Her presenterer vi en protokoll for å justere egenskapene til løsnings behandlet CH 3 NH 3 PBI 3 gjennom inkorporering av monovalente kationer, additiver for å oppnå svært effektive perovskitt solceller.
Her viser vi innlemmelsen av monovalente kationer, additiver i CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt for å tilpasse det optiske, excitonic, og elektriske egenskaper. Muligheten for doping ble undersøkt ved tilsetning av monovalente kationer, halogenider med lik ioneradius til Pb 2+, blant Cu +, Na +, og Ag +. En forskyvning i Fermi-nivå og en bemerkelsesverdig reduksjon av sub-båndgap optisk absorpsjon, sammen med en lavere energisk uorden i perovskitt, ble oppnådd. En ordre-of-magnitude forbedring i bulk hullet mobilitet og en betydelig reduksjon av transportaktiveringsenergi innenfor et tilsetningsmiddel-baserte perovskitt-enheten ble oppnådd. Sammenløpet av de nevnte forbedrede egenskaper i nærvær av disse kationer førte til en forbedring i den fotovoltaiske parametere av perovskitt solcelle. En økning på 70 mV i åpen krets spenning for AGI og en 2 mA / cm 2 improvement i photo tetthet for NaI- og CuBr baserte solceller ble oppnådd i forhold til den uberørte enheten. Vårt arbeid baner vei for ytterligere forbedringer i optisk kvalitet CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt og påfølgende enheter. Det fremhever en ny vei for undersøkelser av rollen til dopeurenheter i krystalliseringen, og styrer den elektroniske feiltetthet i perovskitt struktur.
For tiden er den dominerende del av verdens energibehovet (dvs. 85%) som leveres ved forbrenning av olje, kull og naturgass, noe som letter den globale oppvarmingen og har skadelige virkninger på miljøet 1. Derfor er utviklingen av CO 2 -nøytral energikilder er av største interesse. Solcellepanel (PV) er en ideell energikonvertering prosess som kan oppfylle dette kravet. Men koste og effektivitet, som de viktigste hindringene for omfattende innføring av PV-teknologi, må forbedres. Emerging PV teknologier basert på nye materialer, slik som perovskitt solceller (PSC), har en kombinasjon av lavere kostnader og større effektivitet. Dette oppnås gjennom bruk av billige materialer som er lett tilgjengelige, så vel som gjennom rask, lettvint og lavenergiprosesseringsveier i forhold til silisiumbaserte motstykker 2, 3,4. En bemerkelsesverdig forbedring i strøm konvertering effektivitet (PCE), fra 3,8% til mer enn 22%, er blitt rapportert for hybrid organisk-uorganiske bly halogen perovskitt siden sin første opptreden i PV arkitektur 5, 6, 7, 8. En slik suveren ytelse stammer fra det sterke lyset absorpsjon med en ekstremt skarp band-edge, svært lav energisk lidelse, de svakt bundet excitons som lett tar avstand til frie bærere med store diffusjon lengder, og fotonet resirkulering evne hybrid organisk-uorganisk bly halogenid perovskite 9, 10, 11, 12. Disse materialer er kategorisert i perovskitt-familien, som krystalliseres fra organiske halogenid og metallhalogen-salter for å danne krystaller i ABX-3 </sub> Struktur, hvor X er et anion og A og B er kationer av forskjellige størrelser (A er større enn B). Rapporterte kationer for A nettstedet inkluderer metylammonium (MA), formamidinium (FA), og cesium (Cs); en kombinasjon av disse kationer viser den høyeste ytelsen 13, 14. Videre er den viktigste kandidat til toverdig kation i B-området bly, som kan bli erstattet av tinn; bandgap kan være vellykket rød-forskjøvet til over 1000 nm i en bly-tinn blandet perovskitt 15. Tilsvarende har de X-site beboere blitt studert i stor utstrekning, hvor en blanding av jodid (I) og bromid (Br) ble innført som hovedkandidater 16, 17. Derfor er det sterkt sannsynlig å manipulere de strukturelle, morfologiske og optiske egenskaper av perovskitter ved å forandre deres kjemiske sammensetning.
Til tross for det faktum at den forbedrede krystlline kvalitet og makroskopisk jevnhet perovskitt filmen er viktige parametere for å oppnå effektive enheter 18, virkningen av grensene mellom polykrystallinske domener, opprinnelse og rolle elektroniske defekter i perovskitt demperne, og rollen til de omkostninger innsamlings lag på tap prosesser i perovskitt solceller er ennå ikke godt forstått. Når det gjelder innholdet i elektroniske defekter i perovskitt struktur, har det blitt rapportert at mange av defekter, slik som I eller Pb stillinger, resultere i stater som er svært nær eller innenfor kontinuum tilstander i lednings og valensbånd, som kan ha en negativ elektronisk innvirkning på photovoltaic enheter 19. I tillegg kan en sterk kovalent binding interaksjon mellom bly kationer og anioner jodid i perovskitt flyet fører til at det foreligger iboende defekter (f.eks, under koordinert Pb dimerer og trimerer I), som kan opprettee områder innenfor den bånd kant som fungerer som charge rekombinasjon sentra under driften av anordningen 20.
Her undersøker vi effekten av doping CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt med enverdige kationer, halogenider, inkludert Na +, Cu +, og Ag +, lavere valensmetallioner enn Pb 2+. Vi har derfor inkorporere disse kationer ved tilsetning av en fornuftig mengde av deres halogenidsalter-baserte salter (for eksempel Nal, CuBr, Cul, og AGI) i perovskitt forløper løsning. Disse kationer har ionisk radier lik Pb 2+, så substitusjons doping i krystallet er sannsynlig. Vi har vist at tilstedeværelsen av disse kationer i høy grad påvirke både morfologien og dekning av perovskitt lag. I tillegg er tilstedeværelsen av disse kationer (for eksempel Na + og Ag +) er bekreftet ved røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS), og en significant endring i Fermi-nivået for perovskitt ble målt ved Kelvin probe mikroskopi (KPFM). Ved å innlemme disse kationer inn sekvensielt avsatt perovskitt solceller, oppnådde vi en forbedring i den fotovoltaiske effektiviteten av PSC (15,6% sammenlignet med 14%). Derfor er det meget viktig å forbedre de strukturelle og optiske egenskapene til absorberen lag (f.eks perovskitt) i solcelle arkitektur for å maksimere ladningstransport, og for å passivere overflaten feller for å nå den høyeste PV ytelsen.
En typisk arkitekturen mesoskopisk perovskitt solceller ble anvendt i dette arbeid, hvor en rekke materialer ble spinnbelagt mellom et ledende substrat og en termisk fordampet metall-kontakt (figur 1). De mesoporøse TiO 2 lag ble behandlet med TiCI4, som er rapportert å passivere overflaten feller og for å forbedre grenseflaten mellom elektrontransportsjiktet og det absorberende materiale 21, 22. Perovskitt laget ble deretter avsatt ved anvendelse av en sekvensiell to-trinns avsetningsteknikk. Den fullstendige omdannelse av bly halogenid i perovskitt i det andre trinn er viktig for å oppnå høyest lysabsorpsjonen 16, 17, og vi viste at de monovalente kationer halogenid tilsetningsstoffer (f.eks, NaI og CuBr) fører til en fullstendig omdannelse. Videre er fullstendig dekning av mesoporous Titania lag wed perovskitt oversjiktet er nødvendig for å eliminere mulig rekombinasjon mellom hullet transportlaget (f.eks Spiro OMETAD) og elektrontransportlaget (som mesoporøst TiO 2) 23. Vi har vist at tilsetning av monovalente kationer, halogenidene (f.eks cui og AGI) kan forbedre overflatedekning av perovskitt capping lag, noe som fører til en høyere tomgangsspenning for enheten.
Den største fordelen med vår metode er dopingstrinnet, hvor vi innlemmet monovalente kationer inn i CH 3 NH 3 PBI 3 struktur for å forbedre tettheten av ladninger, den ladningstransport, og ledningsevnen til absorberen lag. Som nevnt i forrige avsnitt, de nevnte tilsetningsstoffene betydelig forbedret både elektron og hull mobilitet. I tillegg er en bemerkelsesverdig reduksjon i ladningstransport aktiveringsenergi, så vel som i den energiske forstyrrelse av perovskite film ble oppnådd ved enverdig kation doping.
I dette arbeidet har vi vist en metode for å dope CH 3 NH 3 PBI 3 som en absorbator lag i mesoskopisk perovskitt solcellestruktur. Enverdige kationer, halogenider ble brukt til å tune de morfologiske, optiske og elektriske egenskapene til CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt film for å forbedre den fotovoltaiske ytelse. Derfor innlemmet tre forskjellige monovalente kationer (f.eks, Na +, Cu +, og Ag +), som har lignende ioneradius til Pb 2+, i ledningen kilde ved sekvensiell to-trinns avsetning av CH 3 NH 3 3 PBI . Som et resultat, er en bemerkelsesverdig forbedring i de strukturelle og optiske egenskaper av CH 3 NH 3 PBI 3 forekom i nærvær av disse additiver, som fører til høyere pces for å fremstille solceller. Derfor vårt arbeid highlights en lettvint måte å dope CH 3 NH 3 PBI 3 som en absorbator lag, som kan brukes i alle andre konfigurasjoner av perovskitt solceller (f.eks plane arkitektur) for å ytterligere forbedre den elektroniske kvaliteten av perovskitt tynne filmer.
Dataene som ligger til grunn denne artikkelen finnes på: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi takket Nava Technology Limited for en PhD stipend. MI Dar og M.Grätzel takke King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) og den sveitsiske National Science Foundation (SNSF) for økonomisk støtte. Forfatterne ønsker å takke Dr. Pierre Mettraux i Molecular and Hybrid Materialer Karakterisering Center, EPFL for gjennomføring av XPS målinger. A.Sadhanala erkjenner takknemlig økonomisk støtte fra den indo-britiske APEX prosjekt. SP Senanayak erkjenner Royal Society i London for Newton Fellowship. RH Friend, M. Abdi-Jalebi, og A. Sadhanala ønsker å erkjenne støtte fra 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% |