Sel Surya Perovskite Berdasarkan Film FA0.1MA0.9PbI3 Ringkas dan Halus dengan Efisiensi Melebihi 22%

Hasil dan Diskusi

Struktur perangkat yang digunakan dari PSC dalam pekerjaan ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1, di mana SnO₂ digunakan sebagai lapisan transport elektron (ETL), Spiro-OMeTAD sebagai lapisan transport lubang (HTL), dan emas (Au) sebagai anoda. Lapisan perovskit standar dan yang dimodifikasi diendapkan pada elektroda transparan indium tin oxide (ITO) sebagai lapisan penyerap dengan metode rekayasa pelarut satu langkah konvensional.

Struktur skema sel surya perovskit

Pemindaian mikroskop elektron (SEM) digunakan untuk menyelidiki morfologi film perovskit. Film disiapkan dengan MAPbI yang murni₃ menunjukkan rasio batas butir yang lebih tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Lubang kecil bersama dengan banyak batas butir dalam film perovskit mempromosikan rekombinasi non-radiatif dan mengurangi efisiensi perangkat PSC. Sebaliknya, film perovskit yang homogen dan bebas lubang jarum dicapai karena penggabungan kation FA ke dalam MAPbI murni₃ (FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ ) film, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Ini menyajikan struktur padat dengan pembesaran kecil dalam ukuran butir dan batas butir jauh lebih sedikit. Morfologi film yang kompak dan halus dengan ukuran butir yang besar akan meminimalkan status perangkap dan cacat pada film perovskit.

Gambar SEM tampilan atas MAPbI₃ (a ) dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ (b ). Photoluminescence (PL) spektrum perovskit standar dan dimodifikasi pada substrat kaca. c Spektrum time-resolved photoluminescence (TRPL) dari film perovskit standar dan yang dimodifikasi (d )

Spektrum fotoluminesensi (PL) kondisi tunak dari kedua MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film perovskite ditunjukkan pada Gambar. 2c. Seperti yang diharapkan, pergeseran merah yang signifikan di puncak emisi diperhatikan. Selain itu, penyempitan puncak juga diamati. Pergeseran signifikan ini disebabkan oleh pengenalan FA ke MA dalam kisi perovskit. Selanjutnya, intensitas PL juga meningkat sampai batas tertentu dengan penambahan kation FA, yang menunjukkan penurunan keadaan perangkap dan sebagai imbalannya memberikan FA kristalin tinggi_0,1 MA_0,9 PbI₃ film.

Untuk memahami lebih lanjut tentang penurunan keadaan perangkap dari lapisan perovskit yang dimodifikasi dibandingkan dengan perangkat standar, photoluminescence (TRPL) yang diselesaikan dengan waktu dilakukan pada film perovskit berdasarkan masing-masing bahan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Karena lapisan perovskit diendapkan pada substrat kaca tanpa lapisan transpor, maka diharapkan rekombinasi pembawa hanya mewakili transportasi muatan antar lapisan (yaitu, rekombinasi non-radiatif), yang akan menunjukkan masa pakai pembawa yang lebih lama dan rekombinasi antar lapisan yang lebih lambat dengan penggabungan FA di MAPbI₃ [25, 26]. Dua komponen waktu dapat diperoleh untuk menghitung masa pakai rekombinasi pembawa dari film perovskit yang disiapkan dari setiap jenis dengan menyesuaikan kurva TRPL dengan fungsi waktu bi-eksponensial (t ):

dimana τ ₁ dan τ ₂ dalam Persamaan. 1 mewakili konstanta waktu peluruhan cepat dan peluruhan lambat, masing-masing [27]. Peluruhan cepat τ ₁ komponen mewakili rekombinasi permukaan, sedangkan komponen peluruhan lambat terkait dengan rekombinasi yang terjadi di sebagian besar struktur perovskit. Semua parameter TRPL yang dipasang untuk sampel perovskit standar dan yang dimodifikasi dirangkum dalam tabel S1, dan rata-rata masa pakai rekombinasi (τ _ave ) dari kedua lapisan perovskit dihitung kira-kira dari data kurva yang dipasang sesuai dengan rumus yang ditunjukkan dalam informasi tambahan. Misalnya, dibandingkan dengan film perovskit standar dengan waktu peluruhan seumur hidup rata-rata 24,61 ns, FAMAPbI₃ (10%) film menunjukkan masa pakai rata-rata pembawa yang jauh lebih lama yaitu 49,92 ns, yang menunjukkan penekanan rekombinasi non-radiasi dalam PSC yang dimodifikasi.

Difraksi sinar-X (XRD) digunakan untuk menyelidiki kristalinitas film perovskit. Gambar 3a menunjukkan puncak difraksi utama film perovskit pada 2θ 14,24° menunjukkan orientasi yang lebih disukai dengan intensitas yang lebih tinggi, di mana penggabungan kecil FA ke dalam MAPbI standar₃ film perovskite memungkinkan intensitas difraksi lebih kuat, menunjukkan kristalinitas yang lebih tinggi. Selanjutnya, puncak difraksi dari lapisan perovskit yang dimodifikasi bergeser ke arah sudut kecil. Puncak menonjol bergeser dari 14,61° dan 28,84° ke 14,24° dan 28,49°, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, c. Karena ukuran kation FA lebih besar dari kation MA, ukuran kisi meningkat dengan penggabungan ion FA, yang sesuai dengan persamaan Bragg (2d dosaθ =nλ ). Selain itu, pengenalan kation FA dengan MA juga menurunkan faktor toleransi dan memicu pembentukan fase perovskit kubik yang stabil. Perhatikan bahwa tergantung pada morfologi film dan kondisi pengendapan, menambahkan sejumlah kecil FA (0,1) juga dapat mendahului fase tetragonal. Lebar penuh dan setengah maksimum (FWHM) digunakan untuk memperkirakan ukuran butir dalam film perovskit. Di FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ , nilai FWHM dari puncak tertinggi adalah 0,133°, seperti yang ditunjukkan pada informasi tambahan Gambar. S1a b, yang memberikan bukti peningkatan ukuran butir dengan kristalinitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan MAPbI₃ film (FWHM 0,174°).

Pola XRD (a ) untuk MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film perovskit dan pola puncak XRD yang diperbesar pada 13-15° (b ) dan 27–29° (c )

Untuk mengkonfirmasi komposisi elemen setelah penggabungan kecil kation FA secara tepat, pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan pada lapisan perovskit standar dan yang dimodifikasi. Kehadiran FA ke dalam kation MA dapat dikonfirmasi oleh ikatan C-C yang teridentifikasi (284,8 eV) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, c. Selanjutnya, ikatan yang muncul antara C–N (401.3 eV) dan C=N (400.10 eV) berasal dari kation FA yang tergabung yang dapat diamati dengan jelas pada spektrum N1s FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ perovskite [27] seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Untuk analisis lebih lanjut dari komposisi elemen, spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) dilakukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar S2 a &b. Kita jelas bisa menyamakan komposisi kimianya; integrasi puncak unsur menunjukkan rasio atom terkuantifikasi % dari C ke N terhadap Pb 44.75(2.3):22.73(1.1):19.34(1) untuk MAPbI₃ dan 47.71 (2.3):27.34 (1.3):20.15 (1) untuk FA_0.1 MA0.9PbI₃ perovskit [28].

Pengukuran XPS untuk elemen MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film perovskit. Karbon (a , c ). Nitrogen (b , d )

Teknik mikroskopi kekuatan probe Kelvin (KPFM) digunakan untuk menganalisis lebih lanjut film perovskit, yang mengukur perbedaan potensial kontak (CPD) antara ujung dan permukaan sampel di bawah [14, 23]. Kekasaran permukaan sangat menurun dari 20.488 menjadi 4.778 nm dengan penggabungan FA ke MAPbI₃ perovskite, seperti yang ditunjukkan oleh gambar topografi pada Gambar. 5a, d. Ini lebih lanjut mengungkapkan morfologi film perovskit yang kompak dan halus dengan doping FA. Morfologi permukaan film perovskit standar dan yang dimodifikasi dalam tiga dimensi (3D) masing-masing ditunjukkan pada Gambar 5b dan e. Gambar potensial permukaan ditunjukkan pada Gambar. 5c, f, dan gambar 3D ditunjukkan pada informasi tambahan Gambar. S3 (b &c). Jelas bahwa FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film menunjukkan distribusi potensi yang lebih homogen daripada MAPbI₃ film, menunjukkan lebih sedikit cacat permukaan pada permukaan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film. Sementara itu, FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film menunjukkan potensi permukaan yang lebih tinggi pada batas butir daripada film perovskit standar, yang akan menurunkan kemungkinan perangkap dan rekombinasi pembawa minoritas dan menetapkan jalur saat ini bagi pembawa minoritas untuk mencapai kontak selektif yang sesuai. Di sini, ini akan meningkatkan kinerja keseluruhan PSC menuju transportasi muatan yang lebih baik dengan rekombinasi yang ditekan.

Gambar topografi (a , d ), gambar topografi 3D (b , e ), dan gambar potensial permukaan (c , f ) dari MAPbI₃ film dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film

Gambar SEM penampang MAPbI₃ film dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film ditunjukkan pada Gambar. 6a, b. Film perovskit ini dibuat di atas SnO₂ ETL. Dapat dilihat dengan jelas bahwa antarmuka ETL/perovskit sangat meningkat dengan penggabungan FA dalam perovskit. Dapat juga dilihat bahwa FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film jauh lebih ringkas dan halus daripada MAPbI₃ film. Peningkatan ini mendukung ekstraksi pembawa yang efisien pada antarmuka. Spektrum serapan sinar ultraviolet (UV-Vis) diukur untuk menganalisis fitur penyerapan film perovskit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film menunjukkan intensitas penyerapan yang sedikit lebih tinggi daripada MAPbI₃ film. Nilai celah pita telah dihitung menggunakan spektrum plot Tauc yang ditunjukkan pada S4 a &S4b, yaitu 1,58 eV untuk MAPbI₃ dan 1,54 eV untuk FA_0,1 MA_0,9 PbI₃ , menunjukkan bahwa penggabungan kecil kation FAI ke dalam matriks kisi MAI mengurangi celah pita. Celah pita yang berkurang bermanfaat untuk mengembangkan sel surya perovskit dengan efisiensi tinggi.

Gambar penampang MAPbI₃ (a ) dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ (b ) film di atas ETL/ITO dan spektrum serapan (c ) dari film perovskit

PSC berdasarkan MAPbI₃ (PSC standar) dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ (PSC yang dimodifikasi) dibangun dengan struktur ITO/SnO₂ /perovskite/Spiro-OMeTAD/Au. Kurva kerapatan arus (J-V) ditunjukkan pada Gambar 7a, dan parameter fotovoltaik yang sesuai tercantum dalam Tabel 1. Jelas bahwa kerapatan arus hubung singkat (J_SC ) dari PSC yang dimodifikasi jelas lebih tinggi daripada PSC standar, yang mengarah ke peningkatan yang signifikan dalam efisiensi perangkat. PCE maksimum dari PSC yang dimodifikasi adalah 22,02% dengan tegangan rangkaian terbuka (V _OC ) dari 1,13 V, J _SC sebesar 25,87 mAcm ⁻² , dan faktor pengisian (FF) sebesar 0,75. Peningkatan luar biasa dalam J _SC dan PCE dari PSC yang dimodifikasi berdasarkan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ sangat menyiratkan peningkatan koleksi pembawa. Karena fitur permukaan FA yang ringkas dan halus_0.1 MA_0,9 PbI₃ film dengan ukuran butir besar dan kristalinitas yang lebih baik, ekstraksi muatan dan transportasi dimungkinkan dengan kerugian minimal yang disebabkan oleh proses rekombinasi. Oleh karena itu, J _SC sangat meningkat, dan, sementara itu, V _OC juga ditingkatkan. J . yang meningkat _SC juga sebagian disumbangkan oleh celah pita yang berkurang dan peningkatan penyerapan di FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film (seperti yang diungkapkan oleh fitur penyerapan yang ditunjukkan pada Gambar. 6c). Untuk mengeksplorasi lebih jauh pengaruh FA ke dalam MAPbI₃ , kami juga menggunakan rasio FA yang berbeda (5-20%), dan kinerja perangkat yang dihasilkan dari PSC yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. S5 dan Tabel S2. Penggabungan FA dalam perovskit dengan rasio molar dari 5 menjadi 20% meningkatkan J _SC dan PCE, mencapai efisiensi tinggi dari PSC yang dimodifikasi. Nilai kinerja perangkat terbaik diperoleh pada kondisi menggunakan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ .

Kurva J-V (a ), dV /dJ vs. (J _SC + J ) ⁻¹ plot dengan kurva pas linier (b ), dan ln (J _SC + J ) vs. (V R _S J ) plot dengan kurva pemasangan linier untuk PSC berdasarkan MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ (c )_. Spektrum EQE yang sesuai untuk perovskit yang dimodifikasi dibandingkan dengan PSC standar (d )

Untuk menyelidiki mekanisme yang mendasari kinerja perangkat yang sangat meningkat dengan penggabungan kecil FA, parameter resistansi seri (R _S ) dan kerapatan arus saturable terbalik (J ₀ ) telah ditandai [29, 30]. Karakteristik J-V dinyatakan oleh:

dimana J adalah arus yang mengalir melalui beban eksternal, J _ph adalah rapat arus foto yang dihasilkan oleh dioda, A adalah area perangkat, R _SH adalah hambatan shunt, m mengacu pada faktor idealitas pn juntion, K _β adalah konstanta Boltzman, dan T dan e adalah suhu dan muatan elektronik, masing-masing [31, 32]. Untuk kondisi ideal (R _SH cukup besar) [33, 34], Persamaan. 1 dapat ditulis sebagai:

R _S dapat diperoleh dari –dV /dJ vs (J _SC J ) ⁻¹ plot pada Gambar. 7b dengan kurva pas linier sesuai dengan Persamaan. 2, yaitu 4,8 Ω cm ² dan 2,3 Ω cm ² untuk PSC standar dengan MAPbI₃ dan PSC yang dimodifikasi dengan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ , masing-masing. Penurunan R . ini _S untuk PSC yang dimodifikasi menunjukkan transportasi pembawa yang lebih baik dan berkontribusi pada J . yang tinggi _SC . J ₀ ditentukan dari ln (J _SC + J ) vs. (V R _S J ) plot pada Gambar 7c adalah 1,43 × 10 ⁻² , dan 1,16 × 10 ⁻⁵ mAcm ⁻² untuk MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ PSC, masing-masing. J . yang lebih kecil ₀ menunjukkan rekombinasi yang lebih rendah, dan dengan demikian, V _OC PSC yang dimodifikasi ditingkatkan. Pengurangan rekombinasi dengan penggabungan FA juga sesuai dengan pengukuran KPFM. Selain itu, efisiensi kuantum eksternal crosssponding (EQE) telah dihitung, di mana respons foto luas dengan nilai tinggi diperoleh; kepadatan arus terintegrasi yang dihitung (J _SC ) adalah 24,88 mAcm ⁻² dan 20,25 mAcm ⁻² untuk perangkat standar dan modifikasi terbaik, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7d yang konsisten dengan J _SC nilai yang dihitung dari uji J-V.

Secara umum, EIS adalah alat yang cocok untuk menganalisis proses kelistrikan internal PSC. Di sini, EIS dilakukan sebagai fungsi tegangan. Data yang diperoleh dilengkapi dengan ZView menggunakan rangkaian ekivalen yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a. Resistensi rekombinasi (R rec) dari setiap sel surya perovskit dihitung dari diameter setengah lingkaran. Dapat dilihat dengan jelas bahwa R rek solar perovskit yang dimodifikasi meningkat dengan penggabungan kecil FA ke dalam MAPbI₃ yang menunjukkan penurunan signifikan dalam rekombinasi yang tidak diinginkan dan sebagai gantinya menurunkan kepadatan cacat PSC.

Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) Plot Nyquist untuk perovskit yang dimodifikasi dibandingkan dengan PSC standar (a ). PCE yang dinormalisasi vs. plot waktu dari PSC standar dan yang dimodifikasi (b )

Gambar 8b menunjukkan bahwa PSC yang dimodifikasi dengan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ mempertahankan nilai aslinya hingga 80% bahkan setelah 800 h, sedangkan PSC standar dengan MAPbI₃ hanya mempertahankan kurang dari 60% dari nilai aslinya. Peningkatan stabilitas PSC dengan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ berkorelasi dengan kualitas tinggi FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ film perovskit. Masalah stabilitas perangkat PSC juga dicirikan dalam interval waktu yang berbeda di bawah kondisi sekitar.

Untuk mengkonfirmasi pengulangan PSC, kinerja rata-rata dari kedua MAPbI₃ dan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ PSC rata-rata dari lebih dari 40 perangkat ditunjukkan pada Tabel 1, dan statistik parameter fotovoltaik ditunjukkan pada Gambar. 9a-d. Dapat dilihat bahwa di PSC dengan FA_0.1 MA_0,9 PbI₃ , kinerja rata-rata juga jelas lebih unggul dari PSC dengan MAPbI₃ dan menunjukkan reproduktifitas yang lebih baik.

Statistik V _OC , FF PCE, dan J _SC dari lebih dari 40 perangkat untuk setiap jenis PSC (a –d )