Pengaruh Morfologi CH3NH3PbI3 Berbeda pada Sifat Fotovoltaik Sel Surya Perovskit
Abstrak
Dalam penelitian ini, lapisan perovskit dibuat dengan proses basah dua langkah dengan CH3 yang berbeda. NH3 konsentrasi I (MAI). Struktur sel adalah kaca/FTO/TiO2 -mesoporous/CH3 NH3 PbI3 (MAPbI3 )/spiro-OMeTAD/Ag. MAPbI3 film perovskit disiapkan menggunakan konsentrasi MAI tinggi dan rendah dalam proses dua langkah. Film perovskite dioptimalkan pada kecepatan spin coating yang berbeda dan suhu anil yang berbeda untuk meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskit. PCE perangkat yang dihasilkan berdasarkan morfologi perovskit yang berbeda telah dibahas. PCE sel terbaik mencapai 17,42%, tegangan rangkaian terbuka 0,97 V, rapat arus pendek 24,06 mA/cm
2
, dan faktor isian 0,747.
Latar Belakang
Film perovskit organik telah menarik banyak perhatian untuk efisiensi konversi daya yang lebih baik dalam sel surya tipe film tipis [1,2,3]. Banyak metode pertumbuhan telah dikembangkan untuk membuat film perovskit. Diantaranya, metode dua langkah banyak digunakan karena kualitas filmnya yang tinggi dan keandalan film yang dihasilkan [4, 5]. Perovskite adalah bahan serbaguna yang dibuat dari senyawa yang berlimpah dan berbiaya rendah, juga memiliki sifat optik dan eksitonik panjang yang unik, serta konduktivitas listrik yang baik. Efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskite telah ditingkatkan dari 3,8 menjadi 22,1% dalam beberapa tahun terakhir.
Ada dua metode untuk menyiapkan film perovskit:metode satu langkah dan dua langkah untuk CH3 NH3 PbI3 film; metode satu langkah adalah bahwa PbI2 dan CH3 NH3 I (MAI) dicampur dalam pelarut untuk membentuk CH3 NH3 PbI3 film, seperti proses solusi vakum flash-dibantu, [5] rekayasa pelarut, [6] kontrol kelembaban, [7, 8] dan prekursor campuran [9]. Meskipun metode satu langkah adalah metode yang paling banyak digunakan untuk menyiapkan sel surya perovskit, metode ini perlu melarutkan prekursor organik dan anorganik, yang mengurangi kontrol properti film termasuk ketebalan, keseragaman, dan morfologi. Metode dua langkah adalah bahwa PbI2 film pertama kali disiapkan dan kemudian direaksikan dengan MAI untuk membentuk CH3 NH3 PbI3 film. Pada tahun 2013, Bi et al. [10] pertama menunjukkan PCE sebesar 9,5% dengan menggunakan metode dua langkah. Mereka menyiapkan PbI2 film di TiO mesopori2 memfilmkan dengan spin coating PbI2 larutan dimetilformamida (DMF). Setelah kering, film dicelupkan ke dalam larutan MAI dalam 2-propanol untuk membentuk CH3 berkualitas tinggi. NH3 PbI3 film untuk sel surya perovskit. Pada tahun yang sama, Burschka et al. [11] menunjukkan sertifikasi untuk sel surya perovskit yang disiapkan dengan metode dua langkah dan mengonfirmasi efisiensi konversi daya sebesar 14,14% yang diukur dalam kondisi pelaporan AM1.5G standar. Setelah itu, banyak penelitian yang menggunakan metode dua langkah untuk meningkatkan PCE sel surya perovskit telah dilaporkan [12,13,14,15,16,17,18]. Selain itu, stabilitas jangka panjang penting untuk aplikasi perangkat perovskit di masa depan. Beberapa struktur nano, seperti lapisan karbon [19] dan PEDOT:PSS yang dimodifikasi grafena oksida [20], telah digunakan untuk menekan degradasi pada perangkat dan meningkatkan kinerjanya. Namun, beberapa penelitian membahas pengaruh morfologi permukaan yang berbeda pada sifat fotovoltaik sel surya perovskit.
Dalam penelitian ini, kami mengontrol ukuran butir dan morfologi CH3 NH3 PbI3 dengan konsentrasi MAI yang berbeda, anil, dan dua langkah. Selain itu, ditemukan morfologi permukaan CH3 NH3 PbI3 film yang menggunakan konsentrasi MAI rendah menunjukkan butiran perovskit yang besar, tetapi morfologi CH3 NH3 PbI3 film menggunakan konsentrasi MAI tinggi menunjukkan butiran padat dan halus. Efisiensi konversi fotovoltaik dari sel yang dihasilkan berdasarkan morfologi perovskit yang berbeda dianalisis menggunakan spektrum XRD, SEM, spektroskopi serapan UV-vis, dan spektrum fotoluminesensi (PL). Hasilnya, efisiensi konversi daya dari sel terbaik mencapai 17,42%.
Metode
Dalam penelitian ini, kaca sebagai substrat yang didoping fluorine tin oxide (FTO) dipotong kecil-kecil dengan ukuran 1,5 × 1,5 cm
2
. Substrat kaca FTO dibersihkan secara menyeluruh dengan aseton, etanol, dan air deionisasi (DI) dalam osilator ultrasonik masing-masing selama 5 menit, dan dikeringkan dengan nitrogen. TiO kompak 50 nm2 Blocking layer pertama kali diendapkan pada permukaan substrat FTO yang telah dibersihkan sebelumnya dengan metode spray pyrolysis pada suhu 500 °C, menggunakan larutan 0,2 M Ti-isopropoksida dan 2 M asetilaseton dalam isopropanol. Lapisan mesopori TiO2 diendapkan dengan pelapisan spin pasta encer (Dyesol 18NR-T), diikuti dengan pemanasan hingga 450 °C. Selanjutnya, metode dua langkah digunakan untuk mendepositkan lapisan perovskit. PbI2 (Alfa Aesar, kemurnian 99,9985%) diendapkan melalui spin coating dari larutan 1 mol/L PbI2 dalam dimetilformamida (DMF) yang dipanaskan hingga 70 °C, dengan kecepatan spin coating 7000 rpm. MAPbI3 dibentuk dengan mencelupkan slide ke dalam larutan MAII 10 mg/mL dalam isopropanol (IPA) dengan konsentrasi berbeda selama 30 detik. Setelah menghilangkan kelebihan IPA, film perovskit kemudian ditempatkan di atas hot plate yang disetel pada suhu 100 °C selama 20 menit. Komposisi material pengangkut lubang adalah 0,170 M 2,2′,7,7′-tetrakis(N ,T -di-p-methoxyphenyl-amine)-9,99-spirobifluorene (spiro-OMeTAD, Lumtec), dengan penambahan garam litium bis(trifluoromethane)sulfonimida 60 mM (LiTFSI, 99,95%, Aldrich) dan 200 mM 4-tert -butilpiridin (TBP, 99%, Aldrich). CH3 NH3 PbI3 /TiO2 film dilapisi dengan larutan spiro-OMeTAD menggunakan metode spin coating pada 4000 rpm. Untuk kontak listrik, film Ag 100-nm diendapkan ke sel surya dengan penguapan termal. Perangkat yang dihasilkan terdiri dari perak/spiro-OMeTAD/MAPbI3 /TiO2 lapisan mesopori/TiO2 lapisan kompak/FTO/kaca. Gambar 1 secara skematis menggambarkan struktur lengkap. Kurva rapat arus (J-V) sel surya diperoleh dengan menggunakan unit pengukuran sumber (Keithly 2400). Spektrum fotoluminesensi CN3 NH3 PbI3 /gelas sampel diukur menggunakan spektrometer berbasis mikroskop. Area aktif perangkat adalah 2 × 5 mm
2
oleh topeng bayangan. Pola difraksi sinar-X CN3 NH3 PbI3 /sampel kaca direkam menggunakan mode theta-2theta.
Skema struktur lengkap
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan gambar SEM tampilan atas (kolom kiri) dan penampang (kolom kanan) dari MAPbI3 film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi rendah (10 mg/mL) dan menjalani perlakuan anil pada suhu yang berbeda. Ditemukan bahwa ada sejumlah besar partikel perovskit di permukaan dan memiliki morfologi tetragonal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Ukuran partikel dan morfologi permukaan film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi rendah serupa untuk semua sampel.
Gambar SEM tampilan atas MAPbI3 film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi rendah (10 mg/mL) dengan a-d berbagai kecepatan spin coating dan e-h perawatan anil
Gambar 3 menunjukkan gambar SEM tampilan atas (kolom kiri) dan penampang (kolom kanan) dari MAPbI3 film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi tinggi (40 mg/mL) dan menjalani perlakuan anil pada suhu yang berbeda. Perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi tinggi menunjukkan kristal tetragonal, MAPbI rata-rata3 ukuran domain dari sekitar 200 nm hingga sekitar 600 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Morfologinya berbeda dengan perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi rendah. Ditemukan bahwa ada beberapa PbI2 butir di permukaan MAPbI3 film perovskit dengan anil 60 °C. Itu adalah residu yang disebabkan oleh reaksi yang tidak lengkap. Ukuran domain dan morfologi permukaan film perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi serupa untuk semua sampel.
Gambar SEM tampilan atas MAPbI3 film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi tinggi (10 mg/mL) dengan a-d berbagai kecepatan spin coating dan e-h perawatan anil
Gambar 4 menunjukkan pola XRD dari MAPbI3 film disiapkan oleh (a) rendah dan (b) konsentrasi tinggi MAI dengan suhu anil yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, dua puncak difraksi utama diamati pada 12,6° dan 14,4°, sesuai dengan PbI2 (001) dan MAPbI3 (110) fase, masing-masing. Intensitas PbI2 (001) puncak lebih tinggi dari MAPbI3 (110) memuncak saat suhu anil MAPbI3 film meningkat hingga 120 °C. MAPbI3 film didekomposisi menjadi film dua fase MAI dan PbI2 , menyebabkan efisiensi yang buruk dari sel surya perovskit. Demikian pula, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, karena suhu anil adalah 60 °C, dua puncak difraksi utama diamati pada 12,8° dan 14,3°, sesuai dengan PbI2 (001) dan MAPbI3 (110) fase, masing-masing. Namun, puncak tunggal yang sesuai dengan MAPbI3 (110) fase diamati ketika suhu anil MAPbI3 film meningkat hingga lebih dari 80 °C. MAI dan PbI2 dibentuk menjadi MAPbI3 film, sepenuhnya.
Pola XRD dari MAPbI3 film dengan a rendah dan b MAI konsentrasi tinggi
Intensitas spektrum fotoluminesensi (PL) terkait dengan masa pakai eksiton dalam film perovskit dan dalam antarmuka antara TiO2 dan film perovskit. Masa pakai eksiton lebih lama, dan intensitas spektrum PL lebih kuat; tingkat dekomposisi eksiton di antarmuka antara TiO2 dan film perovskit lebih cepat, dan intensitas spektrum PL lebih lemah. Gambar 5 plot spektrum PL MAPbI3 disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah dan tinggi dengan berbagai kecepatan spin coating dan suhu anil. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5a, b, kecepatan spin coating dan suhu annealing optimal untuk MAPbI3 disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah masing-masing adalah 2000 rpm dan 100 °C. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, d, kecepatan spin coating dan suhu annealing optimum untuk MAPbI3 disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi masing-masing adalah 4000 rpm dan 120 °C.
Spektrum PL MAPbI3 disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah dengan a berbagai kecepatan spin coating dan b suhu anil dan disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi dengan c berbagai kecepatan spin coating dan d suhu anil
Gambar 6 menunjukkan gambar SEM dari MAPbI3 film perovskite dengan larutan MAI konsentrasi rendah dan tinggi masing-masing dalam kondisi optimal. Morfologi permukaan MAPbI3 film perovskit dengan MAI konsentrasi rendah lebih kasar daripada MAPbI3 film perovskite dengan MAI konsentrasi tinggi. Butir yang terakhir kompak dan halus. Juga, tingkat cakupan permukaan yang terakhir lebih baik daripada yang pertama.
Gambar SEM dari MAPbI3 film perovskit dengan a rendah dan b solusi MAI konsentrasi tinggi di bawah kondisi optimal, masing-masing
Gambar 7a menunjukkan spektrum PL dari MAPbI3 film dengan konsentrasi MAI yang berbeda. Posisi puncak spektrum PL meningkat dari 768 menjadi 773 nm saat konsentrasi MAI meningkat dari 10 menjadi 40 mg/mL. Pergeseran merah mungkin terkait dengan reaksi PbI2 dan MAI [21]. Sebagai PbI2 film direaksikan dengan larutan MAI dan membentuk MAPbI3 film perovskite, celah pita digeser menuju 1,55 eV. Juga, intensitas spektrum PL dari MAPbI3 film perovskite menggunakan konsentrasi MAI tinggi adalah peluruhan. Untuk mengeksplorasi penyebab aslinya, photoluminescence (TRPL) yang diselesaikan dengan waktu digunakan untuk mempelajari masa pakai excitons. Oleh karena itu, rangsangan dapat dengan cepat diekstraksi ke substrat FTO, untuk MAPbI3 film perovskite menggunakan konsentrasi MAI tinggi. Menurut spektrum TRPL yang ditunjukkan pada Gambar 7b, masa pakai film perovskit MAI yang dibuat dengan konsentrasi rendah dan tinggi masing-masing adalah 25 dan 14 ns. Dapat dilihat dengan jelas bahwa masa pakai eksiton film perovskit MAI yang dibuat dengan konsentrasi MAI tinggi relatif singkat, yang dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa laju dekomposisi eksiton lebih cepat. Antarmuka antara TiO2 dan perovskit yang dibuat dengan konsentrasi MAI tinggi halus, sehingga eksiton dipisahkan dan diekstraksi dengan cepat ke substrat FTO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b. Selain itu, dimungkinkan untuk meningkatkan kualitas film, menghasilkan peningkatan kecepatan dekomposisi elektron.
a PL dan b Spektrum TRPL MAPbI3 film dengan konsentrasi berbeda
Gambar 8a, b memplot kurva J-V sel surya perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah dan tinggi dengan suhu annealing yang berbeda. Untuk membandingkan kepadatan arus hubung singkat Jsc, sel surya perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi lebih tinggi sekitar 2 mA/cm
2
daripada sel yang disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah. Ini mungkin disumbangkan oleh kualitas yang lebih baik dari film perovskit yang dibuat oleh MAI konsentrasi tinggi, sehingga memiliki absorbansi yang lebih tinggi, menghasilkan arus foto yang lebih tinggi. Selain itu, resistansi transfer muatan dalam film perovskit yang dibuat oleh MAI konsentrasi tinggi adalah kecil karena morfologinya yang halus. Film dengan morfologi halus tidak hanya dapat meningkatkan area kontak antara film perovskit dan film spiro-MeTAD tetapi juga meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik sel surya [22, 23]. Di sisi lain, sel yang disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah menunjukkan Voc tinggi. Ini mungkin disebabkan oleh PbI2 residu dalam film tipis perovskit [22, 23]. Untuk memeriksa reproduktifitas kinerja, efisiensi konversi daya (PCE) dibandingkan menggunakan histogram yang diperoleh dari 50 perangkat perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah dan tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c. Seperti yang dapat dilihat dari hasil, perangkat berkinerja sangat baik. Rata-rata PCE sel surya perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi rendah dan tinggi adalah 13 dan 13,7% dengan standar deviasi masing-masing 1,293 dan 1,275%. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, lebih dari 75% sel menunjukkan PCE di atas 13% di bawah satu kondisi matahari, untuk sel surya perovskit yang disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi. Itu menunjukkan reproduktifitas yang baik. Hasil optimal menunjukkan efisiensi konversi daya 17,42%, tegangan rangkaian terbuka 0,97 V, rapat arus 24,06 mA/cm
2
, dan faktor isian 0,747.
Kurva J-V sel surya perovskit disiapkan menggunakan a MAI konsentrasi rendah dan b MAI konsentrasi tinggi dengan suhu anil yang berbeda. c Histogram PCE sel surya perovskit disiapkan oleh MAI konsentrasi tinggi di bawah kondisi proses optimal untuk 50 perangkat
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, film perovskit yang dibuat dengan MAI konsentrasi tinggi digunakan untuk membentuk sel surya. Efek dari morfologi yang berbeda dari film pada sel surya diselidiki. Kurva karakteristik J-V sel surya perovskit digunakan untuk meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik. Hasilnya menunjukkan bahwa efisiensi konversi daya mencapai 17,42%, tegangan rangkaian terbuka 0,97 V, rapat arus 24,06 mA/cm
2
, dan faktor pengisian sebesar 74,66% merupakan karakteristik terbaik.
