Vi præsenterer en omfattende undersøgelse af virkningerne af forskellige fremstillingsmetoder for økologiske / uorganiske perovskit tynde film ved at sammenligne krystalstrukturer, tæthed af stater, energi niveauer, og i sidste ende den solcelle ydeevne.
Hybrid organiske / uorganiske halogenid perovskitter har sidst været et emne af stor interesse inden for solcelle applikationer, med potentiale til at opnå enhedens effektivitet overstiger andre tynde film enhed teknologier. Alligevel er store variationer i enhedens effektivitet og grundlæggende fysiske egenskaber rapporteret. Dette skyldes utilsigtede variationer under film behandling, som ikke er blevet tilstrækkeligt undersøgt hidtil. Vi har udført derfor en omfattende undersøgelse af morfologien og elektroniske struktur af et stort antal CH3 NH3 PBI 3 perovskit hvor vi viser hvordan fremstillingsmetoden samt blandingsforholdet mellem edukterne methylammonium iodid og bly (II) iodid slagstyrkeegenskaber som filmdannelse, krystalstruktur, tæthed af stater, energi niveauer, og i sidste ende solcellens ydelse.
Tynde film fotovoltaiske teknologier har tiltrukket en betydelig opmærksomhed i forskningen af solcelle applikationer på grund af deres lave materialeforbrug og anvendelighed på fleksible substrater. Mest bemærkelsesværdigt er organisk / uorganisk halogenid perovskit materialer vist sig at være levedygtige aktive lag i solcelle-enheder, der fører til høje virkningsgrader. Perovskitter har fordelagtige egenskaber såsom høj absorptionskoefficient 1, høj ladningsbærer mobilitet 2, og lav exciton bindingsenergi 3. Perovskit lag kan fremstilles ved forskellige opløsning eller dampfase baseret fabrikation metoder under anvendelse billige precursormaterialer som bly (II) iodid (PBI 2) og methylammonium iodid (MAI). Denne måde muliggør en let fremstilling af høj krystallinitet film under anvendelse lave fabrikation temperaturer sammenlignet med de kommercielt tilgængelige silicium solceller.
Det har været shown at flere parametre har en stærk indflydelse på udførelsen af perovskit solceller, især film morfologi, da det påvirker exciton diffusion længde og ladningsbærere mobilitet. Nie et al. viste, at ved at forbedre morfologi perovskit film, med hensyn til dækning og gennemsnitlige krystal størrelse, solcelle ydeevne stiger 4, 5. Morfologien har vist sig at være påvirket af (i) valg af forstadiemateriale (fx anvendelse af blyacetat 6), (ii) molekylære additiver (ligesom NH4CI) 7, (iii) valg af opløsningsmiddel, (iv) termisk annealing under opløsningsmiddel atmosfære (som toluen eller chlorbenzen 8), og især (v) valget af fremstillingsfremgangsmåden 9. Løsning-baserede processer som et-trins eller to-trins spin-coating resultat i solceller med virkningsgrader på over 17% 4 </ sup>, 10, 11, 12, mens vakuum-deponeret perovskit solceller giver virkningsgrader på 15,4% 13.
Det er blevet vist, at overskydende PBI 2 i perovskit lag er fordelagtigt for solcelle ydeevne på grund af en forbedret bærer balance ved passivering af perovskit film af PBI 2 ved korngrænserne 14. Imidlertid har lidt arbejde er blevet gjort for at forstå betydningen af virkningerne af støkiometrien på perovskit filmmaterialer.
I denne afhandling præsenterer vi en omfattende undersøgelse af en bred vifte af forskelligt forberedt perovskit film og vise, hvordan tilberedningsmetoder og forløber støkiometri indflydelse morfologi, krystallinitet, tæthed af stater, film sammensætning, og solcelle ydeevne. En holistisk overblik præsenteres, lige fra fabrikation til film træk enning hele vejen til enhedens ydeevne.
Vi viste, at forarbejdningsbetingelserne har en betydelig indflydelse på filmen morfologi og film dækning. Dette er grunden til, at en masse af forskergrupper udgiver forskellige resultater vedrørende solcelle ydeevne og ionisering potentiale for de samme perovskit materialer.
For at sikre reproducerbarhed, er det afgørende for, der skal udføres alle procestrin og karakteriseringsmetoder under inert atmosfære (eller vakuum) for at undgå nedbrydning af fugt. Også renheden og sælger af edukterne spiller en vigtig rolle (ikke undersøgt heri). Det er klart, at vakuum deponeret perovskit lag har meget krystallinske film; Men i sammenligning opløsning forarbejdede film kan fremstilles med en højere gennemløb.
I vores undersøgelse, hjælp NH4Cl som tilsætningsstof i pro-løsning og en toluen atmosfære i spin-coater skålen forudsat den mest reproducerbare og glat perovskite film. På den anden side, dip og slip coating processer føre til temmelig ru overflader, og blev ikke yderligere i betragtning til enhed applikation. Endelig vakuum forarbejdede lag har generelt mindre krystalstørrelser (~ 100 nm), men med en høj grad af dækning gennem hele filmen og glattere overflader. Fra prøveserie med varierende forløber ratio, lærte vi, at sammensætningen har en betydelig indflydelse på dannelse film så godt. Men når han undersøger disse lag med XRD (Figur 2) alle film viser en høj grad af krystallinitet og en lignende tetragonal krystalstruktur angivet med reflektioner ved 14.11 ° og 28,14 ° repræsenterer de (110) og (220) fly, mens nogle af de lag syntes lidt mere uordnet, som kan ses ved fremkomsten af svage (002) og (004) refleksioner. Imidlertid er der ikke observeret nogen signifikant udvidelse af top i XRD diffraktion. Interessant nok ingen tegn på separate faser af PBI 2 ved 12,63 ° er fundet, selv for større overskydende mængder af inkorporeret PBI 2. Dette indikerer, at PBI 2 er inkorporeret ikke som en separat fase eller nanokrystallinske øer, men som fortyndede mellemliggende, hvilket gør det ikke kan påvises ved XRD. Anvendelsen af XRD er begrænset.
På den anden side, XPS bekræfter, at yderligere mængder af PBI 2 eller MAI (afhængigt af fremstillingsmetoden) er til stede i filmen, som det fremgår af variationerne i føringen til nitrogen-forhold. Disse interstitielle til gengæld har en betydelig indflydelse på den elektroniske struktur af filmen som nævnt før. Nu, der kombinerer resultaterne fra XPS med observation af forskelle i ioniseringsenergier afsløret af UPS kan vi korrelere disse to fænomener. Figur 6 viser den kombinerede plot, hvor den målte IE værdi er plottet som funktion af filmsammensætningen (bly til nitrogen-forhold) af den tilsvarende film.
Figur 6 "src =" / files / ftp_upload / 55.084 / 55084fig6.jpg "/>
Figur 6: Udvundet målepunkter for det fulde datasæt af 40 perovskit fi lm. Afhængighed af ionisering energi på elementært forholdet R exp af føringen til kvælstofindholdet (bestemt ved XPS); den optrukne linje er en lineær fi t til dataene og de stiplede linier markerer standardafvigelse på ± 0,12 eV. Nederst vises residualerne i fi t. Genoptrykt med tilladelse fra henvisning 16. Copyright 2015 Wiley-VCH. Klik her for at se en større version af dette tal.
Vi finder en klar lineær korrelation mellem disse to værdier. Vores resultater derfor indikere, at et perovskit film med MAI i overskud udviser en lavere IE, mens en PBI 2 rig lag øger IE. Vi finder en IE af 6,05 ± 0,10 eVfor den optimale molære forhold mellem R exp = 1, hvilket er betydeligt større end ofte offentliggjort IE på 5,4 eV. Denne forskel er ikke sandsynligt, at skyldes procesbetingelser, da vi finder denne værdi for en bred vifte af forskelligt forberedt perovskit film. Det er snarere skyldes forskelle i vurderingen af data, hvor den lineære tæthed af stater hældning bruges her resulterer i højere udlæsning værdier. Kan findes en omfattende drøftelse af dette spørgsmål i henvisning 17. Det er vigtigt at bemærke, at vi finder ingen ændring i den optiske båndgab af disse film (E g = 1,60 ± 0,02 eV, data ikke vist), hvilket betyder, at det ikke kun er en forskydning af IE med varierende forhold, men aktiveringsenergien (EA) skifter samtidigt.
Den maksimale solcelle effektivitet blev fundet for et molforhold R på 1,02 (PBI 2 til MAI) med en effekt virkningsgrad på 9,6%, hvilket bekræfter resultater fra litteraturen 14, der lidtPBI 2 rige film har en forbedret luftfartsselskab adfærd ved passivering af perovskit film af PBI 2 ved korngrænserne. Et fald i åbne kredsløb spænding ved 200 MeV med stigende PBI 2 indhold kan findes. Da ingen ændring i båndgab perovskit materiale forekommer, faldt V OC kan ikke forklares ved en samtidig formindskelse af det fotovoltaiske hul men af utilstrækkelig hul blokering ved grænsefladen mellem perovskit og PCBM (IE PCBM = 6,2 eV) på grund af stigningen i perovskit IE. Samtidig FF for R> 1,05 falder 0,8-0,7 som understøtter disse resultater.
Afslutningsvis præsenterede vi en omfattende undersøgelse af perovskit film af en række forskellige tilberedningsmetoder og fandt, at stærke forekomme variationer i filmdannelse, elektroniske struktur og enhedens ydeevne. Af særlig interesse er muligheden for at justere dvs. perovskit ved forsætlig inkorporering af MAI oR PBI 2 mellemliggende, som kan anvendes for interface optimering i hidtil ukendte enhed arkitekturer. Fremtidige undersøgelser vil se på mere avancerede forberedelse teknikker, der sigter mod større enhed områder. Disse omfatter metoder som læge blading, sprøjteteknik, og print i stor skala, der i øjeblikket er installeret i vores anlæg på COPT.centre (kopter = center for økologiske produktionsteknologier).
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne anerkende økonomisk støtte af staten Nordrhein-Westfalen gennem projektet PERO-BOOST (EFRE, projekt kode NW-1-1-040a). Tak til Azar Jahanbakhsh og Ines Schmidt (begge universitetet i Köln) for at få hjælp med fremstilling og karakterisering af de to-trins løsning forarbejdede perovskit lag, Dr. Jürgen Schelter (universitetet i Köln) til syntese af MAI materiale samt Prof . Dr. Riedl og Neda Pourdavoud (begge Universitet Wuppertal) for XRD målinger.
ITO | Rose | < 15 Ω/sq | |
PEDOT:PSS | Heraeus Clevios | P VP .Al 4083 | |
MAI | Synthesized as found in literature | ||
PbI2 | Alfa Aesar | 44314 | 99.999% trace metals basis , -10 mesh beads |
NH4Cl | Suprapure | 101143 | 99995% |
PCBM | Nano C | 99.9% | |
Chlorobenzene | Sigma Aldrich | 270644 | Chromasolv for HPLC (99.9%) |
N,N-Dimethylformamide | Acros Chemicals | 348430010 | Extra dry, stored over molecular sieves (99.8%) |
Toluene | Sigma Aldrich | 244511 | anhydrous |