Sel Surya Perovskit Planar Tinggi Efisiensi melalui Lapisan Perovskit Hibrid yang Tumbuh Secara Berurutan Vapor

Latar Belakang

Perovskit hibrid telah muncul sebagai bahan penyerap cahaya terdepan untuk fotovoltaik generasi berikutnya, berkat absorpsi optik yang intens, jarak band yang dapat diatur, mobilitas pembawa muatan yang tinggi, panjang difusi yang panjang, dan densitas cacat rendah. Mereka kompatibel dengan arsitektur perangkat mesoskopik dan planar. Namun, menciptakan lapisan perovskit kristal yang seragam dan bebas lubang pada substrat planar masih menjadi tantangan signifikan. Teknik pemrosesan basah konvensional seperti titik anti-pelarut, penapisan berurutan, dan evaporasi vacuum dua sumber sering mengalami kesulitan dengan seragamansi dan reproduktibilitas di area luas.

Deposisi vacuum menawarkan kontrol yang lebih baik atas ketebalan film dan seragamansi, sementara kristalisasi yang diadu vapor dapat menghasilkan mikrostruktur yang padat melalui difusi yang diatur dengan hati-hati dari prekursor organik. Berdasarkan keuntungan ini, kami memperkenalkan jalur pemrosesan vapor berurutan baru yang menggabungkan PbCl₂ yang disetorkan vacuum dengan difusi vapor MAI, menghasilkan lapisan perovskit yang tertutup sepenuhnya dan sangat seragam yang cocok untuk sel surya planar n-i-p. Perangkat yang difabrikasi dengan lapisan transportasi muatan TiO₂ dan spiro-OMeTAD mencapai efisiensi konversi daya (PCE) hingga 11,5%, yang menekankan kelayakan jalur ini untuk produksi sel surya perovskit yang scalable dan dapat direproduksi.

Metode/Prosedur Eksperimen

Pembuatan Perangkat

Semua perangkat dirakit pada kaca fluorine-doped tin oxide (FTO). Substrat dibersihkan secara berurutan dalam mandi ultrasonik dengan aseton, metanol, propanol, dan air deion, diikuti oleh paparan UV-ozon selama 15 menit. Lapisan transportasi elektron TiO₂ disetorkan dengan spin-coating larutan titanium diisopropoxidebis(acetylacetonate) 450 mM dan 600 mM (75 wt % dalam propanol) pada 2500 rpm selama 20 detik, kemudian dianil pada 500 °C selama 30 menit dalam udara untuk menghasilkan film TiO₂ padat.

Setelah penyetoran TiO₂, substrat ditempatkan dalam ruang vakum tinggi dan flux PbCl₂ 1 Å/s dievaporasi selama ~16 menit pada suhu ruangan, membentuk lapisan PbCl₂ yang seragam. Substrat yang dilapis kemudian ditempatkan dalam Petri dish kaca yang ditutup dengan bubuk MAI di sekitarnya. Dalam oven vakum, sistem dipanaskan menjadi 150 °C selama 2–4 jam, yang memungkinkan vapor MAI untuk menserap dan bereaksi dengan lapisan PbCl₂, mengonversinya menjadi perovskit CH₃NH₃I₃. Setelah paparan MAI, film dicuci dengan propanol untuk menghilangkan MAI berlebih dan dianil pada 100 °C selama 1 jam untuk menyelesaikan kristalisasi.

Untuk lapisan transportasi lubang, larutan spiro-OMeTAD disiapkan dengan melarutkan spiro-OMeTAD dalam klorobenzena dan menambahkan tert-butilpiridin dan lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) dalam asetonitril. Campuran ini di-spin-coated pada 4000 rpm selama 40 detik kemudian dibiarkan oksidasi selama satu malam di udara ambient. Terakhir, elektroda emas dievaporasi secara termal untuk menyelesaikan tumpukan perangkat n-i-p.

Karakterisasi

Struktur kristal diperiksa dengan difraksi sinar-X (XRD, Rigaku Ultima IV). Morfologi dan mikrostruktur divisualkan menggunakan mikroskop elektron pemindah emissi lapangan (FE-SEM, Hitachi S-4300). Spektra absorpsi optik direkam dengan spektrofotometer UV-Vis (Shimadzu UV-1601PC). Kinerja fotovoltaik (kurva J–V) diukur di bawah iluminasi AM 1.5 G (100 mW cm⁻²) menggunakan simulator surya Newport 94021A, dengan lubang 0,09 cm².

Hasil dan Pembahasan

Pendekatan pemrosesan vapor berurutan menghasilkan film perovskit padat, terpadat, dan bebas lubang di seluruh substrat. Gambar 1a mengilustrasikan pembuatan bertahap: evaporasi PbCl₂ vacuum, vaporisasi/difusi MAI, dan anilin akhir. Film PbCl₂ transparan dan homogen, sementara lapisan perovskit akhir berwarna coklat gelap dengan tepi absorpsi yang jelas di dekat 785 nm, yang mengonfirmasi kristalisasi lengkap.

a Skema pembuatan: evaporasi PbCl₂ → vaporisasi/difusi MAI → anilin pasca. b Spektra UV-Vis lapisan PbCl₂ dan perovskit (inset foto).

Optimasi suhu mengungkapkan 150 °C sebagai suhu pemrosesan MAI optimal, menyeimbangkan vaporisasi MAI dan kristalisasi perovskit. Pola XRD (Gambar 2) menunjukkan kemunculan puncak perovskit karakteristik pada 2θ ≈ 14°, 28°, dan 31°, yang sesuai dengan fase tetragonal. Puncak minor pada 11°–12° yang diamati setelah paparan MAI 2 jam (tanpa anilin) menunjukkan kompleks sementara yang menyisipkan H₂O; puncak ini hilang setelah anilin 100 °C, digantikan oleh refleksi PbI₂, yang mengonfirmasi konversi lengkap ke CH₃NH₃I₃. Memperpanjang paparan vapor MAI hingga 4 jam dengan anilin menghasilkan transformasi perovskit lengkap.

XRD film perovskit setelah waktu paparan MAI yang bervariasi dan anilin. Puncak diberi label untuk perovskit (δ), PbI₂ (*), dan FTO (#).

Citra SEM mengonfirmasi morfologi seragam dan bebas lubang (Gambar 3). Citra penguatan rendah menunjukkan cakupan permukaan lengkap, sementara citra penguatan tinggi mengungkapkan biji yang padat. Analisis distribusi ukuran biji menghasilkan ukuran biji rata-rata ~320 nm (Gambar 3c). Tampilan penampang lintang (Gambar 3d) menunjukkan ketebalan film ~220 nm, sedikit lebih tipis dari ukuran biji, yang mempromosikan transportasi pembawa muatan vertikal.

SEM lapisan perovskit 220 nm: a penguatan rendah, b penguatan tinggi, c histogram ukuran biji, d penampang lintang.

Kinerja perangkat berkaitan erat dengan ketebalan perovskit (Gambar 4a,b). Film 220 nm yang dioptimalkan memberikan PCE rata-rata 11,2 % (Tabel 1). Deviasi standar yang kecil di antara tiga perangkat menunjukkan seragamansi yang baik yang disediakan oleh jalur vapor. Perilaku histeresis dikarakterisasi di berbagai laju skan; pada 300 mV s⁻¹, histeresis bisa diabaikan dan PCE rata-rata 7,5 %. Untuk konfigurasi n-i-p, efisiensi scan mundur yang lebih tinggi mencerminkan penampungan pembawa muatan yang efisien yang diacu oleh akumulasi muatan antarmuka. Pengukuran steady-state pada titik daya maksimum menghasilkan PCE terstabil 7,5 % dan Jsc sebesar 14 mA cm⁻², yang cocok dengan data J–V dinamis.

a Tumpukan perangkat. b Kurva J–V untuk berbagai ketebalan perovskit (1000 mV s⁻¹, mundur). c Histeresis bergantung pada laju skan (220 nm). d Output stabil pada titik daya maksimum.

Kesimpulan

Kami telah mendemonstrasikan metode pemrosesan vapor berurutan yang kuat yang mentransformasi PbCl₂ yang disetorkan vacuum menjadi lapisan perovskit CH₃NH₃I₃ berkualitas tinggi, bebas lubang, dengan biji ~320 nm. Data XRD dan optik mengonfirmasi kemurnian fase dan kristalin, sementara SEM memverifikasi mikrostruktur seragam. Ketika diintegrasikan ke dalam heterojuncsi planar n-i-p dengan TiO₂ dan spiro-OMeTAD, perangkat mencapai efisiensi catatan 11,5 % dengan variabilitas minimal, yang menyoroti reproduktibilitas film tumbuh vapor. Pekerjaan masa depan akan berfokus pada penyempurnaan morfologi perovskit dan rekayasa antarmuka untuk mendorong efisiensi lebih tinggi dan menekan histeresis sambil mempertahankan keuntungan skalabilitas dari jalur sintesis ini.