A continuación, se presenta un protocolo para ajustar las propiedades de CH 3 NH 3 3 PBI solución de procesado a través de la incorporación de aditivos de cationes monovalentes con el fin de alcanzar las células solares de alta eficiencia perovskita.
Aquí, nos demuestran la incorporación de aditivos catión monovalente en CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita con el fin de ajustar la óptica, excitónica y propiedades eléctricas. La posibilidad de dopaje se investigó mediante la adición de haluros de catión monovalente con radios iónicos similares a Pb 2+, incluyendo Cu +, Na +, y Ag +. Un cambio en el nivel de Fermi y una notable disminución de la absorción óptica sub-banda prohibida, junto con un trastorno de menor energía en la perovskita, se logró. se alcanzó una mejora de un orden de magnitud en la movilidad agujero mayor y una reducción significativa de la energía de activación de transporte dentro de un dispositivo de perovskita a base de aditivo. La confluencia de las propiedades mejoradas anteriormente mencionadas en la presencia de estos cationes condujo a una mejora en los parámetros fotovoltaicas de la célula solar de perovskita. Un aumento de 70 mV en el voltaje de circuito abierto para AgI y 2 mA / cm2 improvement en la densidad de fotocorriente para las células solares basadas en CuBr NaI- y se lograron en comparación con el dispositivo prístina. Nuestro trabajo abre el camino para nuevas mejoras en la calidad optoelectrónico de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita y dispositivos posteriores. Se destaca una nueva vía para las investigaciones sobre el papel de impurezas dopantes en la cristalización y controla la densidad de defectos electrónica en estructuras de perovskita.
En la actualidad, la parte dominante de la demanda de energía del mundo (es decir, el 85%) está siendo suministrado por la combustión de petróleo, carbón y gas natural, lo que facilita el calentamiento global y tiene efectos nocivos sobre el medio ambiente 1. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de CO 2 -Diseño Neutro de energía es de interés primordial. La energía fotovoltaica (PV) es un proceso de conversión de energía ideal que puede cumplir con este requisito. Sin embargo, el costo y la eficiencia, ya que los principales obstáculos para la amplia adopción de la tecnología fotovoltaica, se debe mejorar. Las tecnologías emergentes fotovoltaicos basados en nuevos materiales, como las células solares perovskita (PSC), tiene la combinación de un menor coste y una mayor eficiencia. Esto se logra mediante la utilización de materiales baratos que están fácilmente disponibles, así como a través rápido, fácil, y rutas de procesamiento de baja energía en comparación con sus homólogos basados en silicio 2, 3,4. Una mejora notable en la eficiencia de conversión de potencia (PCE), de 3,8% a más del 22%, se ha informado de híbridos perovskita de haluro de plomo orgánicos-inorgánicos, desde su primera aparición en la arquitectura PV 5, 6, 7, 8. Tal excelente rendimiento origina a partir de la fuerte absorción de la luz con una banda de punta muy afilada, el trastorno de muy baja energía, los excitones ligados débilmente que se disocian fácilmente en portadores libres con grandes longitudes de difusión, y la capacidad de reciclaje de fotones de híbrido orgánico-inorgánico El haluro de plomo perovskita 9, 10, 11, 12. Estos materiales se clasifican en la familia de la perovskita, que se cristalizó a partir de sales de haluro y de halogenuros metálicos orgánicos para formar cristales en el ABX 3 </sub> Estructura, donde X es un anión y A y B son cationes de diferentes tamaños (A es mayor que B). cationes comunicadas para el sitio incluyen metilamonio (MA), formamidinium (FA), y el cesio (Cs); una combinación de estos cationes muestra el más alto 13 rendimiento, 14. Además, el candidato principal para el catión divalente en el sitio B es de plomo, que puede ser sustituido por el estaño; el intervalo de banda puede ser desplazada al rojo con éxito a más de 1.000 nm en un plomo-estaño mezclado perovskita 15. Del mismo modo, los ocupantes X-sitio se han estudiado extensamente, donde se introdujo una mezcla de yoduro de (I) y bromuro (Br) como los principales candidatos 16, 17. Por lo tanto, es muy plausible para manipular las propiedades estructurales, morfológicos, y optoelectrónicos de perovskitas mediante la alteración de su composición química.
A pesar de que la cris mejoradacalidad lline y la uniformidad macroscópica de la película perovskita son parámetros fundamentales para crear dispositivos eficientes 18, el impacto de los límites entre los dominios policristalinos, el origen y la función de los defectos electrónicos en los absorbedores de perovskita, y el papel de las capas de recogida de forma gratuita bajo procesos de pérdida de las células solares de perovskita todavía no están bien comprendidos. En cuanto a la naturaleza de los defectos electrónicos en la estructura perovskita, se ha informado de que muchos de los defectos, tales como I o Pb vacantes, dar lugar a estados que están muy cerca o dentro del continuo de estados en las bandas de conducción y de valencia, que podría tener un impacto negativo en la electrónica de los dispositivos fotovoltaicos 19. Además, una fuerte interacción de unión covalente entre cationes y aniones de yoduro de plomo en el plano perovskita puede dar lugar a la existencia de defectos intrínsecos (por ejemplo, bajo-Pb coordinado dímeros y trímeros I), lo que podría creatsitios e dentro de la banda de borde que actúan como centros de recombinación de carga durante el funcionamiento del dispositivo 20.
Aquí, investigamos el impacto de dopaje CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita con haluros de catión monovalente, incluyendo Na +, Cu + y Ag +, iones de metales de menor valencia que Pb 2+. Por lo tanto, incorporamos estos cationes a través de la adición de una cantidad racional de sus sales basadas en haluro (por ejemplo, NaI, CuBr, CuI, y AgI) en la solución de perovskita precursor. Estos cationes tienen radios iónicos similares a Pb 2+, por lo que el dopaje de sustitución dentro del cristal es probable. Hemos demostrado que la presencia de estos cationes afecta fuertemente tanto la morfología y la cobertura de la capa de perovskita. Además, la presencia de estos cationes (por ejemplo, Na + y Ag +) ha sido confirmada por espectroscopia de rayos X de fotoelectrones (XPS), y una significativos llevadost cambio en el nivel de Fermi de perovskita se mide por la fuerza microscopio de sonda Kelvin (KPFM). Mediante la incorporación de estos cationes en las células solares de perovskita depositadas secuencialmente, hemos logrado una mejora en la eficiencia fotovoltaica del PSC (15,6% en comparación con el 14%). Por lo tanto, es muy esencial para mejorar las propiedades estructurales y optoelectrónicos de la capa absorbente (por ejemplo, perovskita) en la arquitectura de célula solar para maximizar el transporte de carga y para pasivar las trampas de superficie con el fin de alcanzar el más alto rendimiento de PV.
Una arquitectura típica de células solares de perovskita mesoscópicos se utilizó en este trabajo, donde una serie de materiales se recubrió por rotación entre un substrato conductor y un contacto de metal evaporado térmicamente (Figura 1). Los mesoporosos TiO 2 capas fueron tratados con TiCl 4, que se informó para pasivar las trampas de la superficie y para mejorar la interfaz entre la capa de transporte de electrones y el material absorbente 21, 22. Después, la capa de perovskita se depositó usando una técnica de deposición en dos etapas secuenciales. La conversión total de haluro de plomo en perovskita en el segundo paso es esencial para lograr el más alto de absorción de luz 16, 17, y nos mostró que los aditivos de haluro de cationes monovalentes (por ejemplo, NaI y CuBr) dan como resultado una conversión completa. Además, la cobertura completa de la capa de óxido de titanio mesoporoso won la perovskita sobre-capa es vital para eliminar el potencial de recombinación entre la capa de transporte de huecos (por ejemplo, Spiro OMETAD) y la capa de transporte de electrones (por ejemplo, mesoporoso TiO 2) 23. Nos ilustra que la adición de los haluros de cationes monovalentes (por ejemplo, CuI y AgI) puede mejorar la cobertura de la superficie de la capa de perovskita tapado, que conduce a una tensión de circuito abierto más alta para el dispositivo.
La principal ventaja de este método es el paso de dopaje, donde incorporamos cationes monovalentes en la estructura CH 3 NH 3 PBI 3 para mejorar la densidad de cargas, el transporte de carga, y la conductividad de la capa de absorbedor. Como se ha indicado en el apartado anterior, los dopantes antes mencionados mejora de forma significativa tanto el electrón y las movilidades de los orificios. Además, una notable disminución en la energía de activación de transporte de carga, así como en el trastorno energética de los perovskipelícula te, se logró mediante el dopaje catión monovalente.
En este trabajo, hemos demostrado un método para dopar CH 3 NH 3 3 PBI como una capa absorbente en el mesoscopic perovskita estructura de célula solar. Haluros de catión monovalente se utilizan para ajustar las propiedades morfológicas, ópticos, eléctricos y de CH 3 NH 3 PBI 3 película de perovskita con el fin de mejorar el rendimiento fotovoltaico. Por lo tanto, incorporamos tres cationes monovalentes diferentes (es decir, Na +, Cu +, y Ag +), que tienen radios iónicos similares a Pb 2+, en la fuente de plomo en el secuencial deposición en dos etapas de CH 3 NH 3 PBI 3 . Como resultado, una notable mejora en las propiedades estructurales y optoelectrónicos de CH 3 NH 3 PBI 3 se produjo en presencia de estos aditivos, que conduce a PCE más altos para las células solares fabricadas. Por lo tanto, nuestro trabajo highlights una manera fácil de dopaje el CH 3 NH 3 PBI 3 como una capa absorbente, que puede ser utilizado en todas las otras configuraciones de células solares de perovskita (por ejemplo, la arquitectura plana) con el fin de mejorar aún más la calidad electrónica de películas delgadas de perovskita.
Los datos subyacentes este documento están disponibles en: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi gracias Nava Technology Limited para una beca de doctorado. MI Dar y M.Grätzel agradecen al Rey Abdulaziz Ciudad de la Ciencia y la Tecnología (KACST) y la Fundación Nacional de Ciencia de Suiza (FNS) de apoyo financiero. Los autores desean agradecer al Dr. Pierre Mettraux en el híbrido molecular y caracterización de materiales Center, EPFL para llevar a cabo las mediciones XPS. A.Sadhanala agradece el apoyo financiero del proyecto indo-Reino Unido APEX. SP Senanayak reconoce la Real Sociedad de Londres para la beca de Newton. RH amigo, M. Abdi-Jalebi, y A. Sadhanala desean reconocer el apoyo de la 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% |