Здесь мы приводим протокол для регулирования свойств раствора обработанным CH 3 NH 3 PbI 3 за счет включения одновалентного катиона добавок для достижения высокоэффективных перовскита солнечных батарей.
Здесь мы демонстрируют добавление одновалентного катиона добавок в CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита для регулировки оптической, ЭКСИТОННЫМ и электрические свойства. Возможность легирования исследовалась путем добавления одновалентного катиона галогениды с аналогичными ионных радиусов в Pb 2+, в том числе Cu +, Na + и Ag +. Сдвиг уровня Ферми и заметное снижение к югу от ширины запрещенной зоны оптического поглощения, наряду с более низким энергетического беспорядка в перовскита, была достигнута. Повышение порядка от величины в объемной подвижности дырок и значительному уменьшению энергии активации транспорта в аддитивной на основе перовскита устройства была достигнута. Стечение упомянутых выше улучшенными свойствами в присутствии этих катионов привело к повышению в параметрах фотогальванических перовскита солнечных батарей. Увеличение 70 мВ напряжения холостого хода для AgI и 2 мА / см 2 импrovement в фототока плотности для солнечных батарей NaI- и CuBr основе были достигнуты по сравнению с нетронутым устройством. Наша работа открывает путь для дальнейших улучшений в оптоэлектронной качества CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита и последующих устройств. Это выдвигает на первый план новые возможности для исследований о роли легирующих примесей в кристаллизации и контролирует электронную плотность дефектов в перовскита структурах.
В настоящее время доминирует часть потребности в энергии в мире (то есть 85%) подается за счет сжигания нефти, угля и природного газа, что способствует глобальному потеплению и оказывает разрушительное воздействие на нашу окружающую среду 1. Таким образом, развитие СО 2 -нейтральное источников энергии первостепенный интерес. Фотоэлектрические (PV) представляет собой идеальный процесс преобразования энергии, который может выполнить это требование. Тем не менее, стоимость и эффективность, в качестве основных препятствий на пути широкого внедрения технологии PV, должна быть улучшена. Возникающие фотоэлектрические технологии, основанные на новых материалах, таких, как перовскит солнечных элементов (PSC), имеют сочетание низкой стоимости и более высокой эффективности. Это достигается за счет использования дешевых материалов, которые легко доступны, а также через быстро, легкий и обработки маршрутов низкоэнергетических по сравнению с кремниевыми аналогами 2, 3,4. Значительное улучшение эффективности преобразования энергии (PCE), с 3,8% до более чем 22%, сообщается на гибридных органо-неорганических свинца галоидных перовскита с момента своего первого появления в PV архитектуры 5, 6, 7, 8. Такая превосходная производительность происходит от сильного поглощения света с чрезвычайно острым зонной края, очень низкий энергичный расстройства, слабо связанные экситоны, которые легко диссоциируют на свободных носителей с большими длинами диффузии, а также возможность переработки Фотон гибридных органо-неорганических свинца галогенид перовскита 9, 10, 11, 12. Эти материалы подразделяются на семейства перовскита, которые кристаллизуют из органических галогенидов и галогенидов металлов солей с образованием кристаллов в ABX 3 </sub> Структура, где Х представляет собой анион, и А и В являются катионы различных размеров (A быть больше, чем B). Отмеченные катионы для A сайта включают метиламмония (MA), formamidinium (FA) и цезий (Cs); сочетание этих катионов показывает самую высокую производительность 13, 14. Кроме того, главным кандидатом на двухвалентного катиона в участке B является свинец, который может быть заменен на олове; ширина запрещенной зоны может быть успешно красное смещение до более чем 1000 нм в свинцово-оловянного смешанного перовскита 15. Точно так же, жители Х-сайте были изучены, где смесь йодид (I) и бромида (Br) , были введены в качестве основных кандидатов 16, 17. Таким образом, весьма вероятно, манипулировать структурных, морфологических и оптико-электронные свойства перовскитов путем изменения их химического состава.
Несмотря на то, что усиленный Crystaкачество lline и макроскопическая однородность перовскита пленки являются ключевыми параметрами для достижения эффективных устройств 18, влияние границ между поликристаллических доменами, происхождения и роли электронных дефектов в перовскита поглотителей, а также роль слоев сбора заряда при процессы потери в перовскита солнечных батарей еще не до конца изучены. Что касается характера электронных дефектов в структуре перовскита, было сообщено, что многие из дефектов, таких как I или Pb вакансий, в результате состояний, которые очень близки к или в пределах континуума состояний в зоне проводимости и валентной, которые может оказать негативное воздействие на электронное фотогальванических устройств 19. Кроме того, сильная ковалентная связь взаимодействия между свинцовыми катионов и анионов йодида в перовскитном плоскости может привести к существованию собственных дефектов (например, при скоординированы Pb димеры и тримеры I), которые могли бы создающихе участки в пределах полосы-ребра , которые действуют как центры рекомбинации заряда во время работы устройства 20.
Здесь мы исследуем влияние легирования CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита с одновалентных катионов галогениды, включая Na +, Cu + и Ag +, ионов металлов ниже валентности , чем Pb 2+. Поэтому мы включать эти катионы за счет добавления рационального количества их галоидных на основе солей (например, NaI, CuBr, CuI, и AGI) в раствор предшественника перовскита. Эти катионы имеют ионные радиусы , подобный Pb 2+, поэтому допингом в пределах замещения кристалла вероятен. Мы показали, что присутствие этих катионов сильно влияет как на морфологию и покрытие слоя перовскита. Кроме того, присутствие этих катионов (например, Na + и Ag +) была подтверждена с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и significanизменение т на уровне Ферми перовскита измеряли с помощью зонда Кельвина-силовой микроскопии (KPFM). Объединив эти катионы в текущем последовательно осажденных перовскита солнечных элементов, мы добились улучшения в эффективности фотоэлектрического ПСХ (15,6% по сравнению с 14%). Поэтому очень важно , чтобы усилить структурные и оптико – электронные свойства поглощающий слой (например, типа перовскита) в архитектуре солнечных батарей , чтобы максимизировать перенос заряда и для пассивации поверхности ловушки, чтобы достичь максимальной производительности PV.
Типичная архитектура мезоскопиче- перовскита солнечных батарей был использован в этой работе, где ряд материалов были спин-покрытием между подложкой и термически испаряемого металлического контакта (рисунок 1). Мезопористого TiO 2 слоя обрабатывают TiCl 4, который , как сообщается, пассивации поверхности ловушки и улучшения взаимодействия между переноса электронов слоем и поглощающим материалом 21, 22. Перовскитоподобная слой затем осаждают с использованием техники последовательного осаждения из двух этапов. Полное превращение свинца галогенида в перовскита на второй стадии имеет важное значение для достижения максимально поглощения света 16, 17, и мы показали , что в качестве галогенида добавки одновалентного катиона (например, NaI и CuBr) приводит к полной конверсии. Кроме того, полное покрытие мезопористого диоксида титана слоя шIth перовскита над слоем имеет жизненно важное значение для устранения потенциальной рекомбинации между отверстием транспортного уровня (например, Спиро OMETAD) и переноса электронов слоя (например, мезопористого TiO 2) 23. Мы показано , что добавление одновалентного катиона галогениды (например, CuI и AgI) может улучшить охват поверхности перовскита укупорки слоя, что приводит к увеличению напряжения холостого хода для устройства.
Основное преимущество нашего метода является стадия легирования, где мы включили одновалентных катионов в CH 3 NH 3 PbI 3 структуры для повышения плотности зарядов, перенос заряда и проводимость слоя поглотителя. Как было указано в предыдущем разделе, вышеупомянутые легирующие значительно расширены как электрон и дырок. Кроме того, значительное снижение энергии активации переноса заряда, а также в энергетическом расстройством Перовскоготе пленки, было достигнуто за счет легирования одновалентного катиона.
В этой работе мы продемонстрировали метод Dope CH 3 NH 3 PBI 3 в качестве поглотителя слоя в мезоскопическом структуре перовскита солнечных батарей. Одновалентного катиона галогениды были использованы для настройки морфологические, оптические и электрические свойства CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита пленки с целью повышения эффективности фотоэлектрической. Таким образом, мы включили три различных одновалентных катионов (т.е., Na +, Cu + и Ag +), которые имеют сходные ионные радиусы для Pb 2+, в ведущем источнике в последовательном двухступенчатого осаждения CH 3 NH 3 PbI 3 , В результате значительное улучшение в структурных и оптико – электронных свойств CH 3 NH 3 PbI 3 происходило в присутствии таких добавок, что приводит к более высоким ПХЭ для изготавливаемых солнечных батарей. Таким образом, наша работа приветghlights легкий путь легирования CH 3 NH 3 PBI 3 как поглощающий слой, который может быть использован во всех других конфигураций перовскита солнечных элементов (например, плоская архитектура) с целью дальнейшего улучшения качества электронного перовскита тонких пленок.
Данные, лежащие в основе этого документа доступны по адресу: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
М. Абди-Jalebi благодаря Нава Technology Limited для доктора философии науки. М. И. Дар и M.Grätzel поблагодарить короля Абдель Азиза науки и техники (ЦНТ) и Швейцарский национальный научный фонд (SNSF) за финансовую поддержку. Авторы хотели бы поблагодарить д-р Пьер Mettraux в молекулярной и гибридных характеристик материалов Центр, EPFL для проведения измерений XPS. A.Sadhanala с благодарностью отмечает финансовую поддержку со стороны проекта индо-UK APEX. ИП Senanayak признает Королевское общество Лондона для Newton Fellowship. RH Друг, М. Абди-Jalebi, и А. Sadhanala хотел бы отметить поддержку со стороны 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% |