Sel Surya Perovskit CsPbI2Br Berkinerja Tinggi dengan Doping Seng dan Mangan
Abstrak
Performa fotovoltaik CsPbI2 Sel surya Br masih lebih rendah daripada sel surya perovskit anorganik-organik hibrida, dan para peneliti sedang mencari cara untuk meningkatkan efisiensinya. Karena stabilitas termalnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan perovskit anorganik-organik hibrida yang dipelajari secara umum, CsPbI semua-anorganik2 Br baru-baru ini menarik perhatian besar. Dengan memanfaatkan kombinasi MnCl2 dan ZnCl2 partikel doping untuk memodulasi pertumbuhan film, ditemukan bahwa MnCl2 dan ZnCl2 partikel menyusup ke dalam lubang CsPbI2 Kisi Br melalui prosedur pertumbuhan, yang mengarah pada penekanan nukleasi dan penurunan laju pertumbuhan. Kombinasi tersebut membantu untuk mencapai CsPbI yang lebih tinggi2 Butir kristal Br untuk peningkatan Jsc setinggi 15,66 mA cm
−2
dan FF sebesar 73,37%. Diindikasikan bahwa kombinasi spesifik ZnCl2 -MnCl2 doping secara mendasar dapat meningkatkan morfologi permukaan film, mengurangi kepadatan perangkap, dan menekan rekombinasi pembawa. Akibatnya, efisiensi konversi daya (PCE) meningkat secara signifikan dari 13,47 menjadi 14,15% dibandingkan dengan perangkat referensi tanpa doping.
Pengantar
Perovskit organik-anorganik hibrida telah menimbulkan kekhawatiran besar karena sifat elektronik dan optiknya yang sangat baik [1,2,3,4,5,6,7] seperti mobilitas tinggi dari pembawa muatan dan celah pita yang dapat disetel [8,9,10 ,11]. Khususnya, efisiensi konversi daya (PCE) sel surya hibrida organik-anorganik berbasis perovskit telah meningkat dari 3,8 menjadi 23,3% melalui pertukaran kation [12,13,14,15,16,17]. Masih ada tantangan untuk mengatasi semua kerusakan lingkungan [18]. Sampai saat ini sel surya cesium lead halide perovskite telah diteliti oleh banyak kalangan [19,20,21,22]. Celah pita besar CsPbBr3 sekitar 2,3 eV, yang terlalu besar untuk menyerap cahaya dengan panjang gelombang panjang [23, 24]. CsPbI3 memiliki celah pita rendah 1,73 eV, tetapi terdegradasi dengan cepat dari fase hitam ke fase kuning pada suhu sekitar [25, 26]. CsPbI2 Br perovskit menunjukkan celah pita yang diinginkan sebesar 1,91 eV dan stabil dalam fase hitam di udara sekitar [19, 20]. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran butir mikrokristalin merupakan faktor kunci untuk meningkatkan efisiensi sel surya. [27,28,29,30]. Tampaknya batas butir di permukaan film perovskit menekan rekombinasi muatan dalam keadaan perangkapnya [31]. Sementara itu, batas butir dapat memprovokasi keadaan eksternal di dekat tepi pita valensi yang akan menghambat penyebaran lubang [32]. Oleh karena itu, sebaiknya CsPbI2 Br memiliki ukuran partikel yang besar dan kerapatan muatan perangkap yang rendah [33]. Untuk tujuan ini, doping pengotor dieksplorasi secara ekstensif dengan memasukkan beberapa ion ke dalam kisi inang untuk memodulasi kinerja film [34]. Misalnya, dengan memasukkan kalium ke dalam CsPbI2 Gan, ini CsPbI yang besar2 Kristal Br dapat diperoleh untuk meningkatkan pembentukan pembawa muatan dan transportasi muatan yang lebih baik meningkatkan PCE [35]. Chu dkk. menggunakan KCl sebagai bahan aditif untuk mendapatkan MAPbI yang seragam dan padat3 film perovskite dengan nanocrystals ukuran butir besar [22]. Liu dkk. melaporkan bahwa penambahan Mn
2+
dengan jumlah tertentu secara signifikan dapat meningkatkan ukuran butir kristal dan mencapai kinerja sel surya yang unggul [36]. CsPbI anorganik2 Br baru-baru ini menarik perhatian besar karena stabilitas termalnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan perovskit anorganik-organik hibrida yang dipelajari secara umum. Dalam makalah tersebut, ditunjukkan bahwa kombinasi spesifik ZnCl2 -MnCl2 doping secara mendasar dapat meningkatkan morfologi permukaan film, mengurangi kepadatan perangkap, dan menekan rekombinasi pembawa. Akibatnya, PCE meningkat secara signifikan dari 13,47 menjadi 14,15% dibandingkan dengan perangkat referensi tanpa doping. Sejauh pengetahuan kami, PCE 14,15% adalah salah satu kinerja terbaik CsPbI2 Br sel surya perovskit.
Hasil dan Diskusi
Kami menyiapkan 1,0 M menggunakan larutan CsBr bersama-sama dengan PbI stoikiometrik yang sama2 dalam pelarut campuran DMF dan DMSO sebagai larutan prekursor. Melalui metode spin-coating satu langkah, film 350 nm (diukur dengan profilometer) diperoleh setelah dianil pada 150 °C. Untuk mempelajari efek aditif pada morfologi film dan kinerja perangkat, kami memasukkan konten ZnCl yang berbeda2 -MnCl2 Rasio molar (0%, 0,25%, dan 0,50%), ditandai dengan CsPbI2 Br-0%, CsPbI2 Br-0,25%, dan CsPbI2 Br-0,50%, masing-masing, ke dalam CsPbI2 Solusi prekursor Br.
Gambar 1a–c menunjukkan tampilan atas CsPbI2 Film Br dengan kadar ZnCl yang berbeda2 -MnCl2 . Dapat dilihat bahwa ketika kombinasi ZnCl2 -MnCl2 konten kurang dari 0,25%, CsPbI2 Film Br menjadi lebih seragam dan kompak dengan peningkatan ZnCl2 -MnCl2 isi. Selain itu, hampir tidak ada lubang pin di CsPbI2 Film Br-0,25%, menunjukkan bahwa kombinasi ZnCl2 -MnCl2 dopan mendukung morfologi permukaan film. Di CsPbI2 Br-0,50%, bagaimanapun, lubang pin kecil muncul di film, yang dapat membuat jalur derivasi dan menghasilkan kinerja perangkat yang lebih buruk.
Gambar SEM tampilan atas dari CsPbI2 Br-ZnCl2 -Mncl2 film. a CsPbI2 Br-0%. b CsPbI2 Br-0,25%. c CsPbI2 Br-0,50%
Gambar 2a menunjukkan pola XRD dari CsPbI2 Film Br didoping menggunakan ZnCl berbeda2 -MnCl2 konsentrasi. Ketebalan semua CsPbI2 Film Br dikontrol menjadi 350 nm. Gambar 2b menunjukkan wilayah yang diperbesar dari puncak (100). Terlihat bahwa puncak CsPbI2 Film Br-0,25% bergeser ke sudut yang lebih tinggi, menunjukkan bahwa konstanta kisi menurun. Analisis XPS dilakukan untuk mempelajari komposisi unsur dan keadaan kimia unsur-unsur dalam CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film. Gambar 2c–f menunjukkan spektrum XPS dari semua komponen dengan pengecualian ZnCl2 dan MnCl2 . Seperti terlihat pada Gambar. 2c, kisaran Cs 3d menentukan dua puncak pada 724,4 eV dan 739,8 eV, yang masing-masing dibagi ke Cs 3d 3/2 dan Cs 3d 5/2 dari kation Cs+. Gambar 2d–f menunjukkan bahwa puncak Pb 4f, I 3d, dan Br 3d bergeser ke energi ikat yang lebih tinggi, yang menunjukkan bahwa beberapa partikel Zn dan Mn dapat menggantikan atom Pb tertentu yang terletak di situs B perovskit, dan oleh karena itu, ikatan kimia antara halida dan timbal telah diubah karena ZnCl2 -MnCl2 doping [35]. Ini konsisten dengan analisis XRD di atas.
Pola difraksi sinar-X (XRD) (a ) dan wilayah yang diperbesar dari (100) puncak (b ) untuk CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film. Spektrum XPS dari CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film untuk Cs 3d (c ), Pb 4f (d ), saya 3d (e ), dan Br 3d (f )
J–V lightweight yang ringan kurva sel berdasarkan CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film ditunjukkan pada Gambar. 3a, dan parameter fotovoltaik yang relevan dicatat dalam Tabel 1. CsPbI2 Perangkat Br-0,25% menunjukkan PCE juara 14,15%, dengan Jsc dari 15,66 mA cm
−2
, Vok sebesar 1,23 eV, dan FF sebesar 73,37%, yang benar-benar lebih tinggi daripada CsPbI2 Perangkat Br-0%. Kami mengaitkan kemajuan ini dengan peningkatan kualitas film dan pengurangan cacat akibat ZnCl2 -MnCl2 doping Efisiensi kuantum eksternal (EQE) dilakukan untuk memverifikasi keakuratan Jsc diselesaikan dari J–V melengkung. Seperti yang terlihat pada Gambar. 3b, EQE dan J . yang saling berhubungan sc dari CsPbI2 Perangkat Br-0,25% lebih besar daripada CsPbI2 Perangkat Br-0%. J . yang saling berhubungan sc dari CsPbI2 Perangkat Br-0,25% adalah 15,66 mA cm
−2
, yang dekat dengan Jsc dari 14,86 mA cm
−2
dari J–V membengkokkan. Untuk meneliti sifat pertukaran muatan sel surya perovskit (PSC), spektroskopi impedansi elektrokimia spektrum EIS sepenuhnya diabstraksikan sebagai fungsi tegangan. Resistensi rekombinasi (Rrek ) diekstraksi dari diameter setengah lingkaran di plot Nyquist. Gambar 3c menunjukkan bahwa Rrek dari CsPbI2 Br-0% dan CsPbI2 Perangkat Br-0,25% masing-masing adalah 620 Ω dan 1016 Ω. R . yang jauh lebih besar rek untuk CsPbI2 Perangkat Br-0,25% berasal dari kepadatan cacat yang lebih rendah, yang menunjukkan bahwa rekombinasi muatan ditekan secara efektif, yang mengarah ke peningkatan V secara signifikan ok dan FF [37]. Gambar 3d menyajikan J–V . yang khas kurva perangkat dengan kinerja terukur terbaik. Menggunakan arah pemindaian maju dan mundur, parameter kunci diringkas dalam sisipan. Terlihat bahwa perangkat memiliki histeresis yang sangat sedikit, seperti yang ditunjukkan oleh J–V kurva.
Ringan J–V kurva sel surya berdasarkan CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film (a ). Spektrum EQE dan J . terintegrasi sc sel surya berdasarkan CsPbI2 Br-0,25% (merah) dan CsPbI2 Film Br-0% (hitam) (b ). Plot Nyquist (c ). J–V karakteristik di bawah arahan pemindaian mundur dan maju (d )
Terakhir, kami mempelajari stabilitas jangka panjang PSC sel surya perovskit berdasarkan CsPbI2 Film Br-0,25%. Perangkat disimpan di N2 kotak sarung tangan (20 °C dalam gelap). Gambar 4a menunjukkan J . yang dinormalisasi sc , Vok , FF, dan PCE sebagai fungsi dari waktu penyimpanan. Selama 3 hari pertama, Jsc , FF, dan PCE semuanya meningkat. Ini mungkin dikaitkan dengan oksidasi spiro-OMeTAD oleh jejak O2 (300–400 ppm) di dalam kotak sarung tangan. Setelah 30 hari, PCE mempertahankan 87% dari nilai awalnya dan Vok tetap hampir konstan. Kami berharap bahwa hasil ini akan membantu pengembangan perovskit cesium timbal halida untuk fotovoltaik generasi berikutnya. Histogram efisiensi konversi daya 30 perangkat ditunjukkan pada Gambar 4b, dengan statistik untuk parameter fotovoltaik. Gambar 4c menunjukkan stabilitas termal CsPbI2 Perangkat Br-0,25% diuji dengan memanaskan perangkat pada suhu 80 °C selama 150 min di dalam kotak sarung tangan, dan setelah pemanasan, PCE perangkat mempertahankan 96% dari nilai awalnya dan Vok tetap hampir konstan. Spektrum serapan sinar ultraviolet–tampak (UV–vis) dilakukan untuk mengamati karakteristik foto fisik CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film dibuat pada substrat kaca dengan ketebalan 70 nm. Gambar 4d menunjukkan spektrum serapan CsPbI2 Film Br-0,25%. Intensitas penyerapan hampir sama untuk semua CsPbI2 Br-ZnCl2 -MnCl2 film, dan onset penyerapan sekitar 600 nm. Hasil di atas menunjukkan bahwa sedikit ZnCl2 -MnCl2 doping hampir tidak mempengaruhi celah pita dan kapasitas penyerapan cahaya perovskit.
Normalisasi Vok , Jsc , FF, dan PCE untuk sel surya berdasarkan CsPbI2 Film Br-0,25% sebagai fungsi waktu penyimpanan (a ). Histogram nilai efisiensi konversi daya untuk 30 perangkat (b ). PCE yang dinormalisasi untuk sel surya berdasarkan CsPbI2 Film Br-0,25% sebagai fungsi waktu perlakuan termal (c ). Spektrum serapan (d )
Bagian Eksperimental
Bahan dan Metode
Material
SnO2 dibeli dari Alfa Aesar. CsBr, ZnCl2 , MnCl2 , (DMSO), dan (DMF) dibeli dari Sigma-Aldrich. spiro-OMeTAD dan PbI2 dibeli dari Xi'an Polymer Light Technology Corp.
Fabrikasi Perangkat
Awalnya, gelas ITO berturut-turut dibersihkan dengan menerapkan deterjen, alkohol isopropil, pelarut aseton sekitar 20 min, dan air deionisasi. Proses ini juga diikuti dengan menghilangkan zat-zat yang tertinggal dalam substrat melalui pemrosesan plasma oksigen kira-kira selama 10 menit. SnO2 diencerkan dalam air ultra murni dengan perbandingan volume 1:6. Pertama, substrat kaca dilapisi spin dengan SnO2 lapisan pada 3000 rpm selama 40 s, dan kemudian dianil pada 150 °C selama 30 min. Untuk menyiapkan prekursor perovskit, CsBr, PbI2 , ZnCl2 , dan MnCl2 dilarutkan secara stoikiometri dalam pelarut campuran DMSO dan DMF dengan rasio volume 1,4:1 untuk membentuk larutan 1,0 M. Solusinya disaring melalui filter PTFE pori 0,22-μm, dan kemudian diaduk pada 70 °C selama 2 jam. Larutan prekursor kemudian dilapisi spin pada SnO2 /ITO substrat pertama pada 1000 rpm dengan kecepatan 1000 rpm selama 12 s, setelah itu pada 5000 rpm dengan kecepatan 3000 rpm tidak lebih dari 30s. Kemudian, 100 μL klorobenzena (CB) didistilasi ke substrat yang berputar selama spin-coating tahap kedua dengan waktu 10 s sebelum akhir proses. Setelah itu, film pertama-tama dianil pada 50 °C selama 1 menit dan kemudian pada 150 °C selama 5 menit. Film HTL dibuat dengan spin-coating larutan spiro-OMeTAD ke CsPbI2 yang terbentuk. Film Br pada 4000 rpm dengan laju percepatan 3000 rpm selama 30 s. Larutan spiro-OMeTAD terdiri dari 72,3 mg Spiro-OMeTAD, 17,5 μL bis (trifluoro methane) sulfonamide lithium salt (Li-TFSI) larutan stok (520 mg Li-TFSI dalam 1 mL asetonitril), 28,8 μL 4-tertbutylpyridine, dan 1 mL klorobenzena. Pada akhirnya, film Au dengan ketebalan 80 nm diendapkan melalui penguapan termal.
Karakterisasi
Meter difraksi sinar-X Rigaku-2500 digunakan untuk mengukur pola difraksi sinar-X. Gambar SEM tampilan atas diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM, HITACH2100). Keithley 2420 digunakan untuk mengukur sel surya J–V karakteristik di bawah sinar matahari AM 1.5 pada penyinaran 100 mW cm
−2
disediakan oleh simulator surya (Newport, Oriel Sol3A Kelas AAA, 94043A). Intensitas cahaya diukur dengan sel referensi silikon monokristalin dengan jendela KG5 (Newport, Oriel 91150). Spektroskopi impedansi diukur dengan Zennium (Zahner). EQE direkam menggunakan Newport Oriel IQE-200 dengan sumber daya (lampu xenon Newport 300 W, 66920) dengan instrumen monokromatik (Newport Cornerstone 260). Luas perangkat adalah 0,044 cm
2
.
Kesimpulan
Singkatnya, kami mendapatkan CsPbI anorganik2 Sel surya Br dengan memasukkan ZnCl2 -MnCl2 ke dalam CsPbI2 larutan prekursor Br. Ketika ZnCl2 -MnCl2 konten mencapai 0,25%, perangkat menunjukkan PCE juara 14,15%, dengan FF 73,37%, Jsc dari 15,66 mA cm
−2
, dan Vok sebesar 1,23 eV. Kinerja fotovoltaik yang ditingkatkan dikaitkan dengan morfologi permukaan yang lebih baik, kepadatan perangkap yang berkurang, dan rekombinasi muatan yang ditekan. Karya ini dapat memandu penelitian mendasar dalam perovskit timbal halida Cesium dan mempromosikan aplikasi potensial mereka untuk sel surya.
Masukan Daftar Isi
Teknik rekayasa komposisi sederhana digunakan untuk meningkatkan kualitas film dan kinerja perangkat. Dengan memasukkan MnCl2 +ZnCl2 ke dalam CsPbI2 Br film, CsPbI2 Sel surya Br perovskite mencapai efisiensi luar biasa sebesar 14,15% dan stabilitas jangka panjang yang baik. Selain itu, proses fabrikasi sangat dapat direproduksi dan tidak mahal.
