Aqui, apresentamos um protocolo para ajustar as propriedades de CH-processados solução de 3 NH 3 PBI 3 através da incorporação de aditivos de cátions monovalentes, a fim de conseguir células solares perovskita altamente eficientes.
Aqui, demonstramos a incorporação de aditivos catião monovalente em CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita, a fim de ajustar a óptica, excitônicas, e propriedades eléctricas. A possibilidade de dopagem foi investigada pela adição de halogenetos de catião monovalente com raios iónicos semelhante ao Pb 2+, incluindo Cu +, Na +, e Ag +. Uma mudança no nível de Fermi e uma diminuição notável da sub-banda proibida de absorção óptica, juntamente com um distúrbio inferior energético na perovskita, foi conseguida. Um aprimoramento ordem de grandeza na mobilidade buraco granel e uma redução significativa da energia de ativação de transporte dentro de um dispositivo de perovskita baseada aditivo foi atingido. A confluência das propriedades melhoradas anteriormente mencionadas na presença destes catiões levou a um melhoramento nos parâmetros fotovoltaicos da célula solar perovskita. Um aumento de 70 mV na tensão de circuito aberto para Agi e a 2 mA / cm 2 improvement na densidade fotocorrente para células solares baseados em CuBr NaI- e foram alcançados em comparação com o dispositivo intocada. Nosso trabalho abre caminho para novas melhorias na qualidade optoeletrônicos de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita e dispositivos subseqüentes. Ele destaca um novo caminho para investigações sobre o papel das impurezas dopantes em cristalização e controla a densidade de defeitos eletrônicos em estruturas perovskita.
Atualmente, a parte dominante da exigência de energia do mundo (ou seja, 85%) está sendo fornecida pela combustão de petróleo, carvão e gás natural, o que facilita o aquecimento global e tem efeitos deletérios sobre o nosso ambiente 1. Por conseguinte, o desenvolvimento de CO 2 fontes -neutral de energia é de interesse primordial. A energia fotovoltaica (PV) é um processo de conversão de energia ideal que pode atender a essa exigência. No entanto, o custo e eficiência, como os principais obstáculos à ampla adoção da tecnologia de PV, deve ser melhorado. Emergentes tecnologias de PV à base de novos materiais, tais como células solares de perovskite (PSC), têm a combinação de menor custo e maior eficácia. Isto é conseguido através da utilização de materiais baratos que estão prontamente disponíveis, bem como por meio rápido, fácil e rotas de processamento de baixo consumo de energia em comparação com contrapartidas à base de silício 2, 3,4. A notável melhoria na eficiência de conversão de energia (PCE), de 3,8% para mais de 22%, foi relatado para orgânico-inorgânico perovskita iodetos chumbo híbridos desde a sua primeira aparição na arquitetura PV 5, 6, 7, 8. Tal desempenho excelente origina-se da forte absorção de luz com uma banda de ponta extremamente afiada, a muito baixo distúrbio energético, os excitons fracamente ligados, que facilmente se dissociam em portadores livres com grandes comprimentos de difusão, ea capacidade de reciclagem de fótons de híbrido orgânico-inorgânico haleto de chumbo perovskita 9, 10, 11, 12. Estes materiais são classificados na família de perovskite, os quais são cristalizado a partir de sais de halogeneto e iodetos metálicos orgânicos para formar cristais na ABX 3 </sub> Estrutura, em que X é um anião e A e B são os catiões de tamanhos diferentes (A a ser maior do que B). cátions relatado para a Um site incluem metilam�io (MA), formamidínio (FA), e césio (Cs); uma combinação desses catiões mostra o desempenho mais elevado 13, 14. Além disso, o candidato principal para o catião bivalente no local B é o chumbo, o qual pode ser substituído por estanho; o bandgap pode ser sucesso vermelho-deslocou-se para mais de 1.000 nm em um lead-lata misturada perovskita 15. Da mesma forma, os ocupantes do local X têm sido estudadas extensivamente, em que uma mistura de iodeto (I) e brometo (Br) foram introduzidos como os principais candidatos 16, 17. Portanto, é altamente plausível para manipular as propriedades estruturais, morfológicas e optoelectrónicos de perovskitas, alterando a sua composição química.
Apesar do facto de o cristal melhoradaqualidade lline ea uniformidade macroscópica do filme perovskita são parâmetros essenciais para alcançar dispositivos eficientes 18, o impacto dos limites entre os domínios policristalinos, a origem eo papel dos defeitos eletrônicos nos amortecedores perovskita, eo papel das camadas de recolha de carga em cima processos de perda de células solares perovskita ainda não são bem compreendidos. Quanto à natureza dos defeitos electrónicos na estrutura perovskita, foi relatado que muitos dos defeitos, tais como I ou Pb vagas, resultar em estados que estão muito perto ou dentro do continuum de estados nas bandas de condução e de valência, que pode ter um impacto negativo sobre a electrónica os dispositivos fotovoltaicos 19. Além disso, uma forte interacção covalente entre catiões e aniões iodeto de chumbo no plano perovskita pode levar à existência de defeitos intrínsecos (por exemplo, sub-coordenado dímeros de PB e I trímeros), o que poderia create locais dentro da banda de ponta, que actuam como centros de carga de recombinação durante o funcionamento do dispositivo 20.
Aqui, nós investigamos o impacto do doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita com haletos de cátions monovalentes, incluindo Na +, Cu + e Ag +, iões de metais de menor valência do que Pb 2+. Por conseguinte, incorporar estes catiões através da adição de uma quantidade racional dos seus sais à base de halogeneto (por exemplo, Nal, CuBr, Cul, e AGI) na solução de precursor de perovskita. Estes catiões têm raios iónicos semelhante ao Pb 2+, de modo a dopagem de substituição dentro do cristal é provável. Mostrámos que a presença destes catiões fortemente afeta tanto a morfologia e a cobertura da camada de tipo perovskite. Além disso, a presença destes catiões (por exemplo, Na + e Ag +) foi confirmada por espectroscopia de fotoelectrão de raios-X (XPS), e um significanmudança t no nível de Fermi da perovskita foi medida por microscopia de força sonda Kelvin (KPFM). Ao incorporar essas cátions em células solares perovskita sequencialmente depositadas, obtivemos uma melhoria na eficiência fotovoltaica do PSC (15,6% compara com 14%). Portanto, é muito importante para melhorar as propriedades estruturais e optoelectrónicos da camada absorvente (por exemplo, perovskita) na arquitectura da célula solar para maximizar o transporte de carga e para passivar as armadilhas de superfície, a fim de alcançar o melhor desempenho PV.
A arquitectura típica de células solares de perovskite mesoscópicos foi utilizada neste trabalho, em que uma série de materiais eram entre um substrato condutor e um contacto metálico termicamente evaporado (Figura 1) revestido por centrifugação. Os mesoporosos TiO 2 camadas foram tratados com TiCl4, o que é relatado para passivar as armadilhas de superfície e para melhorar a interface entre a camada de transporte de electrões e o material absorvente 21, 22. A camada de tipo perovskite, em seguida, foi depositado utilizando uma técnica de deposição de duas etapas sequenciais. A conversão total de halogeneto de chumbo em perovskita no segundo passo é essencial para alcançar a maior absorção de luz 16, 17, e que mostraram que os aditivos de haleto de catião monovalente (por exemplo, NaI e CuBr) resulta numa conversão completa. Além disso, a cobertura completa da camada de óxido de titânio W mesoporosaom a perovsquita sobre-camada é vital para eliminar o potencial de recombinação entre a camada de transporte furo (por exemplo, Spiro OMETAD) e a camada de transporte de electrões (por exemplo, TiO2 de porosidade intermédia) 23. Nós ilustrado que a adição de halogenetos de catiões monovalentes (por exemplo, CuI e AGI) pode melhorar a cobertura da superfície da camada de perovskita de nivelamento, o que leva a uma maior tensão de circuito aberto para o dispositivo.
A principal vantagem do nosso método é o passo de dopagem, em que incorporada catiões monovalentes para a estrutura CH 3 NH 3 PBI 3 para melhorar a densidade de cargas, o transporte de carga, e a condutividade da camada absorvente. Como foi dito na seção anterior, os dopantes acima mencionados aumentou significativamente tanto o elétron e as mobilidades buracos. Além disso, uma diminuição notável na energia de activação de transporte de carga, bem como na desordem energético dos perovskifilme te, foi alcançado por doping cátion monovalente.
Neste trabalho, nós demonstramos um método para dopar CH3 NH 3 3 PBI como uma camada absorvente no mesoscopic perovskita estrutura da célula solar. Halogenetos monovalentes catiões foram usadas para sintonizar as propriedades morfológicas, ópticos, eléctricos e de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita filme, a fim de melhorar o desempenho fotovoltaica. Portanto, incorporou três diferentes catiões monovalentes (isto é, Na +, Cu +, e Ag +), que têm raios iónicos semelhante ao Pb 2+, na fonte de chumbo na deposição sequencial de dois passos de CH 3 NH 3 3 PBI . Como resultado, uma notável melhoria nas propriedades estruturais e optoelectrónicos de CH 3 NH 3 PBI 3 ocorreu na presença desses aditivos, levando a PCEs mais elevados para as células solares fabricadas. Portanto, o nosso oi trabalhoghlights um modo fácil de dopagem CH 3 NH 3 3 PBI como uma camada absorvente, que pode ser utilizado em todas as outras configurações de células solares de perovskite (por exemplo, arquitectura plana), a fim de melhorar ainda mais a qualidade electrónica de películas finas de perovskite.
Os dados subjacentes a este papel estão disponíveis em: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi graças Nava Technology Limited para uma bolsa de doutorado. MI Dar e M.Grätzel agradecer ao Abdulaziz City King para a Ciência e Tecnologia (KACST) eo Swiss National Science Foundation (SNSF) pelo apoio financeiro. Os autores gostariam de agradecer ao Dr. Pierre Mettraux na Molecular e Híbrido Caracterização de Materiais Center, EPFL para a realização das medições XPS. A.Sadhanala agradece o apoio financeiro do projeto Indo-UK APEX. SP Senanayak reconhece a Real Sociedade de Londres para o Newton Fellowship. RH amigo, M. Abdi-Jalebi, e A. Sadhanala gostaria de agradecer o apoio do 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% |