 NH 3 PBI 3 perovskite עם הלידים קטיון חד ערכיים, כולל Na +, Cu +, ו Ag +, יונים של מתכות נמוכות-ערכיות מ Pb 2+. לפיכך, אנו משלבים קטיונים אלה באמצעות התוספת של כמות רציונלים של המלחים הליד המבוססת שלהם (למשל, נאה, CuBr, קואי, ואגי) לתוך תמיסת perovskite המבשרת. יש קטיונים אלו רדיוס יוני דומה Pb 2+, כך סימום תמורתי בתוך הגביש צפוי. הראינו כי נוכחות של קטיונים אלה בתוקף משפיע הן על המורפולוגיה הכיסוי של שכבת perovskite. בנוסף, הנוכחות של קטיונים אלה (למשל, Na + ו Ag +) אושרה על ידי ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS), וכן משמעותישינוי לא ברמת perovskite פרמי נמדד על ידי מיקרוסקופ כוח בדיקת קלווין (KPFM). על ידי שילוב קטיונים אלה לתוך תאים סולריים perovskite שהופקדו ברצף, השגנו שיפור היעיל פוטו של PSC (15.6% להשוות ל -14%). לכן, זה מאוד חיוני כדי לשפר את התכונות המבניות אופטו של שכבת הבולם (למשל, perovskite) באדריכלות תאים סולרית על מנת למקסם את תחבורת התשלום כדי passivate מלכודות השטח כדי להגיע לביצועי PV הגבוהים ביותר.
ארכיטקטורה טיפוסית של תאים סולריים perovskite mesoscopic שמשה בעבודה זו, שבו שורה של חומרים היו מצופי ספין בין מצע מוליך איש קשר מתכת תרמית-התאדה (איור 1). שכבות mesoporous 2 Tio טופלו TiCl 4, אשר דווח passivate מלכודות המשטח כדי לשפר את הממשק בין שכבת התעבורה האלקטרון לבין חומר בולם 21, 22. שכבת perovskite הופקדה בטכניקה בתצהיר שני שלבים רציפה. ההמרה מלאה הליד עופרת לתוך perovskite בשלב השני הכרחית על מנת להשיג את קליטת האור הגבוהה ביותר 16, 17, והראינו כי התוספים הליד קטיון חד הערכי (למשל, ניי וכלי CuBr) לגרום המרה מלאה. יתר על כן, כיסוי מלא של שכבת טיטניה mesoporous wה- i perovskite מעל השכבה חיונית לחסל רקומבינציה פוטנציאל בין שכבת תעבורת חור (למשל, ספירו OMETAD) ואת שכבת הובלת אלקטרונים (למשל, mesoporous 2 Tio) 23. הדגמנו כי הוספת הלידים קטיון חד ערכי (למשל, קואי ואגי) יכול לשפר את כיסוי השטח של שכבת מכסת perovskite, מה שמוביל מתח המעגל הפתוח גבוה עבור ההתקן.
היתרון העיקרי של השיטה שלנו הוא צעד הסימום, שבו שילבנו קטיונים חד ערכיים לתוך מבנה CH 3 NH 3 PBI 3 כדי לשפר את הצפיפות של חיובים, להובלת המטען, ואת המוליכות של שכבת הבולם. כאמור בסעיף הקודם, dopants הנ"ל משופר באופן משמעותי הוא את האלקטרון לבין mobilities החור. בנוסף, בישראל פוחת בצורה משמעותית את אנרגית שפעול תחבורת תשלום, כמו גם ההפרעה האנרגטית של perovskiסרט te, הושג על ידי סימום קטיון חד ערכי.
בעבודה זו, יש לנו הפגינו שיטה לסמים CH 3 NH 3 PBI 3 כנדבך בולם את mesoscopic perovskite מבנה תאים סולריים. הלידים קטיון חד ערכי שימשו לכוון את המאפיינים המורפולוגיים, אופטי, וחשמליים של CH 3 NH 3 PBI 3 הסרט perovskite כדי לשפר את הביצועים פוטו. לכן, אנו משולבים שלושה קטיונים חד ערכיים שונים (כלומר, Na +, Cu +, ו Ag +), אשר יש רדיוס יוני דומה Pb 2+, במקור ההובלה בתצהיר שני שלבים הרציף של CH 3 NH 3 PBI 3 . כתוצאה מכך, שיפור מרשים התכונות המבניות אופטו של CH 3 NH 3 PBI 3 התרחש בנוכחות תוספים אלה, מה שמוביל PCEs הגבוה עבור התאים הסולריים המפוברקים. לכן, היי עבודתנוghlights דרך קלילה של סימום ה- CH 3 NH 3 PBI 3 כנדבך בולם, אשר ניתן להשתמש בם בכל התצורות האחרות של תאים סולריים perovskite (למשל, אדריכלות מישוריים) על מנת לשפר את האיכות האלקטרונית נוסף של שכבות דקות perovskite.
הנתונים שבבסיס מאמר זה זמינים בכתובת: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
מ עאבדי-זאלאביה תודה נאוה טכנולוגיה בע"מ למלגה PhD. דר M.Grätzel MI להודות עיר נמל תעופה ג'דה למדע וטכנולוגיה (KACST) ואת השוויצרי הקרן הלאומית למדע (SNSF) עבור תמיכה כספית. המחברים מבקשים להודות לד"ר פיר Mettraux במרכז אפיון המולקולרי היברידי חומרים, EPFL לביצוע מדידות XPS. A.Sadhanala מודה תמיכה כספית בתודה מפרויקט APEX Indo-UK. SP Senanayak מכיר בלונדון האגודה המלכותית אחוות ניוטון. RH לחבר, מ 'עבדי-זאלאביה, וא Sadhanala רוצים להכיר את התמיכה מן EPSRC.
Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glass | Sigma-Aldrich | 735264-1EA | Resistivity≈13 Ω/sq |
Zinc powder | Sigma-Aldrich | 96454 | Molecular Weight 65.39 |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84415 | ≥37 wt. % |
Hellmanex detergent | Sigma-Aldrich | Z805939-1EA | pkg of 1 L |
Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) | Sigma-Aldrich | 325252 | 75 wt. % in isopropanol |
Titania Paste | DYESOL | MS002300 | 30 NR-D Transparent Titania Paste |
Lead (II) iodide | Sigma-Aldrich | 211168 | 99 wt. % |
N,N-Dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 437573 | ACS reagent, ≥99.8% |
Methylammonium iodide | DYESOL | MS101000 | Powder |
SpiroMeOTAD | Sigma-Aldrich | 792071 | 99% (HPLC) |
Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma-Aldrich | 544094 | 99.95% trace metals basis |
4-tert-Butylpyridine | Sigma-Aldrich | 142379 | Purity: 96% |
Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 284513 | anhydrous, 99.8% |
2-Propanol (IPA) | Sigma-Aldrich | 278475 | anhydrous, 99.5% |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | absolute alcohol, without additive, ≥99.8% |