Lapisan Transport Elektron SnO₂ Dikurasi UV pada Suhu Rendah Membawa Efisiensi 14,4% pada Sel Surya Perovskit Planar

Latar Belakang

Sel surya perovskit (PSC) telah berkembang pesat dari 3,8 % hingga 22,1 % PCE dalam beberapa tahun terakhir [1,2,3,4,5,6,7,8]. Dalam arsitektur mesoporos dan planar, perapser perovskit disandwikan di antara lapisan transport elektron (ETL) dan lapisan transport lubang (HTL), dan kualitas antarmuka lapisan-lapisan ini secara langsung mempengaruhi performa perangkat [9,10,11]. Pembuatan konvensional ETL padat sering memerlukan analling atau sintering suhu tinggi (hingga 450 °C untuk TiO₂ dan 180 °C untuk SnO₂) [24–31], yang membatasi produksi skala besar dan hemat biaya.

Kami menyajikan protokol spin-coating untuk prekursor SnO₂ diikuti dengan perawatan UVO, mencapai ETL padat sepenuhnya pada suhu di bawah 90 °C. Metode ini menghilangkan kebutuhan akan langkah suhu tinggi, mengurangi kompleksitas pemrosesan, dan menurunkan biaya produksi. PSC kami, berdasarkan CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) dan dibuat melalui pendekatan anti-solvent satu langkah (OSAS) [33–37], menunjukkan arsitektur heterjuntasi planar: Glass/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Perangkat yang dioptimalkan mencapai PCE 14,5 %.

Metode

Bahan dan Persiapan Prekursor

Iodida metilamoni (MAI; Z99,5 %) dan iodida timbal (PbI₂; Z99,9 %) diperoleh dari Xi’an Polymer Light Technology Corp. Tin oksida (SnO₂; 15 % massa dalam dispersi koloid H₂O dengan pelarut organik trace) dibeli dari Alfa Aesar. 1,2-Diklorobenzena (DCB; 99,5 %) dan pelarut lain (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) diperoleh dari Sigma Aldrich. Semua reagen digunakan sebagaimana adanya tanpa pemurnian lebih lanjut.

Pembuatan Perangkat

Tumpukan perangkat adalah ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Substrat kaca ITO (<15 Ω/□) dibersihkan ultrasonik dengan aseton, etanol, dan air DI (15 menit masing-masing) dan dikeringkan dengan nitrogen. Pembersihan UVO berikutnya (15 menit pada ~60 °C) menghilangkan sisa organik. Film SnO₂ di-spin-coat dari larutan prekursor (10 %, 15 %, 20 %, 30 % volume) pada 5000 rpm selama 30 detik, dikeringkan pada 50 °C selama 5 menit, dan kemudian diberikan perawatan UVO (60 menit, ~60 °C). Larutan prekursor MAPbI₃ 1-M (MAI:PbI₂ = 1:1 M) disiapkan dalam campuran DMF:DMSO 9:1 (v/v), diaduk dan dipanaskan pada 50 °C selama malam hari. Lapisan perovskit di-spin-coat pada 4000 rpm selama 30 detik, dengan tetes eter dietil ditambahkan 5 detik sebelum akhir spin. Film dianalling pada 90 °C selama 10 menit dalam glove-box. HTL terdiri dari 70 mM Spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI, dan 55 mM TBP dalam DCB, di-spin-coat pada 5000 rpm selama 20 detik. Akhirnya, 100 nm Au dievaporasi termal pada ~5 Å/s di bawah 5×10⁻⁴ Pa. Luas aktif adalah 4 mm².

Karakterisasi dan Pengukuran

Kurva arus-tegangan (J–V) direkam dengan Keithley 2400 di bawah iluminasi AM1.5G (100 mW/cm²) menggunakan simulator surya Newport 94043A, dikalibrasi terhadap sel referensi silikon. Spektrum transmisi UV–vis diperoleh dengan spektrometer Cary 5000. Morfologi permukaan dan struktur persisyen diperiksa oleh SEM (JSM-7001F). Difraksi sinar X (XRD) dilakukan pada difraktometer sinar X (DX-2700) untuk mengonfirmasi fase rutile SnO₂. Spektroskopi energi-dispersif sinar X (EDS) menilai komposisi elemen.

Hasil dan Pembahasan

UVO/ozon menghasilkan foton pada 185 dan 254 nm (647 dan 472 kJ/mol), cukup untuk memecah ikatan C–C, C–O, dan C–H (346–411 kJ/mol) [38–40]. EDS film SnO₂ 20 % setelah UVO menunjukkan >99 % Sn dan O, dengan <1 % C sisa, mengonfirmasi penghapusan organik dan ETL murni (Tabel 1).

XRD film yang diobati UVO menunjukkan puncak rutile khas pada 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6°, dan 65,9° (bidang (110), (101), (200), (211), (301)) yang cocok dengan JCPDS 41-1445. Analisis Debye–Scherrer menghasilkan ukuran kristal rata-rata 5,5 nm (Gambar 2).

Gambar SEM permukaan SnO₂ (a) dan spektrum EDX yang sesuai film ITO/SnO₂

Pola difraksi sinar X (XRD) SnO₂ setelah perawatan UV

Gambar 3a menunjukkan skema perangkat. SEM lapisan aktif (Gambar 3b) mengungkap film MAPbI₃ kontinu (~384 nm tebal) dengan kristal tunggal >1 µm, yang menunjukkan pembentukan perovskit berkualitas tinggi. Lapisan SnO₂ (20 %) ~65 nm tebal, memberikan keseimbangan optimal antara konduktivitas dan transmisi cahaya.

Diagram struktur sel surya perovskit (a) dan gambar SEM lapisan aktif (b)

Karakteristik J–V (Gambar 4) dan parameter detail (Tabel 2) mengilustrasikan bahwa J_sc mencapai puncak pada 20,11 mA/cm² untuk perangkat SnO₂ 20 %, sementara V_oc dan faktor isi (FF) juga meningkat dengan konsentrasi yang meningkat hingga 20 %. PCE yang sesuai mencapai 14,36 % dengan resistansi seri (R_s) 232,8 Ω dan resistansi shunt (R_sh) 15.868 Ω. SnO₂ berlebihan (30 %) mengurangi transparansi, meningkatkan rekombinasi, dan menurunkan performa.

Karakteristik J–V perangkat. Inset menunjukkan kurva PCE–V_oc yang sesuai.

SEM persisyen (Gambar 5) mengonfirmasi ketebalan film 34 nm (10 %), 48 nm (15 %), 66 nm (20 %), dan 97 nm (30 %). Pengukuran I–V struktur ITO/SnO₂/Au menunjukkan bahwa resistansi vertikal menurun dari 98,6 Ω (10 %) ke 33,7 Ω (20 %) sebelum naik menjadi 50,8 Ω (30 %), berkorelasi dengan kontinuitas dan kristalin film.

Gambar SEM persisyen a ITO/SnO₂ (10 %), b ITO/SnO₂ (15 %), c ITO/SnO₂ (20 %), dan d ITO/SnO₂ (30 %)

Kurva I–V ITO/SnO₂(x)/Au, x = 10, 15, 20, dan 30 %

Gambar SEM tampilan atas (Gambar 7) menunjukkan film seragam dan halus di semua konsentrasi, dengan ukuran kristal sekitar 6,8 nm—selaras dengan estimasi XRD. Cacat pulau minor muncul pada 10 % (Gambar 7a, e), mengurangi konduktivitas, sementara 20 % memberikan kontinuitas optimal. Pada 30 % film menunjukkan penggabungan sedikit, meningkatkan resistansi.

Gambar SEM tampilan atas a–d film ITO/SnO₂(x) yang disiapkan pada magnitudo × 50.000, dan e–h film pada magnitudo × 200.000

Spektrum transmisi UV–vis (Gambar 8) menunjukkan >75 % transmisi di seluruh 400–800 nm. Puncak bergeser ke panjang gelombang yang lebih lama dengan peningkatan ketebalan SnO₂ (10 % → 616 nm, 15 % → 662 nm, 20 % → 718 nm, 30 % → >800 nm). Pita serapan MAPbI₃ (300–760 nm) tumpang tindih paling baik dengan film SnO₂ 10–20 %, memaksimalkan panenan cahaya. Ketebalan berlebihan (30 %) mengurangi transmisi, yang mengarah pada PCE lebih rendah.

Spektrum transmisi UV–vis film ITO/SnO₂(x)

Kesimpulan

Kami mendemonstrasikan bahwa perawatan UVO suhu rendah pada prekursor SnO₂ yang di-spin-coat menghasilkan ETL padat dan murni dengan konduktivitas dan transparansi yang baik. Optimasi konsentrasi SnO₂ ke 20 % menghasilkan PSC planar dengan PCE 14,36 %. Performa ditentukan oleh keseimbangan antara ketebalan film, keseragaman, dan transparansi optik. Proses yang dapat diskalakan dan hemat biaya ini sangat cocok untuk produksi PSC industri.

Singkatan

ETLs:

Lapisan transport elektron

FF:

Faktor isi

HTLs:

Lapisan transport lubang

J_sc:

Arus pendek fotolistrik

OSAS:

Anti-solvent satu langkah

PCE:

Efisiensi konversi daya

PSCs:

Sel surya perovskit

UVO:

Ozon ultraviolet

V_oc:

Tegangan sirkuit terbuka