Här presenterar vi ett protokoll för att justera egenskaperna hos lösnings bearbetade CH 3 NH 3 PBI 3 genom införlivandet av monovalenta katjoner tillsatser för att uppnå högeffektiva perovskit solceller.
Här visar vi införlivandet av monovalent katjon tillsatser i CH 3 NH3 PBI 3 perovskit för att justera den optiska, excitoniska och elektriska egenskaper. Möjligheten att dopning undersöktes genom tillsats av envärd katjon halogenider med liknande jonradier till Pb 2+, inklusive Cu +, Na +, och Ag +. En förskjutning i Fermi-nivå och en anmärkningsvärd minskning av sub-bandgap optisk absorption, tillsammans med en lägre energisk oordning i perovskit, uppnåddes. En order-of-storlek förbättring i bulk hålet rörlighet och en betydande minskning av transportaktiveringsenergi inom en tillsats baserad perovskit enhet uppnåddes. Sammanflödet av de tidigare nämnda förbättrade egenskaper i närvaro av dessa katjoner ledde till en förbättring i de fotovoltaiska parametrar hos perovskit solcell. En ökning med 70 mV i tomgångsspänningen för AgI och en 2 mA / cm2 improvement i foto densitet för NaI- och CuBr-baserade solceller uppnåddes jämfört med den orörda enheten. Vårt arbete banar väg för ytterligare förbättringar i optoelektroniska kvalitet CH 3 NH3 PBI 3 perovskit och efterföljande enheter. Det belyser en ny väg för undersökningar om vilken roll dopnings föroreningar i kristallisation och styr den elektroniska defekttätheten i perovskit strukturer.
För närvarande, den dominerande delen av världens energibehov (dvs 85%) matas genom förbränning av olja, kol och naturgas, vilket underlättar den globala uppvärmningen och har skadliga effekter på vår miljö 1. Därför är av största intresse att utveckla CO 2 neutrala energikällor. Solceller (PV) är ett idealiskt omvandlingsprocess energi som kan uppfylla detta krav. Men kostnader och effektivitet, eftersom de största hindren för den omfattande antagande av PV teknik, måste förbättras. Emerging PV teknik baserade på nya material, såsom perovskit solceller (PSC), har en kombination av lägre kostnader och ökad effektivitet. Detta uppnås genom användning av billiga material som är lätt tillgängliga, liksom genom snabb, enkel och processvägar energisnåla jämfört med kiselbaserade motsvarigheter 2, 3,4. En anmärkningsvärd förbättring av effektiviteten kraftomvandling (PCE), från 3,8% till mer än 22%, har rapporterats för hybrid organisk-oorganiska bly halogenlampor perovskit sedan sitt första framträdande i PV arkitektur 5, 6, 7, 8. En sådan enastående prestanda kommer från det starka ljuset absorption med en mycket vass bandkant, mycket låg energisk störning, de svagt bundna excitoner som lätt dissocierar till fria bärare med stora diffusion längder, och foton återvinning förmåga hybrid organisk-oorganisk bly halogenid perovskit 9, 10, 11, 12. Dessa material kategoriseras i perovskitfamiljen, som kristalliseras från organisk halogenid och metallhalogen salter för att bilda kristaller i ABX 3 </sub> Struktur, där X är en anjon och A och B är katjoner av olika storlekar (A är större än B). Rapporterade katjoner för A-stället inkluderar metylammonium (MA), formamidinium (FA), och cesium (Cs); en kombination av dessa katjoner visar den högsta prestanda 13, 14. Dessutom är huvudkandidat för den tvåvärda katjonen i B platsen bly, som kan ersättas av tenn; bandgap kan vara framgångsrikt rödskiftade till över 1000 nm i en bly-tenn blandat perovskit 15. På liknande sätt har de X-site åkande studerats i stor utsträckning, där en blandning av jodid (I) och bromid (Br) infördes som huvudkandidaterna 16, 17. Därför är det högst troligt att manipulera de strukturella, morfologiska och optoelektroniska egenskaper hos perovskiter genom att förändra deras kemiska sammansättning.
Trots det faktum att den förbättrade kristlline kvalitet och makroskopiska likformigheten i perovskit filmen är viktiga parametrar för att uppnå effektiva anordningar 18, effekterna av gränserna mellan de polykristallina domäner, ursprung och roll elektroniska defekter i perovskit absorbatorer, och den roll som inkasso lager på förlustprocesser i perovskit solceller är ännu inte klarlagd. När det gäller karaktären hos elektronisk defekter i perovskitstruktur, har det rapporterats att många av de defekter, såsom I eller Pb vakanser, resulterar i stater som är mycket nära eller inom kontinuum av stater i lednings och valensbanden, som kan ha en negativ elektronisk inverkan på fotogalvaniska anordningar 19. Dessutom kan en stark kovalent bindning interaktion mellan bly katjoner och jodid anjoner i perovskit planet leda till förekomsten av inneboende defekter (t.ex. i enlighet koordinerad Pb dimerer och jag trimerer), vilket skulle kunna create ställen inom bandkant som fungerar som laddnings rekombinationscentra under driften av anordningen 20.
Här undersöker vi effekterna av doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskit med monovalent katjon halogenider, inklusive Na +, Cu + och Ag +, lägre valens metalljoner än Pb 2+. Vi införlivar därför dessa katjoner genom tillsats av en rationell del av sina halide baserade salter (t.ex. Nal, CuBr, Cul, och AgI) in i den perovskit prekursorlösningen. Dessa katjoner har joniska radier liknar Pb 2+, så substitutions dopning inom kristallen är sannolik. Vi har visat att närvaron av dessa katjoner starkt påverkar både morfologi och täckning av perovskit skiktet. Dessutom har närvaron av dessa katjoner (t.ex. Na + och Ag +) bekräftats genom röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), och en significant förändring i Fermi nivån av perovskit mättes genom Kelvin probe kraft mikroskopi (KPFM). Genom att införliva dessa katjoner i sekventiellt deponerade perovskit solceller, nådde vi en förbättring av solceller effektivitet PSC (15,6% jämfört med 14%). Därför är det mycket viktigt att förbättra de strukturella och optoelektroniska egenskaper hos absorbentskiktet (t.ex. perovskit) solcell arkitektur för att maximera laddningstransport och att passivera ytan fällor för att nå den högsta PV prestanda.
En typisk arkitektur mesoskopiska perovskit solceller användes i detta arbete, där en serie av materialen var spinnbelades mellan ett ledande substrat och ett termiskt indunstades metallkontakt (Figur 1). De mesoporösa TiOa 2 lager behandlades med TiCl4, som rapporteras att passivera ytan fällor och att förbättra kommunikationen mellan elektrontransportskiktet och absorptionsmaterialet 21, 22. Perovskit skiktet avsattes sedan med användning av en sekventiell två-stegs avsättningsteknik. Den full konvertering av bly halid i perovskit i det andra steget är avgörande för att uppnå den högsta ljusabsorptionen 16, 17, och vi visade att den envärda katjonen halogenlampor tillsatser (t.ex. Nal och CuBr) resulterar i en fullständig omvandling. Vidare fullständig täckning av det mesoporösa titandioxidskiktet w: te perovskiten överskiktet är avgörande för att eliminera potentiell rekombination mellan håltransportskiktet (t.ex. Spiro OMETAD) och elektrontransportskikt (t.ex., mesoporösa TiOa 2) 23. Vi visat att tillsats av den envärda katjonen halider (t.ex., Cul och Agi) kan förbättra yttäckningen av perovskiten capping skiktet, vilket leder till en högre öppen kretsspänning för enheten.
Den största fördelen med vår metod är dopningssteget, där vi införlivade monovalenta katjoner i CH 3 NH 3 PBI tre struktur för att förbättra tätheten av avgifter, laddningstransport, och ledningsförmågan hos absorbentskiktet. Som framgår av föregående avsnitt, de tidigare nämnda dopningsmedel förbättras avsevärt både elektronen och hålet rörligheter. Dessutom har en anmärkningsvärd minskning i laddningstransportaktiveringsenergin, såväl som i den energiska sjukdom i perovskiTe-filmen, uppnåddes genom monovalent katjon dopning.
I detta arbete har vi visat ett förfarande för att dopa CH 3 NH 3 PBI 3 som ett absorbentskikt i mesoskopisk perovskit solcell struktur. Monovalent katjon halogenider användes för att avstämma de morfologiska, optiska, och elektriska egenskaperna hos CH 3 NH 3 PBI 3 perovskit filmen för att förbättra den fotogalvaniska prestanda. Därför införlivade vi tre olika monovalenta katjoner (dvs Na +, Cu + och Ag +), som har liknande joniska radier till Pb 2+, i täten källa i den sekventiella två steg avsättning av CH 3 NH3 PBI 3 . Som ett resultat, en anmärkningsvärd förbättring i de strukturella och optoelektroniska egenskaper CH 3 NH 3 PBI 3 inträffade i närvaro av dessa tillsatser, vilket leder till högre PCES för de tillverkade solceller. Därför vårt arbete highlights ett enkelt sätt för dopning av CH 3 NH 3 PBI 3 som ett absorbentskikt, som kan användas i alla andra konfigurationer av perovskit solceller (t.ex. plana arkitektur) i syfte att ytterligare förbättra den elektroniska kvaliteten hos perovskit tunna filmer.
Uppgifterna bakom denna papper finns på: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi tack Nava Technology Limited för en PhD stipendium. MI Dar och M.Grätzel tacka King Abdulaziz City för vetenskap och teknik (KACST) och Swiss National Science Foundation (SNSF) för finansiellt stöd. Författarna vill tacka Dr Pierre Mettraux i molekylär och hybridmaterial Characterization Center, EPFL för att utföra mätningarna XPS. A.Sadhanala erkänner tacksamt ekonomiskt stöd från Indo-UK APEX-projektet. SP Senanayak erkänner Royal Society London för Newton Fellowship. RH vän, M. Abdi-Jalebi, och A. Sadhanala vill erkänna det stöd från 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% |