Perovskite Hibrida Uap-Grown Berurutan untuk Sel Surya Heterojunction Planar
Abstrak
Rute fabrikasi lapisan perovskit berkualitas tinggi dan dapat direproduksi sangat penting untuk penerapan sel surya planar yang efisien. Di sini, kami memperkenalkan rute pemrosesan uap berurutan berdasarkan penguapan vakum fisik dari PbCl2 lapisan diikuti oleh reaksi kimia dengan uap metil-amonium iodida. Lapisan perovskit yang tumbuh dengan uap yang ditunjukkan menunjukkan struktur mikro yang kompak, bebas lubang jarum, dan seragam dengan ukuran butir rata-rata ~ 320 nm. Sel surya perovskit heterojungsi planar dibuat menggunakan TiO2 dan spiro-OMeTAD mengangkut lapisan muatan secara n . biasa -i -p membentuk. Perangkat menunjukkan efisiensi terbaik 11,5% dengan deviasi kecil yang menunjukkan keseragaman dan reproduktifitas tinggi dari lapisan perovskit yang dibentuk oleh rute ini.
Latar Belakang
Bahan perovskit hibrida adalah kandidat yang paling kompetitif sebagai penyerap cahaya era fotovoltaik generasi berikutnya dengan fitur uniknya termasuk penyerapan optik yang intens, celah pita langsung dan dapat disetel, mobilitas pembawa yang tinggi, panjang difusi muatan yang panjang, tingkat cacat yang dangkal dengan beberapa keadaan celah tengah , dan tunabilitas luas pada komposisinya menurut kerangka halida logam dan spesies organik yang disisipkan [1,2,3,4,5,6,7,8]. Mereka telah digunakan dalam dua jenis arsitektur seperti struktur nano mesoscopic dan struktur planar sederhana. Persiapan lapisan perovskit bebas lubang jarum berkualitas tinggi untuk arsitektur planar yang disederhanakan membutuhkan upaya besar. Berbagai metode telah digunakan untuk membuat lapisan perovskite, seperti anti-solvent dripping, sequential dip coating, dual-source vacuum evaporation, dan vapor-assisted growth [9,10,11,12,13,14,15,16]. Deposisi vakum menghadirkan pembentukan lapisan yang sangat seragam di seluruh area substrat, dengan kemampuan kontrol ketebalan. Lebih lanjut, kristalisasi dengan bantuan uap diketahui mampu menghasilkan struktur mikro yang padat melalui kecepatan reaksi kimia yang terkontrol melalui difusi bahan organik [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26].
Di sini, kami melaporkan rute pemrosesan uap berurutan baru oleh CH3 NH3 I (MAI)-difusi uap ke PbCl yang didepositkan secara vakum2 lapisan, menghasilkan lapisan perovskit yang tertutup sepenuhnya dan sangat seragam. Planar n -i -p sel surya perovskit heterojungsi berhasil didemonstrasikan dengan menggunakan TiO2 dan 2,2′,7,7′-tetrakis-(n,n-di-4-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) lapisan pembawa muatan. Sel juara mencapai efisiensi konversi daya (PCE) hingga 11,5%. Hasil kami menunjukkan bahwa rute ini layak untuk membuat lapisan perovskit yang seragam dan dapat direproduksi dengan cara yang terkontrol.
Metode/Prosedur Eksperimental
Fabrikasi Perangkat
Perangkat dibuat pada substrat kaca berlapis oksida timah (FTO). Substrat dibersihkan secara berurutan dalam rendaman ultrasonik dengan aseton, metanol, isopropanol, dan air deionisasi dan kemudian diekspos ke ultraviolet-ozon selama 15 menit. Untuk lapisan transpor elektron, 450 dan 600 mM titanium diisopropoxidebis(acetylacetonate) dalam n-butanol (75 berat dalam isopropanol) dilapisi ganda pada 2500 rpm selama 20 detik dan dianil pada 500 °C selama 30 menit di udara untuk membentuk TiO kompak 2 lapisan. TiO2 Substrat berlapis ditempatkan dalam ruang vakum, dan PbCl2 diuapkan hingga kecepatan 1 Å/s selama ~ 16 menit pada suhu kamar. Perlakuan uap metil-amonium iodida (MAI) dilakukan dalam oven vakum pengeringan menggunakan serbuk MAI yang disebarkan di sekitar PbCl2 -lapisan substrat Selanjutnya, sampel hitam yang telah disiapkan dicuci dengan isopropanol untuk menghilangkan residu MAI dan kemudian dianil pada 100 °C selama 1 jam. Untuk lapisan transpor lubang, larutan prekursor dibuat dengan mencampur spiro-OMeTAD dalam klorobenzena dengan tert-butilpiridin dan garam lithium bis(trifluoromethylsyfonyl)imide dalam asetonitril. Solusinya dilapisi spin pada 4000 rpm selama 40 detik, dan kemudian sampel yang dilapisi disimpan di udara semalaman untuk oksidasi. Terakhir, fabrikasi perangkat diselesaikan dengan penguapan termal elektroda Au.
Karakterisasi
Struktur kristal dianalisis dengan difraksi sinar-X (XRD, Ultima IV:RIGAKU), dan morfologi lapisan perovskit diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM, S-4300:HITACHI). Data absorbansi optik diperoleh dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis (UV-1601PC:Shimadzu). Kerapatan arus foto-tegangan (J -V ) kurva perangkat sel surya perovskit direkam dengan simulator surya (94021A:Newport) pada AM 1.5G (100 mW/cm
2
) penyinaran. Selama pengukuran, perangkat sel surya ditutupi dengan area aperture 0,09 cm
2
.
Hasil dan Diskusi
Rute baru menggunakan pemrosesan uap berurutan menawarkan formasi yang dapat direproduksi dari lapisan perovskit kristal padat yang bebas lubang jarum. Gambar 1a mengilustrasikan secara singkat proses fabrikasi lapisan perovskit berkualitas tinggi. Pertama, PbCl2 diuapkan dalam ruang vakum menggunakan sel efusi pada TiO2 /FTO/substrat kaca, menghasilkan lapisan homogen yang dapat direproduksi di seluruh area substrat. Selanjutnya, laju deposisi yang terdefinisi dengan baik melalui deposisi vakum membuat kontrol ketebalan PbCl2 dan lapisan perovskit yang dihasilkan mudah, dibandingkan dengan pemrosesan cair. PbCl yang diperoleh homogen dan transparan2 sampel dipindahkan ke cawan petri kaca sementara sisi yang dilapisi menghadap ke atas. Untuk penguapan MAI, bubuk MAI menyebar di sekitar PbCl2 - substrat berlapis, dan setiap cawan petri ditutup rapat dengan tutup kaca lain di bagian atas memastikan ruang yang tertutup dengan baik. Dalam oven vakum, berbagai suhu dan periode dipantau untuk mengetahui kondisi terbaik untuk pembentukan perovskit. Karena proses ini ditampilkan dalam difusi dan reaksi MAI serta penguapannya, kondisi moderat disukai untuk pembentukan perovskit kristalinitas tinggi yang dapat direproduksi. Akhirnya, post-annealing dilakukan untuk meningkatkan kristalinitas melalui reaksi yang cukup dari komponen yang tidak bereaksi. Gambar 1b menunjukkan spektrum serapan optik PbCl2 dan sampel perovskit dengan foto sampel yang representatif. Lapisan homogen berwarna coklat tua dengan tepi serapan yang diharapkan sekitar 785 nm menunjukkan keberhasilan kristalisasi perovskit melalui rute ini. Selain itu, nilai celah pita yang diperkirakan dari plot Tauc (File tambahan 1:Gambar S1) ditemukan sekitar 1,58 eV yang sesuai dengan literatur [27, 28].
a Ilustrasi skema proses fabrikasi, melalui PbCl2 penguapan, penguapan MAI dan difusi, dan pasca-anil. b Spektrum serapan UV-Vis dari PbCl2 dan lapisan perovskit. Foto sampel yang sesuai diberikan di sisipan
Pertama, pengaruh suhu proses MAI pada pembentukan perovskit secara kasar diselidiki menggunakan spektrum serapan. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2, 150 °C adalah kondisi optimum dengan tepi serapan perovskit yang jernih, yang mungkin disebabkan oleh optimasi antara penguapan MAI dan reaksi pembentukan perovskit. Setelah itu, penyelidikan lebih rinci seperti periode proses MAI dan eksekusi pasca-anil dilakukan, dan analisis XRD dilakukan untuk memahami evolusi pertumbuhan kristal (Gbr. 2). Semua sampel menunjukkan puncak difraksi perovskit karakteristik yang dikaitkan dengan struktur kristal tetragonal, dan intensitas yang relatif kuat ke arah [001] dan [110] memverifikasi bahwa orientasi kristal yang sangat selaras diperoleh [29,30,31]. Meskipun intensitas difraksi fase kedua sangat kecil, urutan transformasi fase dapat dipahami dari kecenderungannya sesuai dengan energi panas yang diterapkan. Ketika periode penguapan MAI dipertahankan hanya selama 2 jam tanpa anil, beberapa puncak muncul antara 11° dan 12°. Studi sebelumnya melaporkan puncak ini terkait dengan H2 Kompleks perovskit yang tergabung dengan O ((CH3 NH3 )4 PbI6 ·2H2 O) yang dapat terbentuk karena kelembaban dan MAI berlebih [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42]. Dengan menerapkan perlakuan pasca-annealing (pada 100 °C selama 1 jam), puncak ini memberikan tempat pada PbI2 puncak, karena pelepasan uap air dan/atau MAI [32, 43, 44]. Saat meningkatkan periode penguapan MAI menjadi 4 jam dengan langkah pasca-annealing, konversi penuh dari PbCl2 ke perovskite diperoleh.
Data XRD dari film tipis perovskit, menurut waktu pemrosesan MAI dan eksekusi pasca-anil. Indeks bidang perovskit ditetapkan, dan puncak untuk kompleks perovskit, PbI2 , dan FTO juga dilambangkan sebagai , *, dan #, masing-masing
Pembuatan perovskit tanpa lubang jarum sangat penting untuk sel surya planar yang efisien. Rute kami yang memanfaatkan deposisi vakum fisik menghasilkan perovskit yang kompak dan seragam di atas area substrat penuh secara reproduktif. Penyelidikan morfologi dan struktur mikro lapisan perovskit dilakukan dengan analisis SEM. Karakteristik permukaan yang bebas lubang jarum, seragam, dan homogen terungkap dengan gambar SEM perbesaran rendah (Gbr. 3a). Butir yang dikemas rapat dengan cakupan lengkap juga terlihat dalam mode pembesaran tinggi (Gbr. 3b). Ukuran butir rata-rata diekstraksi sebagai ~ 320 nm menggunakan kecocokan Gaussian dari histogram seperti yang diberikan pada Gambar. 3c. Tampilan penampang pada Gbr. 3d dengan jelas mencerminkan morfologi lapisan perovskit yang berbeda dan terus berkembang. Selain itu, ketebalan perovskit rata-rata (~ 220 nm) lebih kecil dari ukuran butir rata-rata, memastikan pengangkutan vertikal pembawa muatan melalui butir.
Analisis SEM dari lapisan perovskit setebal 220 nm. a Gambar perbesaran rendah. b Gambar pembesaran tinggi. c Histogram menunjukkan distribusi ukuran butir. d Tampilan penampang
Skema perangkat dari n-i-p . yang dibuat-buat -jenis sel surya perovskit heterojungsi planar diberikan bersama dengan perwakilan J-V kurva untuk lima ketebalan perovskit yang berbeda pada Gambar. 4a, b. Parameter fotovoltaik diekstraksi dari J-V kurva dirangkum dalam Tabel 1. Perlu diperhatikan bahwa pemrosesan uap kami memungkinkan kontrol ketebalan gratis melalui laju deposisi yang ditentukan dengan baik, sehingga memastikan pengoptimalan efisiensi perangkat dengan mudah. Sel yang dioptimalkan ternyata memiliki efisiensi rata-rata 11,2% dengan ketebalan perovskit 220 nm. Ketebalan optimal yang lebih kecil, dibandingkan dengan literatur yang menunjukkan efisiensi tinggi melalui proses larutan, menunjukkan bahwa kemampuan pengumpulan muatan perovskit kami harus lebih ditingkatkan. Penting untuk mengembangkan kualitas lapisan perovskit dengan rute pemrosesan uap untuk mengurangi rekombinasi pembawa. Standar deviasi dihitung dari tiga perangkat yang dibuat pada substrat yang sama untuk setiap kondisi. Meskipun jumlah sampel terbatas, penyimpangan kecil menunjukkan keseragaman yang sangat baik dari lapisan perovskit di seluruh area substrat dengan proses uap berurutan ini. Gambar 4c menyajikan analisis histeresis sebagai fungsi kecepatan pemindaian untuk perangkat perovskit setebal 220 nm. Ketergantungan laju pemindaian pada histeresis ditunjukkan dengan jelas. Pada kecepatan pemindaian rendah (300 mV/dtk), seperti yang diberikan dalam File tambahan 1:Gambar S3, histeresis menjadi dapat diabaikan dengan efisiensi rata-rata 7,5%. Untuk n -i -p struktur, histeresis yang menunjukkan PCE yang lebih tinggi pada pemindaian terbalik biasanya, menunjukkan bahwa pengumpulan pembawa (yaitu, transportasi dan / atau transfer pada antarmuka) lebih efisien dengan distribusi muatan kapasitif tertentu seperti muatan ruang dan muatan yang terperangkap. Di sisi lain, PCE kondisi mapan dipantau pada titik daya maksimum seperti yang diberikan pada Gambar. 4d. Nilai PCE dan kerapatan arus yang stabil diperoleh sebagai 7,5% dan 14 mA/cm
2
, masing-masing, yang sangat cocok dengan hasil pada Gambar. 4c.
a Skema perangkat. bJ -V kurva sel surya perovskit dengan berbagai ketebalan perovskit. 1000 mV/s dengan pemindaian terbalik. c Perubahan histeresis yang bergantung pada kecepatan pemindaian, ketebalan perovskit:220 nm. d Output stabil pada tegangan titik daya maksimum
Kesimpulan
Kami melaporkan rute fabrikasi baru melalui deposisi vakum fisik PbCl2 lapisan dan pertumbuhan perovskit berbantuan penguapan MAI berikut. Penyerapan optik dan spektrum XRD memverifikasi pembentukan lapisan perovskit yang sangat kristalin dan murni. Lapisan perovskit berkualitas tinggi, kompak, dan bebas lubang jarum dikonfirmasi dengan ukuran butir rata-rata ~ 320 nm. Sel surya perovskit heterojunction planar tipe reguler dibuat dengan menggunakan TiO2 dan spiro-OMeTAD masing-masing sebagai lapisan pengangkut elektron dan lubang. Sel juara menunjukkan efisiensi terbaik 11,5% dengan penyimpangan kecil, yang berarti reproduktifitas dan keseragaman yang baik dari lapisan perovskit yang dihasilkan oleh rute pemrosesan uap ini. Sebagai pekerjaan di masa depan, perlu untuk lebih mengembangkan kualitas lapisan perovskit dengan mengoptimalkan struktur perangkat untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi perilaku histeresis sambil mempertahankan manfaat rute sintetis.
