Sel Surya Perovskite Dibuat dengan Menggunakan Aditif Kutub Aprotic Ramah Lingkungan dari 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a, b menunjukkan spektrum transmitansi FTIR dari pelarut DMF dan DMI murni dan hasil adisi Lewis yang sesuai. Vibrasi regangan ikatan C=O terletak pada 1670 dan 1697 cm ⁻¹ untuk pelarut DMF dan DMI, masing-masing. Saat membentuk aduk Lewis, puncak C=O turun secara terpisah ke 1658 dan 1668 cm ⁻¹ . Hal ini menunjukkan bahwa DMI dan DMF dapat berinteraksi dengan PbI₂ melalui ikatan datif Pb–O, yang secara terpisah membentuk adduksi Lewis dari PbI₂ DMI dan PbI₂ DMF [26, 27]. Gambar 1c menunjukkan kurva TGA dari PbI₂ bubuk dan hasil adisi Lewisnya dari PbI₂ DMI dan PbI₂ DMF. PbI₂ ·DMF terurai sempurna menjadi PbI₂ pada 120 °C, sedangkan PbI₂ ·DMI terurai sepenuhnya pada 200 °C. Hal ini menunjukkan bahwa PbI₂ ·DMI adduct lebih stabil daripada PbI₂ ·DMF karena interaksi molekul yang lebih kuat antara DMI dan PbI₂ . Oleh karena itu cenderung membentuk PbI₂ DMI ketika DMI ada di PbI₂ / larutan prekursor DMF. Gambar 1d menunjukkan kurva XRD dari hasil adisi Lewis dari PbI₂ DMI dan PbI₂ DMF, yang dibuat dari PbI₂ Solusi /DMF menambahkan dengan dan tanpa 10 vol% DMI. PbI₂ ·DMI memiliki dua karakteristik puncak difraksi pada 7.97° dan 9.21°, yang lebih kecil dari PbI₂ DMF (9,12° dan 9,72°).

a Transformasi Fourier spektrum transmitansi inframerah DMF dan PbI₂ DMF. b Transformasi Fourier spektrum transmisi inframerah DMI dan PbI₂ DMI. c Analisis gravimetri termal dari PbI₂ Aditif Lewis. d Kurva XRD dari hasil adisi Lewis dari PbI₂ DMI dan PbI₂ DMF

Ketika direndam dalam larutan MAI/2-propanol, adduksi Lewis dari PbI₂ DMI dikonversi menjadi perovskit melalui pertukaran molekul antara DMI dan MAI berdasarkan rumus berikut:

File tambahan 1:Gambar S2 menunjukkan kurva XRD dari film perovskit anil yang dibuat dengan merendam adduksi Lewis dari PbI₂ DMI dalam larutan MAI/2-propanol untuk waktu yang berbeda. Puncak XRD pada 12,7° dan 14,2° ditetapkan ke (001) dari PbI₂ dan (110) dari perovskit, masing-masing [11, 28]. Ini menunjukkan bahwa PbI₂ DMI mengonversi ke perovskite sepenuhnya dalam 2 mnt. Ada beberapa sisa PbI₂ dalam film perovskit saat waktu reaksi kurang dari 120 dtk.

Gambar 2 menunjukkan gambar SEM dari PbI₂ film dan film perovskit terkait yang dibuat dari PbI₂ / Solusi DMF menambahkan dengan jumlah DMI yang berbeda. Semua sampel dianil pada 100 °C selama 30 menit sebelum karakterisasi SEM. Dibandingkan dengan DMF, DMI memiliki titik didih yang lebih tinggi dan interaksi yang lebih kuat dengan PbI₂ . Oleh karena itu, morfologi PbI₂ film berubah jelas dengan konsentrasi DMI. PbI₂ butir berubah dari ramiform menjadi seperti pelat ketika 10 vol% DMI ditambahkan ke PbI₂ / larutan prekursor DMF (lihat Gbr. 2a, b). Namun, PbI₂ film berubah menjadi berpori dan bahkan terputus-putus, ketika konsentrasi DMI meningkat menjadi 20 vol% (Gbr. 2c). MAPbI₃ . yang dihasilkan film dipengaruhi oleh PbI₂ film secara signifikan. Dengan demikian, film perovskit memiliki butiran yang seragam dan permukaan yang halus untuk sampel yang dibuat dari larutan yang ditambahkan dengan 10 vol% DMI (lihat Gambar 2e), yang lebih baik daripada tanpa DMI. Namun, DMI yang berlebihan dapat menyebabkan film terputus-putus (lihat Gambar 2f), yang tidak menguntungkan bagi kinerja fotovoltaik PSC.

Gambar SEM dari PbI₂ film (atas) dan film perovskit (bawah) a , d tanpa DMI, b , e 10% DMI, dan c , f 20% DMI

Meskipun butirannya seragam dan permukaannya halus, ukuran butiran MAPbI₃ dibuat dari PbI₂ Solusi /DMF dengan 10% DMI dan dianil pada 100 °C tidak cukup besar. Menurut kurva TGA pada Gambar 1c, DMI lolos dari aduk Lewis pada suhu yang lebih tinggi daripada DMF. Di sini, kami meningkatkan suhu anil. Gambar 3a, b menunjukkan gambar SEM tampilan atas dari film perovskit yang disiapkan dengan anil pada 100 dan 130 °C dari larutan yang ditambahkan dengan 10 vol% DMI selama 10 mnt. Jelas bahwa ukuran butir meningkat dengan meningkatnya suhu anil. Ukuran butir rata-rata adalah 216 dan 375 nm untuk sampel yang dibuat dari suhu anil 100 dan 130 °C, masing-masing (lihat File tambahan 1:Gambar S3). Gambar 3c, d menunjukkan gambar SEM penampang sel surya perovskit. Hal ini menunjukkan bahwa sel surya perovskit memiliki lapisan perovskit dengan ketebalan sekitar 250 nm. Ini hanya berisi satu butir di sebagian besar area untuk sampel yang dianil pada suhu tinggi (130 °C), yang dianggap berasal dari ukuran butir yang lebih besar daripada ketebalan film. Saat meningkatkan suhu anil hingga 160 °C, ada beberapa residu PbI₂ dalam film perovskite (lihat File tambahan 1:Gambar S4), yang menghasilkan kinerja fotovoltaik yang buruk (lihat File tambahan 1:Gambar S5 PCE terbaik = 8.53%).

Gambar SEM dari MAPbI₃ film (atas) dan sel surya perovskit yang sesuai (bawah). a , c Film perovskite disiapkan dari PbI₂ /larutan prekursor DMF ditambahkan dengan 10 vol% DMI dan anil pada 100 °C dan b , d pada 130 °C

Gambar 4a menunjukkan J –V kurva sel terbaik yang dibuat dari larutan yang ditambahkan dengan aditif DMI yang berbeda. Parameter fotovoltaik yang sesuai tercantum dalam Tabel 1. PSC menunjukkan kinerja fotovoltaik terbaik dengan PCE 14,54%, rapat arus pendek (J _sc ) sebesar 21,05 mA/cm ² , tegangan terbuka (V _ok ) sebesar 1,02 V, dan faktor pengisian (FF) sebesar 67,72% untuk sampel yang dibuat dari larutan DMF yang ditambahkan dengan 10 vol% DMI dan anil pada 130 °C. Untuk PSC yang dibuat dari larutan prekursor yang sama dan anil pada 100 °C, PCE terbaik hanya 12,84%. PSC yang dibuat dari larutan dengan aditif DMI memiliki kinerja fotovoltaik yang lebih baik daripada PSC dari larutan tanpa DMI (PCE terbaik = 10.72%, J _sc = 20.14 mA/cm ² , V _ok = 0,97 V, FF = 55,14%). Serangkaian parameter fotovoltaik untuk PSC yang dibuat dari kondisi yang berbeda menunjukkan kecenderungan yang sama dengan PSC terbaik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c–f. Perangkat yang dibuat dari larutan dengan 10 vol% DMI dan anil pada 130 °C menunjukkan PCE yang lebih tinggi dibandingkan dengan DMF murni. Gambar 4b menunjukkan hasil efisiensi foton-ke-arus (IPCE) insiden dari PSC yang dibuat dari larutan DMF yang ditambahkan dengan 10 vol% DMI, yang menunjukkan hasil kuantum yang baik. Perlu dicatat bahwa J . terintegrasi _sc sekitar 10% lebih rendah dari yang diperoleh dari pemindaian terbalik. Perbedaan ini mungkin berasal dari ketidaksesuaian spektral antara sumber cahaya IPCE dan simulator surya dan dari pembusukan perangkat selama pengukuran di udara [29]. Untuk memeriksa titik stabilisasi atau saturasi arus foto untuk PSC yang dibuat dari larutan dengan 10 vol% DMI dan anil pada 130 °C, kami mengukur arus kondisi tunak PSC tipikal pada tegangan bias yang mendekati titik daya maksimum ( 0.78 V), seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S6a. PSC menunjukkan output yang stabil. Perangkat menunjukkan fenomena histeresis yang jelas di File tambahan 1:Gambar S6b.

a J –V kurva dari PSC terbaik yang dibuat dari kondisi yang berbeda. b Spektrum IPCE dari PSC terbaik yang dibuat dari larutan prekursor yang ditambahkan dengan 10% DMI dan anil pada 130 °C. Bagan kotak parameter fotovoltaik yang diperoleh dari cahaya J –V kurva dari serangkaian PSC. c J _sc , d V _ok , e FF, f PCE

Gambar 5a menunjukkan spektrum impedansi PSC yang diukur dalam gelap pada bias maju 0,9 V. Sisipan Gambar 5a adalah rangkaian ekivalen yang terdiri dari resistansi seri (R _s ), resistensi rekombinasi (R _rek ) dan hambatan transpor (R _HTM ) [30]. R _s PSC berkurang dari 26,16 menjadi 14,30 Ω dengan menambahkan 10% DMI di DMF dan anil pada 130 °C dibandingkan tanpa DMI. R . kecil _s memfasilitasi transportasi pembawa, yang mengarah ke J . yang tinggi _sc [31]. Sebaliknya, R _rek meningkat dari 46,49 menjadi 2778 Ω dengan menambahkan 10 vol% DMI dalam DMF dan anil pada 130 °C dibandingkan dengan DMF murni. R . yang tinggi _rek secara efektif menekan rekombinasi pengisian daya untuk meningkatkan kinerja perangkat.

a Plot Nyquist sel surya perovskit dalam gelap dengan bias 0,9 V. b Spektrum PL stabil dari film perovskit. c Spektrum PL time-resolved berdasarkan fungsi peluruhan bi-eksponensial yang dibuat dari tiga kondisi berbeda

Gambar 5b menunjukkan spektrum PL kondisi tunak dari MAPbI₃ film diendapkan pada TiO mesopori₂ substrat. Spektrum PL dipadamkan untuk film perovskit yang dibuat dari larutan dengan 10% DMI dan anil pada 130 °C, yang menunjukkan bahwa muatan ditransfer secara efektif dari MAPbI₃ menjadi TiO₂ film sebelum mereka digabungkan kembali pada antarmuka untuk sampel. Dibandingkan dengan yang dibuat dari DMF murni, menambahkan beberapa aditif DMI dapat meningkatkan transfer muatan. Untuk mendapatkan lebih banyak wawasan tentang transfer biaya, PL MAPbI yang diselesaikan dengan waktu₃ film diendapkan pada TiO mesopori₂ substrat juga dilakukan (lihat Gbr. 5c). Spektrum dilengkapi dengan baik dengan fungsi peluruhan dua eksponensial:

dimana τ ₁ dan τ ₂ adalah waktu peluruhan dari dua proses peluruhan, masing-masing. Ini menunjukkan bahwa ada puasa (τ ₁ ) dan lambat (τ ₂ ) pembusukan di PSC. Proses peluruhan cepat dianggap sebagai efek quench pembawa bebas dalam film perovskit ke lapisan transpor elektron (ETL) atau HTM, sedangkan proses peluruhan lambat dianggap sebagai peluruhan radiasi [32, 33]. τ ₁ berkurang dari 3,71 menjadi 2,80 ns saat menambahkan 10% DMI dan anil pada 100 °C. Selanjutnya, τ ₁ berkurang menjadi 1,90 ns saat menambahkan 10% DMI dan anil pada 130 °C, menunjukkan bahwa elektron berpindah lebih cepat dari film perovskit ke TiO₂ Lapisan ETL, seperti yang disaksikan oleh pendinginan PL kondisi tunak yang lebih kuat. Kami percaya bahwa peningkatan laju transfer muatan dianggap berasal dari peningkatan butir besar dan pengurangan batas butir dalam film perovskit dengan menambahkan DMI.