Ici, nous présentons un protocole d'ajuster les propriétés de solution-traitée CH 3 NH 3 PbI 3 grâce à l'incorporation d'additifs de cations monovalents afin d'obtenir des cellules solaires perovskite très efficaces.
Ici, nous démontrons l'incorporation d'additifs de cations monovalents dans CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite afin d'ajuster l'optique, excitonique, et les propriétés électriques. La possibilité de dopage a été étudiée par l' addition de cations monovalents halogénures avec des rayons ioniques semblables à Pb 2+, y compris Cu +, Na + et Ag +. Un changement dans le niveau de Fermi et une diminution remarquable de l'absorption optique sous-bandgap, avec un trouble inférieur énergique dans la perovskite, a été atteint. Une amélioration d'ordre de grandeur dans la mobilité des trous en vrac et une réduction significative de l'énergie d'activation de transport dans un dispositif perovskite à base d'additif a été atteint. La confluence des propriétés améliorées mentionnées ci-dessus, en présence de ces cations a conduit à une amélioration des paramètres photovoltaïques de la cellule solaire perovskite. Une augmentation de 70 mV de la tension de circuit ouvert pour Agi et 2 mA / cm 2 improvement densité photocourant pour les cellules solaires à base de CuBr nai- et ont été réalisés par rapport à l'appareil vierge. Notre travail ouvre la voie à de nouvelles améliorations de la qualité optoélectronique de CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite et appareils suivants. Il met en évidence une nouvelle voie pour les enquêtes sur le rôle des impuretés dopantes dans la cristallisation et contrôle la densité de défauts électroniques dans les structures perovskite.
À l' heure actuelle, la partie dominante des besoins en énergie dans le monde (soit 85%) est fournie par la combustion du pétrole, du charbon et du gaz naturel, ce qui facilite le réchauffement climatique et a des effets néfastes sur notre environnement 1. Par conséquent, le développement de sources de CO 2 d'énergie neutres en est d' un intérêt primordial. Photovoltaïque (PV) est un processus de conversion d'énergie idéale qui peut répondre à cette exigence. Cependant, le coût et l'efficacité, comme les principaux obstacles à l'adoption étendue de la technologie photovoltaïque, doit être améliorée. Emerging technologies photovoltaïques à base de nouveaux matériaux, tels que les cellules solaires perovskite (PSC), avoir la combinaison d'un faible coût et une plus grande efficacité. Ceci est réalisé grâce à l'utilisation de matériaux bon marché qui sont facilement disponibles, ainsi que par le biais rapide, facile, et les voies de transformation à faible consommation d'énergie par rapport à leurs homologues à base de silicium 2, 3,4. Une amélioration remarquable de l'efficacité de conversion de puissance (PCE), de 3,8% à plus de 22%, a été rapportée pour hybrides organiques-inorganiques halogénures de plomb perovskite depuis sa première apparition dans l' architecture PV 5, 6, 7, 8. Cette superbe performance provient de l'absorption de la lumière forte avec une bande de pointe extrêmement forte, la très faible désordre énergétique, les excitons faiblement liés qui se dissocient facilement dans des supports libres avec de grandes longueurs de diffusion, et la capacité de photons de recyclage de hybride organique-inorganique L' halogénure de plomb perovskite 9, 10, 11, 12. Ces matériaux sont classés dans la famille perovskite, qui sont cristallisé à partir de sels d'halogénures et halogénures métalliques organiques pour former des cristaux dans le ABX 3 </sub> La structure, dans laquelle X est un anion et A et B sont des cations de différentes tailles (A étant plus grand que B). cations signalés pour le site A comprennent méthylammonium (MA), formamidinium (FA), et le césium (Cs); une combinaison de ces cations 13 montre le plus performant, 14. En outre, le candidat principal pour le cation divalent dans le site B est du plomb, qui peut être remplacé par de l'étain; la bande interdite peut être avec succès décalée vers le rouge à plus de 1000 nm dans un plomb-étain mélangé perovskite 15. De même, les occupants au site X ont été largement étudiés, où un mélange d'iodure (I) et le bromure (Br) ont été introduits en tant que les principaux candidats 16, 17. Par conséquent, il est hautement vraisemblable de manipuler les propriétés structurales, morphologiques et opto-électroniques de pérovskites, en modifiant leur composition chimique.
En dépit du fait que le renforcement crystala qualité de l' lline et l'uniformité macroscopique du film perovskite sont des paramètres clés pour réaliser des dispositifs efficaces 18, l'impact des frontières entre les domaines polycristallins, l'origine et le rôle des défauts électroniques dans les absorbeurs perovskite, et le rôle des couches de collecte de charge sur processus de perte dans les cellules solaires perovskite ne sont pas encore bien compris. En ce qui concerne la nature des défauts électroniques dans la structure perovskite, il a été rapporté que la plupart des défauts, tels que I ou Pb postes vacants, entraîner des états qui sont très proches ou dans le continuum d'états dans les bandes de conduction et de valence, qui pourrait avoir un impact négatif électronique sur les dispositifs photovoltaïques 19. En outre, une forte interaction de liaison covalente entre les cations et les anions iodure de plomb dans le plan de perovskite peut conduire à l'existence de défauts intrinsèques (par exemple, la sous-dimères coordonné Pb et trimères I), qui pourrait create sites au sein de l'extrémité de bande qui agissent comme des centres de recombinaison chargé pendant le fonctionnement du dispositif 20.
Ici, nous étudions l'impact du dopage CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite avec des halogénures de cations monovalents, y compris Na +, Cu + et Ag +, inférieure à valence des ions métalliques que Pb 2+. Nous incorporons donc ces cations par l'addition d'une quantité raisonnable de leurs sels à base d' halogénure (par exemple Nal, CuBr, CuI, et AgI) dans la solution de précurseur de perovskite. Ces cations ont des rayons ioniques semblables à Pb 2+, de sorte que le dopage substitutive dans le cristal est probable. Nous avons montré que la présence de ces cations affecte fortement à la fois de la morphologie et de la couverture de la couche de perovskite. En outre, la présence de ces cations (par exemple, Na + et Ag +) a été confirmée par spectroscopie de photoélectrons X (XPS), et un significant changement dans le niveau de Fermi de perovskite a été mesurée par Kelvin microscopie à force de sonde (KPFM). En intégrant ces cations dans des cellules solaires perovskite déposées séquentiellement, nous avons obtenu une amélioration du rendement photovoltaïque de la CFP (15,6% à comparer à 14%). Par conséquent, il est très important d'améliorer les propriétés structurelles et opto – électroniques de la couche d'absorbeur (par exemple, la perovskite) dans l' architecture de la cellule solaire afin de maximiser le transport de charges et pour passiver les pièges de surface afin d'atteindre le rendement photovoltaïque le plus élevé.
Une architecture typique des cellules solaires perovskite mésoscopiques a été utilisé dans ce travail, où une série de matériaux ont été déposée par centrifugation entre un substrat conducteur et un contact métallique thermiquement évaporé (Figure 1). Les mésoporeux couches de TiO 2 ont été traitées avec du TiCl 4, qui est signalé à passiver les pièges de surface et pour améliorer l'interface entre la couche de transport d'électrons et le matériau absorbant 21, 22. La couche de perovskite a ensuite été déposé en utilisant une technique de dépôt en deux étapes séquentielle. La conversion complète des halogénures de plomb en perovskite dans la deuxième étape est essentielle pour atteindre l'absorption la plus élevée de la lumière 16, 17, et nous avons montré que les additifs d'halogénures de cations monovalents (par exemple, Nal et CuBr) aboutissent à une conversion complète. En outre, la couverture complète de la couche mésoporeuse d'oxyde de titane wvec la perovskite est essentiel sur la couche d'éliminer les possibilités de recombinaison entre la couche de transport de trous (par exemple Spiro OMeTAD) et la couche de transport d'électrons (par exemple mésoporeuse TiO 2) 23. Nous avons montré que l' addition des halogénures de cations monovalents (par exemple, Cui et AGI) peut améliorer la couverture de la surface de la couche de perovskite coiffage, ce qui conduit à une tension de circuit ouvert supérieur de l'appareil.
Le principal avantage de notre méthode est l'étape de dopage, où nous avons incorporé des cations monovalents dans le NH 3 PbI 3 Structure CH 3 pour améliorer la densité de charges, le transport de charge, et la conductivité de la couche absorbante. Comme indiqué dans la section précédente, les dopants précités améliorés de manière significative à la fois l'électron et les mobilités des trous. En outre, une diminution notable de l'énergie d'activation de transport de charge, ainsi que dans le désordre énergique des Perovskile film te, a été atteint par cation monovalent dopage.
Dans ce travail, nous avons démontré une méthode pour doper CH 3 NH 3 PbI 3 comme une couche absorbante dans le mésoscopique perovskite structure de cellule solaire. Les halogénures de cations monovalents ont été utilisés pour ajuster les propriétés morphologiques, optiques et électriques de CH 3 NH 3 3 PbI du film perovskite afin d'améliorer les performances photovoltaïques. Par conséquent, nous avons incorporé les trois cations différents monovalents ( par exemple, Na +, Cu + et Ag +), qui ont des rayons ioniques semblables à Pb 2+, dans la source de premier plan dans la séquence de dépôt en deux étapes de CH 3 NH 3 PbI 3 . Par conséquent, une amélioration remarquable des propriétés structurelles et opto – électroniques de CH 3 NH 3 PbI 3 est produite en présence de ces additifs, ce qui conduit à PCEs plus élevés pour les cellules solaires fabriquées. Par conséquent, notre salut de travailghlights un moyen aisé de dopage du CH 3 NH 3 PbI 3 en tant que couche absorbante, qui peut être utilisé dans toutes les autres configurations de cellules solaires de type pérovskite (par exemple, l' architecture plane), afin d'améliorer encore la qualité électronique des films minces perovskite.
Les données sous-jacentes ce document sont disponibles à: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi grâce Nava Technology Limited pour une bourse de doctorat. MI Dar et M.Grätzel remercient le Abdulaziz City King pour la science et la technologie (KACST) et le Fonds national suisse (FNS) pour le soutien financier. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Pierre Mettraux dans le moléculaire et la caractérisation des matériaux hybrides Center, EPFL pour la réalisation des mesures XPS. A.Sadhanala remercie le soutien financier du projet indo-britannique APEX. SP Senanayak reconnaît la Royal Society de Londres pour le Newton Fellowship. RH ami, M. Abdi-Jalebi, et A. Sadhanala aimeraient remercier le soutien de l'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% |