Pembuatan Efisien Sel Surya Perovskit Mesopor dalam Udara Ambien Menggunakan Prekursor PbI₂ yang Ditingkatkan dengan N‑Butil Amin

Latar Belakang

Sejak demonstrasi pertama PSC pada 2009, efisiensi terkemuka industri telah naik dari 3,8 % ke 22,7 % [1,2,3], didorong oleh serapan optik yang luar biasa, energi ikatan eksiton rendah, panjang difusi karir panjang, dan mobilitas tinggi dari perovskit hibrida [4–12]. Namun, kation organik yang higroskopis membuat bahan ini sangat sensitif terhadap kelembaban, yang merupakan hambatan kritis untuk produksi skala besar. Tradisional, PSC dibuat di dalam glove box nitrogen atau di bawah kontrol kelembaban yang ketat untuk mengurangi degradasi [13–15]. Kerja terbaru telah menunjukkan bahwa bahkan kelembaban ringan dapat mempromosikan kristalisasi film perovskit, namun kelembaban berlebih menghasilkan morfologi yang buruk dan kinerja yang menurun [16–19]. Meskipun banyak upaya, PSC yang diproduksi dalam udara ambien jarang melebihi 16 % PCE, dan peran tepat kelembaban dalam pembentukan film masih berselisih. Studi ini mengatasi kesenjangan ini dengan mengungkapkan bagaimana kelembaban yang dikontrol dan aditif BTA dapat dimanfaatkan untuk memproduksi PSC dengan efisiensi tinggi secara langsung dalam udara ambien.

Metode

Arsitektur Perangkat dan Deposit Lapisan

Struktur PSC mesopor (FTO/c‑TiO₂/mp‑TiO₂/MAPbI₃/Spiro‑OMeTAD/Ag) diilustrasikan dalam Fig. 1a. Kaca yang dilapisi SnO₂ dot fluorin (resistansi lembar 7 Ω sq⁻¹) dibersihkan secara berurutan dengan aseton, etanol, isopropanol, air DI, dan isopropanol. Lapisan TiO₂ padat diaplikasi dengan putaran pada 3000 rpm selama 30 detik, diulang dua kali, kemudian dianil pada 150 °C selama 15 menit setelah setiap lapisan, dan akhirnya pada 500 °C selama 30 menit dalam udara. Lapisan TiO₂ mesopor diendapkan dengan putaran pasta TiO₂ (18NRD) yang dicampur 1:7 (EtOH) pada 5000 rpm selama 45 detik, dikeringkan pada 80 °C selama 40 menit, disinter pada 500 °C selama 30 menit, dan diobati pasca dengan TiCl₄ air (70 °C, 30 menit), dicuci, dan dianil lagi pada 500 °C selama 30 menit. Luas aktif adalah 0,1 cm².

Persiapan Film Perovskit

PbI₂ (1 M dalam DMF) diaplikasi dengan putaran pada mp‑TiO₂ pada 3000 rpm selama 30 detik, kemudian dianil pada 70 °C selama 15 menit. Ketika menggunakan BTA, volume kecil (≈0,5 % w/v) ditambahkan ke dalam larutan PbI₂. Setelah pendingin ke suhu ruangan, larutan iodida metilamonia (MAI) diaplikasi dengan putaran pada 4000 rpm selama 45 detik, diikuti dengan anil pada 100 °C selama 30 menit untuk membentuk MAPbI₃. Lapisan transport lubang (Spiro‑OMeTAD) diaplikasi dengan putaran pada 2000 rpm selama 45 detik dari larutan klorobena 80 mg mL⁻¹ yang mengandung 28,8 µL TBP dan 17,7 µL Li‑TFSI (520 mg mL⁻¹ asetonitril). Akhirnya, elektroda perak diavapasi termal.

Untuk setiap substrat, empat perangkat dibuat. Perangkat dengan setidaknya tiga sel yang menunjukkan deviasi PCE maksimum <3 % disertakan dalam analisis statistik.

Teknik Karakterisasi

Kurva arus-tegangan (J‑V) dicatat dengan Keithley 2400 di bawah simulasi surya AM 1.5G yang terkalibrasi (100 mW cm⁻²). Pindai dilakukan dalam bias terbalik dari 1,2 V ke –0,2 V pada 100 mV s⁻¹. Citra SEM (Hitachi S‑4800, 15–60 kV) dan difraksi sinar X (Cu‑Kα, 10°–70°) memorkorologi morfologi dan kristalitas film. Spektrum serapan UV–Vis diperoleh pada spektrofotometer Cary 5000 (200–1200 nm, langkah 1 nm). Semua pengukuran dilakukan dalam udara ambien tanpa kontrol kelembaban.

Hasil dan Pembahasan

Untuk mengisolasi efek kelembaban, eksperimen putaran dua langkah dilakukan pada 30 °C di bawah 0–45 % RH tanpa BTA. Seiring RH meningkat dari 0 hingga 15 %, tegangan sirkuit terbuka (V_OC), kepadatan arus sirkuit pendek (J_SC), faktor isi (FF), dan PCE meningkat secara signifikan, mengonfirmasi bahwa tingkat kelembaban yang modest memfasilitasi difusi ion dan pengurutan kristal [13,23]. Namun, peningkatan lebih lanjut ke 45 % RH menyebabkan penurunan tajam dalam semua parameter, dengan PCE jatuh ke 5,02 % (V_OC = 1,00 V, J_SC = 9,84 mA cm⁻², FF = 51,02 %). Kelembaban berlebih menginduksi film yang kasar dan poros serta mempercepat dekomposisi perovskit, merusak J_SC [18]. Dengan demikian, kelembaban udara optimal untuk perangkat bebas BTA adalah 15 % RH, menghasilkan PCE maksimum sebesar 13,21 % (rata-rata 12,48 %).

Penyisipan sejumlah BTA ke dalam prekursor PbI₂ secara signifikan mengubah morfologi film. Pada 25 % RH, film PbI₂ murni menunjukkan permukaan yang tidak homogen dan poros dengan butir besar (Fig. 3a), sedangkan film yang dimodifikasi BTA berkelanjutan, padat, dan memiliki butir lebih kecil (Fig. 3b). Karakter mudah terbakar dan sifat lewis basa BTA mengisolasi prekursor dari kelembaban ambien, mempromosikan penyebaran seragam dan memperlambat kristalisasi untuk menghasilkan film berkualitas tinggi. Konversi selanjutnya ke MAPbI₃ menghasilkan film padat, bebas celah, dengan butir besar (Fig. 3d), sementara kontrol menunjukkan butir kecil dan celah (Fig. 3c). Difraksi sinar X mengonfirmasi fase kristal yang sebanding untuk semua sampel; namun, film PbI₂ yang dimodifikasi BTA menunjukkan intensitas puncak 12,69° yang berkurang, yang menunjukkan butir yang lebih halus dan perlebaran puncak (Fig. 4a). Film MAPbI₃ menunjukkan puncak perovskit tetragonal yang khas (14,06°, 20,00°, 23,45°, 28,42°, 31,86°, 40,59°, 43,21°) dan puncak PbI₂ tersisa pada 12,69°, yang menunjukkan konversi yang tidak lengkap dalam ketidakhadiran BTA (Fig. 4b). Kristalitas yang ditingkatkan dan sisa PbI₂ yang berkurang dalam film yang diobati BTA berkaitan dengan kinerja fotovoltaik yang superior.

Spektrum serapan UV–Vis dari film MAPbI₃ (Fig. 5) mengonfirmasi kehadiran tepi band perovskit (~780 nm) dan bahu lemah di dekat 510 nm, yang menunjukkan sisa PbI₂. Film yang diobati BTA menunjukkan serapan sedikit lebih rendah karena profilnya yang lebih tipis, seperti yang diverifikasi oleh citra SEM potongan (inset).

Perangkat yang dibuat dari film perovskit yang ditingkatkan BTA mencapai PCE puncak sebesar 16,00 %, dengan J_SC = 22,29 mA cm⁻², V_OC = 1,10 V, dan FF = 65,25 %—peningkatan sekitar 40 % dibandingkan perangkat bebas BTA (PCE maksimum = 11,38 %). Peningkatan kinerja timbul dari lapisan perovskit yang lebih halus dan butir yang lebih besar yang memfasilitasi ekstraksi muatan yang efisien dan menekan rekombinasi.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa kelembaban ambien yang modest mempercepat kristalisasi PbI₂, menghasilkan film kasar dan butir besar yang mengurangi kinerja perangkat. Namun, tingkat kelembaban kecil (≈25 % RH) tidak berbahaya—atau bahkan bermanfaat—untuk konversi PbI₂-ke-MAPbI₃ ketika prekursor diobati sebelumnya dengan n-butil amin. BTA meningkatkan seragam dan kristalitas PbI₂, yang berterjemah menjadi film MAPbI₃ yang padat dan berkualitas tinggi serta PSC yang memberikan 16,00 % PCE dalam udara ambien. Strategi ini menawarkan rute yang dapat diskalakan dan bebas glove box untuk sel surya perovskit dengan efisiensi tinggi.

Singkatan

BTA:

N-butil amin

c‑TiO₂:

TiO₂ padat

DMF:

N,N-dimetilformamida

FF:

Faktor isi

FTO:

Kaca yang dilapisi SnO₂ dot fluorin

J_SC:

Kepadatan arus sirkuit pendek

J‑V:

Karakteristik kepadatan arus-tegangan

Li‑TFSI:

Litium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide

MA:

Metilamonia

mp‑TiO₂:

TiO₂ mesopor

PCE:

Efisiensi konversi daya

PSCs:

Sel surya perovskit

RH:

Kelembaban relatif

SEM:

Mikroskop elektron pencat

Spiro‑OMeTAD:

2,2′,7,7′‑Tetrakis[N,N‑di(4‑methoxyfenil)amino]‑9,9′‑spiro‑bifluorena

TBP:

4‑tert‑butilpiridin

V_OC:

Tegangan sirkuit terbuka

XRD:

Difraksi sinar X