Hier stellen wir ein Protokoll , um die Eigenschaften der Lösung prozessierte CH 3 NH 3 PbI 3 durch den Einbau von einwertigen Kations Zusatzstoffe einzustellen , um hocheffiziente Perowskit Solarzellen zu erzielen.
Hier zeigen wir die Inkorporation von einwertigen Kations Additive in CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit, um die optische, excitonischen und elektrischen Eigenschaften einzustellen. Die Möglichkeit der Dotierung wurde durch Zugabe von einwertigen Kations Halogeniden mit ähnlichen Ionenradien zu Pb 2+, einschließlich Cu +, Na + und Ag + untersucht. Eine Verschiebung in der Fermi-Niveau und eine bemerkenswerte Abnahme der Unter Bandgap optischen Absorption, zusammen mit einer niedrigeren energetischen Störung in der Perowskit wurde erreicht. Ein Auftrag-of-Größenordnung Verbesserung in der Masse Lochmobilität und eine deutliche Reduzierung der Transportaktivierungsenergie innerhalb eines Zusatzstoffes-basierende Perowskit-Gerät wurde erreicht. Der Zusammenfluß der genannten verbesserten Eigenschaften in Gegenwart dieser Kationen führte zu einer Verbesserung in den photovoltaischen Parameter der Perowskit-Solarzelle. Eine Erhöhung von 70 mV in Leerlaufspannung für AgI und 2 mA / cm 2 improvement in Photo Dichte für NaI- und CuBr basierten Solarzellen wurden dem ursprünglichen Vorrichtung erreicht verglichen. Unsere Arbeit ebnet den Weg für weitere Verbesserungen in der optoelektronischen Qualität von CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit und nachfolgende Geräte. Sie weist auf einen neuen Weg für Untersuchungen über die Rolle der Dotierstoffstörstellen bei der Kristallisation und steuert die elektronischen Defektdichte in Perowskit-Strukturen.
Derzeit ist die vorherrschende Teil des Energiebedarfs der Welt (dh 85%) durch die Verbrennung von Erdöl, Kohle und Erdgas wird, zugeführt , die die globale Erwärmung erleichtert und hat nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt 1. Daher ist die Entwicklung von CO 2 -neutrale Energiequellen von höchstem Interesse. Photovoltaik (PV) ist ein idealer Energieumwandlungsprozess, die diese Anforderung erfüllen können. Allerdings Kosten und Effizienz, als die wichtigsten Hindernisse für die umfassende Einführung von PV-Technologie, muss verbessert werden. Schwellen PV-Technologien auf der Basis neuer Materialien, wie Perowskit-Solarzellen (PSC), haben die Kombination von geringeren Kosten und mehr Effizienz. Dies wird durch die Verwendung von billigen Materialien erreicht , die leicht verfügbar sind, sowie durch die schnelle, einfache und energiearme Verarbeitungswege im Vergleich zu Silizium basierenden Pendants 2, 3,4. Eine deutliche Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz (PCE), von 3,8% auf mehr als 22% wurde für organisch-anorganischen Hybrid Bleihalogenide Perowskit seit seinem ersten Auftritt in der PV – Architektur 5, 6, 7, 8 berichtet. Eine solche hervorragende Leistung stammt aus dem starken Lichtabsorption mit einem extrem scharfen Bandkante, die sehr niedrige energetische Störung, die schwach gebundenen Exzitonen, die leicht mit großen Diffusionslängen in den freien Trägern distanzieren, und die Photonenrecyclingfähigkeit von organisch-anorganischen Hybrid Bleihalogenide Perowskit 9, 10, 11, 12. Diese Materialien werden in der Perowskit – Familie klassifiziert, die aus organischen Halogenid und Metallhalogenidsalzen kristallisiert sind zur Bildung von Kristallen in der ABX 3 </sub> Struktur, wobei X ein Anion ist und A und B Kationen sind in verschiedenen Größen (A größer als B ist). Berichtet Kationen für die A-Stelle enthalten Methylammonium (MA), formamidinium (FA) und Cäsium (Cs); eine Kombination dieser Kationen zeigt die höchste Leistung 13, 14. Darüber hinaus ist der Hauptkandidat für das zweiwertige Kation in der B-Stelle führen, die durch Zinn ersetzt werden kann; die Bandlücke kann Perovskit 15 gemischt in einer Blei-Zinn – bis über 1.000 nm erfolgreich rotverschoben ist. In ähnlicher Weise sind die X-Ort Insassen ausgiebig untersucht worden, wobei man eine Mischung von Iodid (I) und Bromid (Br) als die wichtigsten Kandidaten 16 eingeführt wurden, 17. Daher ist es sehr plausibel die strukturelle, morphologische und optoelektronischen Eigenschaften von Perowskiten zu manipulieren durch ihre chemische Zusammensetzung zu verändern.
Trotz der Tatsache, dass die verbesserte crystalline Qualität und die makroskopische Gleichmßigkeit des Perowskit – Films sind Schlüsselparameter effiziente Vorrichtungen 18 zu erreichen, die Auswirkungen der Grenzen zwischen den polykristallinen Domänen, den Ursprung und die Rolle der elektronischen Defekte in den Perowskit – Absorber und die Rolle der Ladungssammelschichten auf Verlustprozesse in den Perowskit-Solarzellen sind noch nicht gut verstanden. In Bezug auf die Art der elektronischen Defekte in der Perowskit-Struktur, hat es sich, dass viele der Mängel, wie ich oder Pb offene Stellen, führen in Staaten, die sehr nahe an oder in dem Kontinuum von Zuständen in den Leitungs- und Valenzband berichtet worden, die könnte eine negative elektronische Auswirkungen auf die Photovoltaik – Geräte 19. Darüber hinaus ist eine starke kovalente Bindung Wechselwirkung zwischen Bleikationen und Iodid – Anionen in der Perowskit – Ebene kann auf das Vorhandensein von Eigenfehlern führen (zB unter koordinierten Pb – Dimere und Trimere I), das könnte Create Stellen innerhalb der Bandkante , die 20 während des Betriebs der Vorrichtung als Ladungs Rekombinationszentren wirken.
Hier untersuchen wir die Auswirkungen des Dopings CH 3 NH 3 PbI 3 Perowskit mit einwertiges Kation Halogeniden, einschließlich Na +, Cu + und Ag +, niedrigere valenten Metallionen als Pb 2+. Wir übernehmen daher diese Kationen durch die Zugabe eines rationalen Höhe ihrer Halogenid-basierte Salze (beispielsweise NaI, CuBr, CuI und AgI) in die Perowskit – Vorläuferlösung. Diese Kationen haben Ionenradien ähnlich wie Pb 2+, so Substitutions – Dotierung im Kristall wahrscheinlich ist. Wir haben gezeigt, dass die Gegenwart dieser Kationen wirkt sich stark sowohl auf die Morphologie und die Bedeckung der Perovskit-Schicht. Darüber hinaus hat die Gegenwart dieser Kationen (zB Na + und Ag +) durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bestätigt worden ist , und ein significant Veränderung im Fermi-Niveau von Perowskit wurde von Kelvin-Sonde (KPFM) gemessen. Durch Einbettung dieser Kationen in sequentiell abgelagerten Perowskit Solarzellen erreichten wir eine Verbesserung der photovoltaischen Wirkungsgrad von PSC (15,6% bis 14% zu vergleichen). Daher ist es sehr wichtig , um die strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften der Absorberschicht (beispielsweise Perowskit) in Solarzellenarchitektur zu verbessern , die Ladungstransport zu maximieren und die Oberflächenfallen , um zu passivieren , die höchste PV Leistung zu erreichen.
Eine typische Architektur von mesoskopischen Perowskit – Solarzellen wurde in dieser Arbeit, wo eine Reihe von Materialien wurden durch Schleuderbeschichtung zwischen einem leitfähigen Substrat und einer thermisch aufgedampften Metallkontakt (Figur 1) verwendet. Die mesoporösen TiO 2 -Schichten wurden mit TiCl 4 behandelt, von denen berichtet wird , um die Oberfläche zu passivieren und Traps an die Grenzfläche zwischen der Elektronentransportschicht und dem Absorbermaterial 21, 22 zu verbessern. Die Perowskit-Schicht wurde dann eine sequentielle zweistufigen Abscheidungstechnik abgeschieden werden. Die vollständige Umwandlung von Bleihalogenide in Perowskit im zweiten Schritt ist wichtig , die höchste Lichtabsorption 16, 17, zu erreichen , und wir haben gezeigt , dass die einwertigen Kation Halogenidzusätzen (zB NaI und CuBr) in einem vollständigen Umsatz führen. Weiterhin ist die vollständige Abdeckung des mesoporösen Titanoxidschicht with Perowskit Überschicht ist entscheidend Potential Rekombination zwischen der Lochtransportschicht (beispielsweise Spiro OMeTAD) und der Elektronentransportschicht (beispielsweise mesoporösen TiO 2) 23 zu eliminieren. Wir veranschaulicht , dass die einwertiges Kation Halogeniden Zugabe (zB CuI und AgI) kann die Oberflächenabdeckung der Perowskit – Deckschicht zu verbessern, die für das Gerät zu einer höheren Leerlaufspannung führt.
Der wesentliche Vorteil unseres Verfahrens ist der Dotierungsschritt, wo wir einwertigen Kationen in die CH 3 NH 3 PbI 3 – Struktur zu verbessern , die Ladungsdichte, die Ladungstransport und die Leitfähigkeit der Absorberschicht eingearbeitet. Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, verbessert die vorgenannten Dotierstoffe deutlich sowohl das Elektron und das Loch Mobilitäten. Zusätzlich ist eine bemerkenswerte Abnahme in der Ladungstransportaktivierungsenergie sowie in die energetische Störung der Perowskite Film wurde durch einwertige Kationendotierung erreicht.
In dieser Arbeit haben wir ein Verfahren zum Dotieren CH 3 NH 3 PbI 3 als Absorberschicht in der mesoskopischen Perowskit – Solarzellenstruktur gezeigt. Einwertiges Kation Halogenide wurden tune verwendet , um die morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskit – Film, um die photovoltaische Leistung zu verbessern. Daher eingebaut wir drei verschiedene einwertige Kationen (zB Na +, Cu + und Ag +), die Pb 2+ ähnliche Ionenradien haben, in der Hauptquelle in der sequentiellen zweistufigen Abscheidung von CH 3 NH 3 PbI 3 . Als Ergebnis trat eine bemerkenswerte Verbesserung in der strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften von CH 3 NH 3 PbI 3 in Gegenwart dieser Additive Für die hergestellten Solarzellen zu höheren PCEs führt. Deshalb ist unsere Arbeit halloghlights eine leichte Möglichkeit , die CH 3 NH 3 PbI 3 als Absorberschicht zum Dotieren, die in allen anderen Konfigurationen von Perowskit – Solarzellen (zB planar Architektur), um die elektronische Qualität der Perowskit – Dünnschichten verwendet werden können , weiter zu verbessern.
Die Daten dieses Papier zugrunde liegen, sind verfügbar unter: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi dank Nava Technology Limited für ein Promotionsstipendium. MI Dar und M.Grätzel danken dem King Abdulaziz Stadt für Wissenschaft und Technologie (KACST) und dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) für die finanzielle Unterstützung. Die Autoren danken Dr. Pierre Mettraux in der Molekular- und Hybrid Materialcharakterisierung Center, EPFL für die Durchführung der XPS-Messungen zu danken. A.Sadhanala dankt finanzielle Unterstützung aus dem Projekt Indo-UK APEX. SP Senanayak erkennt die Royal Society London für das Newton-Stipendium. RH Friend, M. Abdi-Jalebi und A. Sadhanala möchte die Unterstützung der EPSRC anzuerkennen.
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% |