Perlakuan UV pada Lapisan Transpor Elektron SnO2 Proses Suhu Rendah untuk Sel Surya Perovskit Planar
Abstrak
Kami melaporkan metode baru sebagai perlakuan UV suhu rendah yang diproses untuk mendapatkan oksida timah (SnO2 ) lapisan transpor elektron (ETL). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas ETL yang tinggi dapat dihasilkan dengan mengontrol ketebalan film saat diperlakukan dengan UV. Ketebalannya tergantung pada konsentrasi SnO2 . Selain itu, konduktivitas dan transmitansi lapisan tergantung pada kualitas film. Sel surya perovskit planar disiapkan berdasarkan film yang diberi perlakuan UV ini. Suhu yang terlibat dalam proses persiapan kurang dari 90 °C. Efisiensi konversi daya optimal sebesar 14,36% diperoleh pada konsentrasi SnO2 dari 20%. Metode perawatan UV SnO2 film pada suhu rendah cocok untuk aplikasi komersial berbiaya rendah.
Latar Belakang
Sel surya perovskite (PSC) telah menarik minat penelitian yang sangat besar dalam beberapa tahun terakhir dengan efisiensi konversi daya (PCE) meningkat dari 3,8 menjadi 22,1% [1,2,3,4,5,6,7,8]. Dalam sel surya perovskit tipikal baik dengan atau tanpa perancah mesopori, lapisan penyerap diapit di antara lapisan yang dimodifikasi elektroda termasuk lapisan transpor elektron dan lubang (ETL dan HTL, masing-masing), yaitu perancah mesopori dan arsitektur hetero-junction planar [9 ,10,11]. Kualitas tinggi dari lapisan perovskit, yang halus, kompak, dan seragam, memiliki dampak penting pada kinerja perangkat [12,13,14]. Namun, kualitas lapisan modifikasi bawah dapat secara langsung mempengaruhi preparasi film perovskit. Biasanya, metode spin-coating [15,16,17], metode sintesis hidrotermal [18, 19], metode penguapan vakum [20], metode deposisi lapisan atom [21], dan deposisi elektro-kimia [22, 23] diadopsi untuk meningkatkan kualitas lapisan yang dimodifikasi. Dan kemudian, lapisan modifikasi kompak diperoleh dengan anil dan sintering pada suhu tinggi. Suhu hingga 450 dan 180 °C saat menggunakan TiO2 [24,25,26,27] dan SnO2 [28,29,30,31] sebagai lapisan yang dimodifikasi, masing-masing. TiO2 diperoleh dengan perlakuan panas prekursor tetrabutil titanat, dan SnO2 diperoleh dengan perlakuan SnCl2 pendahulu [32]. Namun, suhu tinggi tidak cocok untuk pembuatan industri modern.
Untuk mengatasi masalah ini, kami menyajikan persiapan lapisan kompak kami dengan spin-coating SnO2 prekursor dan kemudian diolah dengan ultraviolet ozon (UVO). Di sini, larutan air timah oksida digunakan sebagai bahan baku SnO2 . Selain itu, suhu pada setiap lapisan preparasi PSC semuanya berada pada suhu rendah (kurang dari 90 °C). Lebih mudah untuk mengurangi kesulitan teknologi dalam proses persiapan dan mengurangi biaya produksi, yang akan cocok untuk produksi industri. Sel kami didasarkan pada CH3 NH3 PbI3 (MAPbI3 ), sebagai celah pita sempit dan bahan serapan cahaya tampak yang tinggi, yang diproses dengan metode anti-pelarut (OSAS) satu langkah [33,34,35,36,37]. Arsitektur PSC hetero-junction planar adalah Glass/ITO/SnO2 /MAPbI3 /Spiro-OMeTAD/Au. MAPbI3 terjepit di antara SnO2 ETL dan Spiro-OMeTAD HTL, masing-masing. Setelah menganalisis morfologi permukaan, distribusi elemen permukaan, dan transmisi cahaya film, hasil kami menunjukkan bahwa SnO2 -lapisan yang dimodifikasi dengan kekompakan, kemurnian, dan transmitansi tinggi dapat disiapkan dengan pelapisan spin dan perlakuan UVO. Selain itu, PSC planar berkinerja tinggi disiapkan pada suhu rendah. PCE PSC adalah 14,5% dengan mengoptimalkan kondisi persiapan perangkat.
Metode
Persiapan Bahan dan Prekursor
Methylammonium iodide (MAI; Z99,5%) dan timbal iodida (PbI2; Z99,9%) dibeli dari Xi'an Polymer Light Technology Corp. Tin oxide (SnO2; 15% massa di H2 O dispersi koloid dengan beberapa pelarut organik) dibeli dari Alfa Aesar. 1,2-Dichlorobenzene (DCB; 99,5%) dibeli dari J&K Scientific Ltd. N ,T -Dimetilformamida (DMF; 99%), dimetilsulfoksida (DMSO; 99%), 2,2′, 7,7′-tetrakis(N ,T -p-dimethoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), 4-tert-butylpyridine (TBP), dan garam lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)-imide (Li-TFSI) dibeli dari Sigma Aldrich. Emas (Au; 99,995%) dibeli dari China New Metal Materials Technology Co., Ltd. Semua reagen digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Fabrikasi Perangkat
Perangkat PSC memiliki struktur ITO/SnO2 /MAPbI3 /Spiro-OMeTAD/Au. Pelat kaca ITO (resistensi lembaran < 15 Ω/□) telah dibersihkan sebelumnya dalam rendaman ultrasonik dengan aseton, etanol, dan air deionisasi (DI) masing-masing selama 15 menit, diikuti dengan pengeringan dengan aliran nitrogen. Selanjutnya, substrat diperlakukan menggunakan pembersih ozon ultraviolet selama 15 menit pada suhu sekitar 60 °C. SnO2 film tipis dibuat dengan spin-coating SnO2 (x sebagai larutan prekursor 10, 15, 20, dan 30%) pada substrat kaca ITO yang bersih pada 5000 rpm selama 30 detik dan dikeringkan pada 50 °C selama 5 menit, kemudian diolah dengan pembersih ozon ultraviolet selama 60 menit pada sekitar 60 °C. Konsentrasi larutan prekursor diubah menjadi 10, 15, 20, dan 30% dengan mengencerkan atau memadatkan larutan aslinya. Prekursor perovskit 1 M dari MAPbI3 disiapkan dengan melarutkan MAI dan PbI2 dalam rasio 1:1 M dalam 9:1 (v :v ) campuran pelarut DMF dan DMSO. Kemudian, prekursor diaduk dan dipanaskan pada suhu 50 °C semalaman. Untuk lapisan aktif, prekursor perovskit dilapisi spin pada 4000 rpm. selama 30 s di atas SnO2 permukaan. Dietil eter, sebagai zat anti-pelarut, diteteskan pada substrat pada 5 s sebelum akhir putaran. Sampel kemudian dianil pada suhu 90 °C selama 10 menit di atas hotplate dalam kotak sarung tangan dan kemudian didinginkan selama beberapa menit. Ketebalan khas MAPbI3 adalah sekitar 300 nm. Untuk lapisan HTM, 30 μL larutan yang terdiri dari 70 mM spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI, dan 55 mM TBP di DCB di-spin-coated pada lapisan perovskit pada 5000 rpm. selama 20 dtk. Terakhir, 100 nm Au diuapkan secara termal di bawah vakum tinggi (5 × 10
−4
Pa). Laju pengendapan yang dipantau dengan monitor ketebalan berosilasi kuarsa (ULVAC, CRTM-9000) adalah sekitar 5 Å/s. Area aktif perangkat adalah 4 mm
2
.
Karakterisasi dan Pengukuran
Kerapatan arus–tegangan (J-V ) karakteristik diukur menggunakan sumber/meter Keithley 2400 yang diprogram komputer di bawah iluminasi matahari AM1.5G menggunakan simulator surya Newport 94043A. Intensitas simulator surya adalah 100 mW/cm
2
. Intensitas cahaya dikoreksi oleh sel surya silikon standar. Spektrum transmisi diukur menggunakan spektrometer ultraviolet/tampak (UV-vis) (Carry 5000). Morfologi permukaan dan struktur film yang disiapkan dikarakterisasi menggunakan SEM (JSM-7001F, Japan Electron Optics Laboratory Co., Japan). Fase kristal dari SnO yang disiapkan2 film dikonfirmasi oleh kekuatan difraktometri sinar-X (XRD) (DX-2700, Dandong Fangyuan Instrument Co.Ltd., Dandong, China).
Hasil dan Diskusi
UV/ozon dapat menghasilkan sinar ultraviolet yang mencapai puncaknya hampir pada 185 dan 254 nm dengan energi foton masing-masing 647 dan 472 kJ/mol, yang lebih tinggi dari energi ikatan CC, CO, dan CH sebesar 346, 358, dan 411 kJ/mol, masing-masing [38,39,40]. Akibatnya, sinar UV akan dengan mudah memutuskan ikatan kimia ini saat merawat. Untuk mengonfirmasinya, SnO2 film dengan konsentrasi 20% dipilih untuk spektrometer distribusi unsur (EDS) setelah perlakuan UV, dan distribusi komponen utama diselidiki. Gambar 1a menunjukkan SEM dari film yang dipilih. Kerataan dan keseragaman film bagus pada skala besar pada bilah 0,5 um. Gambar 1b menunjukkan diagram distribusi elemen, sedangkan puncak tanpa tanda adalah posisi puncak emas elektroda uji. Seperti yang Anda lihat, elemen Sn, O, dan trace C disertakan. Tabel 1 adalah konten spesifik setiap elemen dalam film yang dipilih. Setelah perlakuan UV, kandungan Sn dan O dalam film lebih besar dari 99%, dan kandungan C kurang dari 1%. Dapat diketahui bahwa sebagian besar pelarut organik dihilangkan, dan hanya Sn dan O yang tersisa setelah perlakuan UV. Jadi cara pengolahan ini bisa mendapatkan kemurnian tinggi SnO2 ETL, yang memberikan kemungkinan untuk persiapan PSC berkinerja tinggi. Gambar 2 menunjukkan pola XRD dari SnO2 pada kaca slide setelah perawatan UV. Profil XRD menunjukkan puncak difraksi pada 2θ nilai 26,5°, 34.0°, 38.1°, 51.6°, dan 65,9°, yang diidentifikasi sebagai refleksi dari (110), (101), (200), (211), dan (301) bidang tipe rutil struktur tetragonal SnO2 (JCPDS41-1445), masing-masing. Ukuran kristal SnO2 dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer. (D = 0.89λ /β karenaθ ) [41], di mana D adalah ukuran kristal rata-rata, λ adalah panjang gelombang sinar-X, θ adalah sudut difraksi Bragg, dan β adalah lebar puncak pada setengah maksimum. Ini memberikan perkiraan ukuran kristal 5,5 nm untuk sampel yang telah disiapkan.
Gambar SEM permukaan SnO2 (a ) dan spektrum EDX yang sesuai dari ITO/SnO2 film
Pola difraksi sinar-X (XRD) SnO2 setelah perawatan UV
Gambar 3a adalah diagram struktur PSC. Gambar 3b adalah gambar SEM permukaan dari lapisan aktif, dan ilustrasi tersebut adalah tampilan penampang ITO/SnO2 (20%) /MAPbI3 . Dapat diamati bahwa kontinuitas film perovskite baik. Ukuran partikel kristal perovskit tunggal lebih besar dari 1 μm; kristalisasi melintang dari lapisan aktif sangat baik. Ketebalan SnO2 (20%) sekitar 65 nm, dan ketebalan perovskit sekitar 384 nm, yang diharapkan menghasilkan sel surya perovskit berkinerja tinggi.
Diagram struktur sel surya perovskit (a ) dan gambar SEM dari lapisan aktif (b )
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, J-V kurva karakteristik perangkat ITO/SnO2 (x )/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au (x = 10, 15, 20, dan 30%) di bawah iluminasi matahari AM1.5G 100 mW/cm
2
di udara ambien. Hasil rinci diberikan pada Tabel 2. Ini menunjukkan bahwa Jsc perangkat meningkat terlebih dahulu dan kemudian menurun dengan meningkatnya SnO2 konsentrasi. Jsc perangkat dengan 10% adalah yang terkecil dan yang dengan 20% adalah yang terbesar. Kemungkinan penyebabnya adalah, ketika konsentrasi SnO2 berubah, bahwa ketebalan film meningkat yang mengarah pada peningkatan resistensi. Selain itu, transmisi cahaya film akan berbeda karena ketebalan yang berbeda. Vok perangkat meningkat dengan konsentrasi SnO2 meningkat. SnO yang kental2 film mengurangi kemungkinan bahwa lubang diangkut ke elektroda FTO, yang mudah dicapai untuk elektron. Adalah menguntungkan untuk mengurangi rekombinasi pembawa pada antarmuka. Bila konsentrasi SnO2 adalah 20%, PSC memperoleh kinerja yang optimal dengan Jsc dari 20,11 mA/cm
2
, Vok sebesar 1,11 V, FF sebesar 0,643, PCE sebesar 14,36%, Rs sebesar 232,8 Ω, dan Rsh sebesar 15.868 Ω.
J -V karakteristik perangkat. Karakteristiknya tergantung pada perbedaan konsentrasi SnO2 yang bervariasi dari 10 hingga 30% pada pencahayaan AM1.5G 100 mW/cm
2
. Inset menunjukkan PCE yang sesuai-V kurva
Gambar 5 menunjukkan gambar SEM penampang SnO2 film. Bilah skala gambar film adalah 100 nm, dan perbesarannya adalah × 100.000. Ketebalan film yang dibuat pada konsentrasi SnO yang berbeda2 masing-masing adalah 34 nm pada 10%, 48 nm pada 15%, 66 nm pada 20%, dan 97 nm pada 30%. Ketebalan meningkat secara bertahap dengan meningkatnya konsentrasi SnO2 . Untuk memahami pengaruh terhadap tahanan vertikal dari ketebalan SnO2 film, perangkat resistensi disiapkan dengan struktur sebagai ITO/SnO2 (x )/Au. Gambar 6 menunjukkan I-V kurva. Resistensi antara ITO dan Au adalah 98,6 Ω pada 10%, 41,6 pada 15%, 33,7 pada 20%, dan 50,8 pada 30%. Ketika konsentrasi berubah dari 10 menjadi 20%, hambatan vertikal berkurang, yang meningkat ketika konsentrasi mencapai 30%. Ini berbeda dari pengetahuan konvensional bahwa resistensi meningkat dengan meningkatnya ketebalan. Untuk menganalisis alasannya lebih lanjut, SEM permukaan film diselidiki.
Gambar SEM penampang dari a ITO/SnO2 (10%), b ITO/SnO2 (15%), c ITO/SnO2 (20%), dan d ITO/SnO2 (30%)
Aku -V kurva ITO/SnO2 (x )/Au, x adalah 10, 15, 20, dan 30%
Gambar 7a–d menunjukkan gambar SEM tampilan atas SnO2 film pada perbesaran × 50.000 dengan bilah skala 100 nm. Dan Gbr. 7e–h menunjukkan gambar SEM permukaan yang sesuai pada perbesaran × 200,000 dengan bilah skala 100 nm. Dapat dilihat bahwa keseragaman dan kehalusan film sangat baik pada berbagai konsentrasi, dan ukuran kristal khas SnO2 adalah sekitar 6,814 nm, yang cukup mendekati yang dihitung dari persamaan Debye–Scherrer. (5,5 nm), sehingga lapisan aktif berkualitas tinggi harus diperoleh saat menyiapkan lapisan absorbansi perovskit. Hanya ada beberapa perbedaan kecil di antara mereka. Perbedaan kecil ini seharusnya menjadi alasan yang mempengaruhi resistensi. Ketika SnO2 konsentrasi 10%, kontinuitas film buruk, dan beberapa kelompok pulau muncul seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, e. Cacat pada permukaan ini memperkenalkan nilai resistansi parsial. Film jelas seragam dan bahkan ketika konsentrasi meningkat hingga 20% seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, c, f, g, yang mengarah pada peningkatan konduktivitas listrik. Saat konsentrasi mencapai 30%, situasi reuni muncul yang mengarah pada peningkatan resistensi. Selain itu, transmisi cahaya film tergantung pada ketebalan lapisan yang dimodifikasi, yang mempengaruhi pemanfaatan cahaya oleh bahan aktif.
Gambar SEM tampilan atas dari a –d ITO/SnO2 yang telah disiapkan (x ) film pada perbesaran × 50.000, dan e –h film dengan perbesaran × 200,000
Untuk memahami penyebabnya, kami telah menguji spektrum transmisi UV–vis dari SnO2 (x ) film, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 8. Dapat dilihat bahwa transmitansi film melebihi 75% antara 400 dan 800 nm. Puncaknya berada tepat di 616, 662, 718 nm, dan lebih dari 800 nm ketika konsentrasinya masing-masing 10, 15, 20, dan 30%. Dengan bertambahnya ketebalan SnO2 , puncak transmisi bergeser merah. Rentang penyerapan MAPbI3 adalah antara 300 dan 760 nm. Lampu yang ditransmisikan dicocokkan dengan rentang penyerapan perovskit tersebut sementara konsentrasinya kurang dari 20%. Oleh karena itu, PCE yang lebih tinggi dapat diperoleh karena penggunaan cahaya yang lebih banyak. Ketika konsentrasi 30%, penyerapan cahaya lapisan aktif dilemahkan yang menyebabkan penurunan PCE. Pemanfaatan cahaya mempengaruhi kinerja PSC. Akibatnya, PCE akan meningkat terlebih dahulu dan kemudian menurun seiring dengan peningkatan konsentrasi, yang bertepatan dengan hasil sebelumnya.
Spektrum transmisi UV–vis dari ITO/SnO2 (x ) film
Kesimpulan
Singkatnya, kami mendemonstrasikan metode baru sebagai perlakuan UVO pada suhu rendah dengan SnO2 berkualitas tinggi. ETL bisa disiapkan. PSC kinerja tinggi diperoleh dengan metode OSAS. Bila konsentrasi SnO2 sebesar 20%, KKS memperoleh kinerja yang optimal dengan PCE sebesar 14,36%. Hasil analisis menunjukkan bahwa konduktivitas dan transmitansi dari lapisan yang dimodifikasi bergantung pada ketebalan dan keseragaman film, dan PSC kinerja tinggi dapat diperoleh pada ketebalan yang sesuai dari film yang dimodifikasi.
