在这里,我们提出了一个协议,以实现高效率的钙钛矿的太阳能电池以调节溶液处理的CH 3 NH 3碘化铅3的通过一价阳离子添加剂的掺入的属性。
在这里,我们证明,为了调整光学,激子,和电性能的一价阳离子的添加剂掺入CH 3 NH 3碘化铅3钙钛矿。掺杂的可能性通过加入单价阳离子卤化物与类似的离子半径的Pb 2+,包含Cu +,Na +和银离子的影响。在费米能级的转变和子带隙光吸收的显着降低,与钙钛矿低级高能紊乱一起被实现。顺序的数量级的增强在本体空穴迁移率和基于添加剂的钙钛矿装置内的显著减少运输活化能的混合物实现。在这些阳离子的存在下在上述改进的性质的合流导致的钙钛矿太阳能电池的光电参数的增强。在碘化银开路电压和70 mV的增加2毫安/厘米2小鬼rovement在基于溴化亚铜,NaI-和太阳能电池的光电流密度均达到较原始设备。我们的工作铺平了在CH 3 NH 3碘化铅3钙钛矿和随后的器件的光电质量进一步改善的方式。它强调了对结晶掺杂杂质的作用,调查了新的途径,并控制在钙钛矿结构中的电子缺陷密度。
目前,世界上能量需求( 即,85%)的主要部分是由石油,煤和天然气的燃烧,这有助于全球变暖和对我们的环境1的有害作用提供。因此,能源的CO 2 -零排放能源的发展是至关重要的利益。光伏(PV)是一种理想的能量转换的过程,可以达到这个要求。然而,成本和效率,对于广泛采用光伏技术的主要障碍,必须提高。新兴基于新的材料,如钙钛矿太阳能电池(PSC)光伏技术,有降低成本和提高效率的组合。这是通过廉价的材料是容易得到的,以及通过快速,简便,低能量处理路由的利用率达到相比硅基同行2,34。一个显着的提高电源转换效率(PCE),从3.8%到超过22%,有报道以来光伏建筑5,6,7,8日首次亮相的混合有机-无机铅卤化物钙钛矿。这种卓越的性能从强的光吸收源自具有非常尖锐的能带边缘,在非常低的高能紊乱,弱束缚的激子,很容易离解成具有大的扩散长度自由载流子,以及杂化有机 – 无机的光子循环能力铅卤化物钙钛矿9,10,11,12。这些材料被归类在钙钛矿系列,它是由有机卤化物和金属卤化物盐结晶,形成在ABX 3结晶</sub>结构,其中X是阴离子,A和B是不同尺寸的阳离子(A为大于B)。对于A网站报道阳离子包括甲基铵(MA),formamidinium(FA)和铯(Cs);这些阳离子的组合示出了最高性能13,14。此外,在B位的二价阳离子的主要候选是铅,其可通过锡取代;带隙可以成功红移在混合钙钛矿15铅锡超过1000纳米。同样,在X站点乘员已被广泛研究,其中,碘(I)和溴(Br)之间的混合物被引入作为主要候选16,17。因此,它是非常合理的,通过改变它们的化学组成来操纵的钙钛矿的结构,形态和光电特性。
尽管增强CRYSTAlline质量和钙钛矿薄膜的宏观均匀性是实现高效的装置18的关键参数,边界的多晶结构域,原点并在钙钛矿吸收剂电子缺陷的作用,且电荷收集层中时的作用之间的冲击在钙钛矿太阳能电池损失过程尚未很好地理解。关于在钙钛矿结构的电子缺陷的性质,它已经报道了许多缺陷,如I或Pb空位的,导致状态是非常接近或状态中的导带和价带中的连续体中,这可能对光伏器件19的负电子的影响。此外,铅阳离子和在所述钙钛矿平面碘化物阴离子之间的强共价键合相互作用可能导致本征缺陷的存在( 例如,下协调铅二聚体和三聚体我),这可能创造带边缘,该装置20的操作期间充当电荷复合中心内ë站点。
在这里,我们研究了掺杂CH 3的影响NH 3碘化铅钙钛矿与单价阳离子卤化物,包括钠 ,铜+和Ag +,降低价金属离子比铅离子 。因此,我们通过增加他们的基于卤化物的盐的用量合理( 例如,碘化钠,溴化亚铜,崔和AGI)进入钙钛矿原料液把这些阳离子。这些阳离子具有类似于铅离子的离子半径,所以置换掺杂内的晶体是可能的。我们已经表明,这些阳离子的存在强烈影响既形态和钙钛矿层的覆盖。此外,这些阳离子( 如,Na +和Ag +)会的存在已被证实通过X射线光电子能谱(XPS),以及一个significan在钙钛矿的费米能级T改变由Kelvin探针力显微镜(KPFM)进行测定。通过将这些阳离子成依次沉积钙钛矿的太阳能电池中,我们在PSC的发电效率达到的改善(15.6%比较14%)。因此,为提高太阳能电池结构的吸收体层( 例如,钙钛矿)的结构和光电特性以最大化电荷输送和钝化表面的陷阱,以达到最高的光伏性能是十分必要的。
介观钙钛矿的太阳能电池的典型架构是在这项工作中,其中系列的材料是旋涂在导电基底和热蒸发金属接触( 图1)之间使用。介孔TiO 2的层用的TiCl 4,其被报告给钝化表面陷阱和提高电子传输层和吸收体材料21,22之间的接口处理。然后在钙钛矿层使用顺序两步沉积技术沉积。在完全转化卤化铅进入钙钛矿在第二步骤是必不可少的,以实现最高的光吸收16,图 17,我们表明,一价阳离子的卤化物添加剂( 如,碘化钠和溴化亚铜)导致完全转化。另外,介孔二氧化钛层的完全覆盖瓦特第i个钙钛矿过度层是至关重要的,以消除在空穴传输层( 例如,螺OMETAD)和电子传输层( 例如,介孔二氧化钛)23之间的潜在重组。我们示出,加入一价阳离子的卤化物( 例如,碘化亚铜和碘化银)可提高钙钛矿覆盖层,这导致了装置的高开路电压的表面覆盖。
我们的方法的主要优点是掺杂步骤,在那里我们引入一价阳离子入CH 3 NH 3碘化铅3结构来提高电荷的密度,电荷传输,和吸收体层的导电性。正如上一节中所述,上述的掺杂剂显著增强两个电子和空穴迁移率。此外,显着降低在电荷输送活化能,以及在perovski的高能紊乱德膜,是由单价阳离子掺杂实现。
在这项工作中,我们已经证明掺杂CH 3 NH 3碘化铅3如在介观钙钛矿太阳能电池结构的吸收体层的方法。价阳离子的卤化物被用于调谐CH 3 NH 3碘化铅3钙钛矿薄膜的形态,光学,和电性能,以提高光电性能。因此,我们的CH 3的连续的两步沉积掺入三种不同的一价阳离子(即钠离子 ,铜+和Ag +),它们具有相似的离子半径的Pb 2+,在引入源的 NH 3碘化铅3 。其结果是,在CH 3 NH 3碘化铅3的结构和光电特性的显着的改善发生在这些添加剂的存在,导致对所制造的太阳能电池更高的PCE。因此,我们的工作喜ghlights掺杂CH 3 NH 3碘化铅3作为吸收层,它可以在钙钛矿太阳能电池( 例如,平面结构)的所有其它构造,以进一步提高钙钛矿薄膜的电子质量被使用的便利途径。
本文的基本数据,请访问:https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187。
The authors have nothing to disclose.
M.阿卜迪 – Jalebi感谢纳瓦技术有限公司为博士奖学金。 MI达累斯萨拉姆和M.Grätzel感谢阿卜杜勒阿齐兹国王城科学和技术(KACST)和瑞士国家科学基金会(SNSF)的资金支持。笔者想感谢皮埃尔Mettraux博士在分子和混合材料表征中心,洛桑联邦理工学院为进行XPS测量。 A.Sadhanala十分感谢印度 – 英国APEX项目的资金支持。 SP Senanayak承认皇家学会伦敦牛顿奖学金。 RH朋友,M.阿卜迪 – Jalebi和A. Sadhanala要感谢来自EPSRC的支持。
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% |