Her præsenterer vi en protokol til at justere egenskaberne for løsningsorienteret forarbejdet CH3 NH3 PBI 3 gennem indarbejdelse af monovalente kationer tilsætningsstoffer for at opnå højeffektive perovskit solceller.
Her udviser vi inkorporering af monovalent kation additiver i CH3 NH3 PBI 3 perovskit for at tilpasse den optiske, excitonic, og elektriske egenskaber. Muligheden for doping blev undersøgt ved tilsætning af monovalent kation halogenider med lignende ionisk radier til Pb 2+, herunder Cu +, Na +, og Ag +. Et skift i Fermi-niveau og en bemærkelsesværdig reduktion af sub-båndgab optisk absorption, sammen med en lavere energisk uorden i perovskit, blev opnået. En ordre-of-størrelsesorden forbedring i bulk hul mobilitet og en betydelig reduktion af aktivering transport energi i et additiv-baserede perovskit enhed blev opnået. Sammenløbet af de førnævnte forbedrede egenskaber i nærvær af disse kationer førte til en forøgelse i de fotovoltaiske parametre perovskit solcelle. En stigning på 70 mV i tomgangsspænding for AgI og en 2 mA / cm2 improvement i photocurrent tæthed for NaI- og CuBr-baserede solceller blev opnået i forhold til den uberørte enhed. Vores arbejde baner vejen for yderligere forbedringer i den optoelektroniske kvalitet CH3 NH3 PBI 3 perovskit og efterfølgende enheder. Det fremhæver en ny vej for undersøgelser om betydningen af tilsætningsmaterialer urenheder i krystallisering og styrer den elektroniske defekt tæthed i perovskit strukturer.
I øjeblikket er den dominerende del af verdens energibehov (dvs. 85%) forsynes ved forbrænding af olie, kul og naturgas, hvilket letter den globale opvarmning og har skadelige virkninger på miljøet 1. Derfor er udviklingen af CO 2 -neutrale energikilder er af afgørende interesse. Solceller (PV) er en ideel energiomsætning proces, der kan opfylde dette krav. Men omkostninger og effektivitet, som de vigtigste hindringer for den omfattende vedtagelse af PV teknologi, skal forbedres. Nye PV teknologier baseret på nye materialer, såsom perovskit solceller (PSC), har kombinationen af lavere omkostninger og større effektivitet. Dette opnås gennem anvendelse af billige materialer, som er let tilgængelige, samt gennem hurtig, Facile og lavenergi forarbejdningsmetoder sammenlignet med silicium-baserede modstykker 2, 3,Fire. En bemærkelsesværdig forbedring i magt virkningsgrad (PCE), fra 3,8% til over 22%, er blevet rapporteret for hybrid organisk-uorganisk Blyhalogenid perovskit siden sin første optræden i PV arkitektur 5, 6, 7, 8. Sådan en fremragende ydeevne hidrører fra den stærke lysabsorption med en ekstremt skarpt bånd-kant, den meget lave energiske lidelse, de svagt bundne excitoner der let dissocierer til frie bærere med store diffusion længder, og fotonen genanvendelse evne af hybrid organisk-uorganisk Blyhalogenid perovskit 9, 10, 11, 12. Disse materialer er kategoriseret i perovskit familie, som er krystalliseret fra organiske halogenid og metalhalogenidsalte at danne krystaller i ABX 3 </sub> Struktur, hvor X er en anion, og A og B er kationer af forskellige størrelser (A er større end B). Rapporterede kationer til A webstedet omfatter methylammonium (MA), formamidinium (FA), og cæsium (Cs); en kombination af disse kationer viser den højeste ydeevne 13, 14. Endvidere den vigtigste kandidat til den divalente kation i B site er bly, som kan erstattes af tin; bandgap held kan rødforskudt til over 1000 nm i en bly-tin blandet perovskit 15. Ligeledes har X-site ombordværende blevet omfattende undersøgt, hvor en blanding af iodid (I) og bromid (Br) blev indført som de vigtigste kandidater 16, 17. Derfor er det meget sandsynligt at manipulere de strukturelle, morfologiske og optoelektroniske egenskaber af perovskitter ved at ændre deres kemiske sammensætning.
På trods af at den forbedrede krylline kvalitet og den makroskopiske ensartethed perovskit film er vigtige parametre for at opnå effektive anordninger 18, virkningen af grænserne mellem de polykrystallinske domæner, oprindelsen og rolle elektroniske defekter i perovskit absorbenter, og den rolle, de charge indsamling lag på tab processer i perovskit solceller er endnu ikke godt forstået. Med hensyn til karakteren af elektroniske defekter i perovskitstrukturen er det blevet rapporteret, at mange af de fejl, som f.eks I eller Pb ledige stillinger, resultere i stater, der er meget tæt på eller inden for kontinuum af tilstande i ledningsforstyrrelser og valens bands, som kan have en negativ elektronisk indvirkning på de fotovoltaiske enheder 19. Desuden kan en stærk kovalent binding samspil mellem bly kationer og iodidanioner i perovskit plan føre til, at der findes iboende defekter (f.eks under-koordinerede Pb dimerer og jeg trimerer), som kan Create sites inden for band-kant, der fungerer som charge rekombinationscentre under drift af anordningen 20.
Her undersøger vi effekten af doping CH3 NH3 PBI 3 perovskit med monovalente kation halogenider, herunder Na +, Cu +, og Ag +, lavere valens metalioner end Pb 2+. Vi indarbejder derfor disse kationer ved tilsætning af en rationel del af deres halogenid-baserede salte (f.eks NaI, CuBr, Cul, og AgI) ind perovskit forstadie opløsning. Disse kationer har ionradier ligner Pb 2+, så substitutionel doping inden krystallen er sandsynligt. Vi har vist, at tilstedeværelsen af disse kationer kraftigt påvirker både morfologi og dækning af perovskit lag. Desuden har tilstedeværelsen af disse kationer (f.eks Na + og Ag +) blevet bekræftet ved røntgen fotoelektronspektroskopi (XPS), og en significant ændring i Fermi niveau af perovskit blev målt ved Kelvin probe force mikroskopi (KPFM). Ved at inkorporere disse kationer i sekventielt deponeret perovskit solceller, vi opnåede en forbedring i den fotovoltaiske effektiviteten af PSC (15,6% sammenlignet med 14%). Derfor er det meget vigtigt at forbedre de strukturelle og optoelektroniske egenskaber af absorber lag (f.eks perovskit) i solcelle arkitektur til at maksimere ladningen transport og til at passivere overfladen fælder for at nå den højeste PV ydeevne.
En typisk arkitektur mesoskopiske perovskit solceller blev anvendt i dette arbejde, hvor en række materialer var spin-coated mellem et ledende substrat og et termisk fordampet metal kontakt (figur 1). Det mesoporøse TiO 2 lag blev behandlet med TiCl4, hvilket er rapporteret at passivere overfladen fælder og forbedre grænsefladen mellem elektrontransportkæden lag og absorberen materiale 21, 22. Perovskit lag afsættes derefter ved anvendelse af en sekventiel to-trins deposition teknik. Den fulde konvertering af bly halogenid i perovskit i det andet trin er afgørende for at opnå den højeste lysabsorption 16, 17, og vi viste, at monovalente kation halogenlamper tilsætningsstoffer (f.eks Nai og CuBr) resultere i en komplet konvertering. Desuden fuldstændig dækning af det mesoporøse titaniumdioxid lag wi'te perovskit over-lag er afgørende for at eliminere potentiel rekombination mellem transport hul lag (f.eks Spiro OMETAD) og elektrontransportkæden lag (f.eks mesoporøse TiO 2) 23. Vi illustrerede, at tilsætning af monovalent kation halogenider (fx Cul og AGI) kan forbedre overfladen dækning af perovskit afsluttende lag, hvilket fører til en højere tomgangsspænding for enheden.
Den største fordel ved vores metode er doping trin, hvor vi indarbejdet monovalente kationer i CH3 NH3 PBI 3 struktur for at forbedre tætheden af afgifter, afgiften transport, og ledningsevnen af absorberen lag. Som nævnt i det foregående afsnit, de førnævnte dopingmidler væsentligt forbedret både elektronen og hullet mobilitet. Desuden er en bemærkelsesværdig nedgang i ladningstransport aktiveringsenergi, samt i den energiske sygdom i perovskite film, blev opnået ved monovalent kation doping.
I dette arbejde har vi vist en metode til at dope CH3 NH3 PBI 3 som en absorber lag i mesoskopisk perovskit solcelle struktur. Monovalent kation halogenider blev anvendt til at tune morfologiske, optiske og elektriske egenskaber af CH3 NH3 PBI 3 perovskit film for at øge det fotovoltaiske ydeevne. Derfor har vi indarbejdet tre forskellige monovalente kationer (dvs. Na +, Cu +, og Ag +), som har lignende ionisk radier til Pb 2+, i spidsen kilde i den sekventielle totrins aflejring af CH3 NH3 PBI 3 . Som et resultat, en bemærkelsesværdig forbedring i de strukturelle og optoelektroniske egenskaber af CH 3 NH 3 PBI 3 fandt sted i tilstedeværelsen af disse additiver, hvilket fører til højere PCES for de fabrikerede solceller. Derfor er vores arbejde highlights en let måde til at dotere CH3 NH3 PBI 3 som en absorber lag, som kan anvendes i alle andre konfigurationer af perovskit solceller (f.eks plane arkitektur) for yderligere at forbedre den elektroniske kvaliteten af perovskit tynde film.
De data, der ligger til grund dette papir findes på: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.
The authors have nothing to disclose.
M. Abdi-Jalebi tak Nava Technology Limited for et ph.d.-stipendium. MI Dar og M.Grätzel takker Kong Abdulaziz City for Videnskab og Teknologi (KACST) og den schweiziske National Science Foundation (SNSF) om økonomisk støtte. Forfatterne vil gerne takke Dr. Pierre Mettraux i Molekylær og Hybrid Materialekarakterisering Center, EPFL for at udføre de XPS målinger. A.Sadhanala taknemmelig økonomisk støtte fra Indo-UK APEX-projektet. SP Senanayak anerkender Royal Society London for Newton Fellowship. RH Friend, M. Abdi-Jalebi, og A. Sadhanala vil gerne anerkende den 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% |