Menyiapkan Sel Surya Perovskit Ambient-Processed dengan Sifat Elektronik yang Lebih Baik melalui Metode Deposisi Satu Langkah Berbantuan Pemanasan Awal
Abstrak
Meskipun efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskite (PSC) meningkat dengan cepat, masih ada beberapa masalah yang membatasi komersialisasi mereka. Perovskit sensitif terhadap molekul air, meningkatkan kesulitan dalam preparasi film perovskit dalam kondisi ambien. Sebagian besar PSC berkinerja tinggi berdasarkan metode konvensional harus disiapkan dalam kondisi atmosfer inert, yang meningkatkan biaya fabrikasi. Untuk membuat perovskit berkualitas tinggi dalam kondisi sekitar, kami memanaskan substrat dan memilih anti-pelarut yang tepat. Akibatnya, film perovskit target menunjukkan kristalinitas yang lebih baik dibandingkan dengan film perovskit yang dibuat melalui metode pengendapan satu langkah konvensional dalam kondisi sekitar. PSC yang disiapkan dalam kondisi ambien menghasilkan peningkatan PCE sebesar 16,89% dari PCE sebesar 11,59%. Dibandingkan dengan perangkat referensi, stabilitas kinerja PSC target jauh lebih baik daripada PSC referensi.
Pengantar
Sel surya perovskit (PSC) telah menarik banyak perhatian sejak perovskit hibrida organik-anorganik digunakan sebagai pemanen cahaya sel surya [1,2,3,4,5]. Film perovskite menunjukkan banyak sifat fotolistrik yang sangat baik seperti koefisien penyerapan cahaya yang tinggi, celah pita yang sesuai, dan transportasi muatan yang baik. Efisiensi konversi daya (PCE) tertinggi bersertifikat terbaru yang dilaporkan mencapai 25,2% (https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200311.pdf).
Struktur konvensional PSC mengandung lapisan transport muatan, lapisan light harvester, dan elektroda [6,7,8,9,10,11]. Lapisan pemanen cahaya yang disisipkan di antara lapisan transport muatan sangat penting untuk kinerja fotovoltaik PSC. Film perovskit terdiri dari banyak butiran kristal berukuran submikron, dan ukuran butiran ini terkait dengan proses preparasi film perovskit. Sebagian besar film perovskit disiapkan dalam kondisi udara kering atau gas inert untuk menghindari pengaruh molekul air pada proses kristalisasi film perovskit. Namun, menyiapkan film perovskit dalam kondisi gas inert atau udara kering akan meningkatkan biaya fabrikasi, yang tidak menguntungkan untuk komersialisasi PSC. Sejak tahun 2014, beberapa kelompok penelitian mulai mempelajari metode persiapan KKS dalam kondisi ambien [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Mereka membuat PSC menggunakan metode dua langkah, dan mereka mengoptimalkan bahan dan proses pengendapan film perovskit. PCE tertinggi mencapai 16%. Grup Miyasaka membuat PSC tipe mesopori berdasarkan CH3 NH3 PbI3 di bawah kondisi dengan kelembaban relatif 30% pada 25 °C [22]. Perangkat menghasilkan PCE 15,3% dan memiliki reproduktifitas yang baik. Perangkat yang disimpan dalam kondisi udara kering dan gelap selama 1 bulan mempertahankan 80% dari PCE awal. Pada tahun 2015, Mori et al., dari Aichi Institute of Technology, menggunakan metode bantuan aliran gas untuk menyimpan film perovskit dalam kondisi udara (kelembaban relatif 42–48% pada 25 °C) [24]. PSC tipe planar berdasarkan film perovskit ini memiliki PCE masing-masing 16,32% dan 13,31% di bawah arah pemindaian mundur dan maju. Ko dkk. fabrikasi tipe mesopori CH3 NH3 PbI3 PSC berbasis pada kondisi dengan kelembaban yang berbeda, dan perangkat yang disiapkan pada kondisi dengan kelembaban relatif 50% pada 23,1 °C menunjukkan kinerja fotovoltaik terbaik dengan PCE tertinggi 15,76% [14]. Mereka menggunakan metode deposisi tow-step, dan substrat dipanaskan terlebih dahulu sebelum spin-coating PbI2 larutan yang pelarutnya adalah dimetilformamida (DMF). PbI yang diperoleh2 memiliki transparansi yang ditingkatkan, dan PCE perangkat telah ditingkatkan menjadi 15% dari 10%. Peningkatan suhu pemanasan awal menyebabkan peningkatan ukuran butir film perovskit, tetapi residu PbI2 menjadi lebih. Oleh karena itu, penting untuk menemukan suhu pemanasan awal yang tepat untuk menyeimbangkan ukuran kristal dan efisiensi transfer PbI2 . Pada tahun 2017, Cheng dkk. meningkatkan tekanan uap pelarut untuk mengurangi masuknya oksigen dan molekul air selama PbI2 pengendapan melalui pemanasan awal substrat sebelum pengendapan PbI2 film [12]. Mereka memperoleh PSC yang diproses dengan udara yang dibuat di bawah kelembaban 70% RH, dan PCE mencapai 18,11%. Ada beberapa laporan bahwa molekul air dapat meningkatkan kualitas kristalisasi film perovskit selama langkah anil film perovskit ketika metode satu langkah digunakan untuk menyiapkan film perovskit. Pada tahun 2014, Anda dkk. menemukan bahwa PCE dari PSC tipe planar berdasarkan CH3 NH3 PbI3-X Klx ditingkatkan di bawah kelembaban tertentu [23]. Film perovskit dianil selama 1 jam di bawah kelembaban relatif 30 ± 5% pada suhu kamar, yang meningkatkan PCE menjadi 16,6%. Hasilnya juga menjelaskan bahwa kelembaban yang tepat bermanfaat untuk pembentukan perovskit yang lebih kompak. Banyak penelitian menunjukkan bahwa kelembaban relatif harus lebih rendah dari 80% selama persiapan perovskit. Pada tahun 2015, Lv dkk. dari Universitas Changzhou menggunakan dimethylacetamide sebagai pelarut perovskit [15]. Pelarut ini dapat mempercepat kristalisasi CH3 NH3 PbI3 perovskite sehingga afeksi kelembaban pada film perovskite akan menurun drastis. Oleh karena itu, perangkat dengan juara PCE 16,15% diperoleh dalam kondisi dengan kelembaban relatif 28% pada suhu kamar. Pada tahun 2016, Sveinbjornsson et al. juga memanaskan substrat dan mengoptimalkan suhu pada kisaran antara 20 dan 100 °C dalam kondisi sekitar [19]. PSC berdasarkan (FAPbI3 )1-x (MAPbBr3 )x dengan suhu pemanasan awal 50 °C menghasilkan rata-rata PCE sebesar 17,6%. Pada tahun 2019, Li dkk. mengoptimalkan suhu pemanasan awal dan waktu penurunan anti-pelarut untuk membuat CH3 NH3 PbI3 PSC berbasis di bawah kondisi dengan kelembaban relatif 90% pada suhu kamar [25]. Mereka memperoleh perangkat dengan output PCE 19,5%.
Rekayasa anti-pelarut adalah cara lain yang efektif untuk meningkatkan kinerja fotovoltaik dari PSC yang disiapkan dalam kondisi sekitar. Untuk menghindari pengaruh kelembaban pada formasi perovskit, pemilihan anti-pelarut sangat penting. Anti-pelarut yang umum digunakan termasuk klorobenzena, dietil eter, dan etil asetat. Troughton dkk. menganggap etil asetat bertindak sebagai bahan anti-pelarut dan penyerap kelembaban yang mengurangi ikatan molekul air, sehingga pelarut etil asetat lebih unggul dibandingkan dengan anti-pelarut lain seperti klorobenzena dan dietil eter.
Di sini, kami menggunakan metode pemanasan awal dalam proses deposisi satu langkah saat menyiapkan film perovskit dalam kondisi ambien (kelembaban relatif 25–30% pada 20 °C). Kami juga menggunakan pelarut etil asetat sebagai anti-pelarut sebagai pengganti dietil eter. Substrat yang dipanaskan dapat mempercepat penguapan pelarut, yang dapat mengurangi masuknya oksigen dan kelembaban. Selanjutnya, dietil eter tidak hanya dapat mengekstrak pelarut perovskit tetapi juga menyerap molekul air. PSC target menghasilkan PCE yang lebih baik sebesar 16,89% dibandingkan dengan PSC referensi. Dibandingkan dengan metode fabrikasi lainnya, metode ini lebih hemat biaya dan lebih sederhana. Tidak membutuhkan proses yang rumit.
Metode
Materi
Semua materi dibeli dari Ying Kou You Xuan Trade Co. Ltd, jika tidak disebutkan. DMF dan dimetil sulfoksida (DMSO) dibeli dari Sigma-Aldrich Corp. SnO2 larutan koloid nanopartikel dibeli dari Alfa Aesar. CH3 NH3 PbI3 larutan disiapkan dengan mencampurkan PbI2 , CH3 NH3 I, dan DMSO menjadi DMF menurut ref. [26]. Larutan HTL dibuat dengan melarutkan 72,3 mg (2,29,7,79-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9-spirobifluorene) (spiro-MeOTAD), 28,8 μL 4-tert-butylpyridine , 17,5 μL larutan stok 520 mg/mL lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide dalam asetonitril, dan 29 μL larutan 300 mg/ml FK209 dalam asetonitril dalam 1 ml klorobenzena.
Persiapan
Gelas ITO dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etil alkohol absolut, dan rendaman ultrasonik air deionisasi masing-masing selama 15 menit. Setelah kacamata ITO dibersihkan dengan perlakuan UV-Ozon selama 20 min, sebuah SnO2 film diendapkan dengan SnO encer spin-coating2 larutan koloid nanopartikel (Alfa Aesar (timah(IV) oksida, 15% dalam H2 O dispersi koloid)) menurut ref. [27]. Setelah spin-coating, SnO2 film dipanaskan pada 165 °C selama 0,5 h. Kemudian, substrat diperlakukan dengan UV-Ozon lagi dan dipindahkan ke glovebox. Film perovskit disiapkan sesuai dengan Gambar. 1. HTL dibuat dengan spin-coating larutan HTL pada 5000 rpm selama 30 s. Akhirnya, 100 nm elektroda atas Au diuapkan secara termal ke HTL.
a Metode pelapisan spin anti-pelarut dari film perovskit, b metode spin-coating anti-pelarut panas dari film perovskit, c foto perovskite yang diendapkan dengan metode berbeda
Karakterisasi
Kurva kerapatan-tegangan (J-V) arus PSC direkam oleh unit sumber Keithley 2400 di bawah iluminasi intensitas matahari AM 1.54G oleh silmulator surya dari Newport Corp. Pola difraksi sinar-X direkam dengan Bruker D8 ADVANCE A25X. Scanning electron microscope (SEM) dilakukan pada field emission fitting SEM (FE-Inspect F50, Holland). Penyerapan perovskit diukur menggunakan spektrofotometer Shimadzu 1500. Data statistik diplot menggunakan diagram kotak.
Hasil dan Diskusi
Proses metode spin-coating anti-pelarut konvensional (AS) dan metode spin-coating anti-pelarut panas (HS) masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 1 a dan b. Dibandingkan dengan AS, substrat dan dudukan untuk spin-coating perlu dipanaskan terlebih dahulu sebelum larutan perovskit dijatuhkan ke substrat. Anti-pelarut dijatuhkan ke permukaan sampel selama proses spin-coating. Setelah spin-coating, sampel dipindahkan ke pelat pemanas dengan suhu 165 °C. Penjatuhan anti-pelarut selesai sebelum film menjadi keruh. Foto-foto film perovskit yang dibuat dengan metode yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 1c. Di sini, dietil eter dan etil asetat digunakan sebagai anti-pelarut. Dibandingkan dengan dietil eter, etil asetat lebih cocok untuk deposisi perovskit dalam kondisi ambien. Etil asetat dapat menyerap molekul air dan melindungi film perovskit dari penetrasi air. Di sini, film perovskit yang dibuat dengan metode AS dan HS disebut masing-masing sebagai AS-perovskit dan HS-perovskit.
Di sini, kami membuat PSC berdasarkan HS-perovskite dan AS-perovskite. PSC berdasarkan AS-perovskite (AS-PSC) digunakan sebagai perangkat referensi. Ada dua jenis anti-pelarut yang berbeda yaitu dietil eter dan etil asetat yang digunakan dalam proses preparasi HS-perovskit. Hanya etil asetat yang digunakan sebagai anti-pelarut dalam proses pembuatan AS-perovskit. Kurva rapat arus versus tegangan (JV) untuk perangkat berkinerja terbaik di setiap kelompok ditunjukkan pada Gambar. 2a, dan parameter fotovoltaik tercantum dalam Tabel 1. Data statistik parameter fotovoltaik untuk lebih dari 15 perangkat di setiap kelompok adalah ditunjukkan pada Gambar. 3. PSC berdasarkan HS-perovskite (HS-PSC) menghasilkan kinerja fotovoltaik yang jauh lebih baik dibandingkan dengan AS-PSC. PSC berdasarkan film perovskit yang dibuat dengan metode HS dan etil asetat (HS-EA-PSCs) memiliki efisiensi konversi daya (PCE) tertinggi sebesar 16,89% dengan tegangan rangkaian terbuka (VOC ) sebesar 1,06 V, rapat arus hubung singkat (JSC ) sebesar 22,98 mA/cm
2
, dan fill factor (FF) sebesar 69,25%. Histeresis dari HS-EA-PSC juara ditunjukkan pada Gambar. 2b. PSC berdasarkan film perovskit yang dibuat dengan metode HS dan dietil eter (HS-DE-PSC) menghasilkan PCE sebesar 15,99%. PCE untuk PSC referensi adalah 11,59% yang jauh lebih rendah dari PCE HS-PSC. Dari kurva J-V dan data statistik, alasan utama peningkatan kinerja fotovoltaik di HS-PSC adalah peningkatan kerapatan arus yang jelas. Untuk mengeksplorasi mekanisme peningkatan kinerja fotovoltaik, beberapa karakterisasi telah dilakukan pada film perovskit.
a Perawatan JV PSC berdasarkan perovskit yang berbeda (garis hitam:HS EA, garis merah:HS DE, garis biru:AS EA) (HS EA adalah singkatan dari PSC berdasarkan perovskit yang disiapkan melalui metode pemanasan awal dengan anti-pelarut etil asetat, HS DE adalah singkatan dari PSC berdasarkan perovskite yang dibuat melalui metode pemanasan awal dengan anti-pelarut dietil eter, AS EA adalah singkatan dari PSC berdasarkan perovskite yang disiapkan melalui metode konvensional dengan anti-pelarut etil asetat), b Kurva J-V PSC berdasarkan HS EA di bawah arah pemindaian yang berbeda, c Variasi PCE dengan waktu, dan d variasi PCE yang dinormalisasi dengan waktu
Data statistik parameter fotovoltaik termasuk VOC (a ), JSC (b ), FF (c ), dan PCE (d )
Stabilitas PSC berdasarkan film perovskit yang berbeda juga telah dikarakterisasi. Perangkat disimpan dalam kondisi udara, dan kinerja fotovoltaik diukur setiap hari. Perubahan PCE dengan waktu ditunjukkan pada Gambar. 2b. Setelah 1 minggu, PCE HS-PSC menurun menjadi 14,25% dari PCE awal 16,89%, dan nilai tersebut mempertahankan 84,3% dari PCE awal. Namun, PCE AS-PSC turun menjadi 6,99% dari 12,09%, dan nilainya hanya tinggal 57,8% dari nilai PCE awal. Perubahan PCE yang dinormalisasi dari perangkat yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 2c. Hasil stabilitas memperjelas bahwa HS-PSC memiliki stabilitas kinerja yang jauh lebih baik. Alasan untuk stabilitas yang lebih baik akan dibahas di bagian berikut.
Kristalinitas dan topografi perovskit mempengaruhi kinerja fotovoltaik PSC. Sebuah film perovskite kompak dan seragam sangat penting untuk kinerja perangkat yang sangat baik. Lapisan penyerapan cahaya kompak dapat menghindari kontak langsung antara lapisan transport elektron dan lapisan transport lubang (HTL), dan permukaan yang seragam bermanfaat untuk cakupan lengkap HTL, mengurangi loop hubung singkat di dalam perangkat. Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari perovskit yang disiapkan dengan metode yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4. Dari gambar SEM, film perovskit kompak dan seragam, dan batas kristalnya jelas. Film perovskit yang dibuat dengan metode HS menunjukkan ukuran butir rata-rata yang jauh lebih besar yang menginduksi batas yang lebih kecil dan kerapatan cacat yang lebih rendah. Distribusi ukuran kristal perovskit ditunjukkan pada Gambar. 5. Ukuran rata-rata perovskit yang dibuat dengan metode AS dan metode HS masing-masing adalah 280 nm dan 360 nm. Dari Gambar 3, proporsi butiran kristal dengan ukuran lebih dari 400 nm di HS-perovskit jauh lebih besar daripada di AS-perovskit, yang konsisten dengan hasil gambar SEM permukaan. Ukuran kristal yang lebih besar menghasilkan stabilitas kelembaban yang lebih baik dari film perovskit.
Gambar SEM perovskit yang disiapkan dengan metode AS (a ) dan metode HS (b )
Distribusi ukuran butir film perovskit yang dibuat dengan metode AS (a ) dan metode HS (b )
Kristalinitas film perovskit dikarakterisasi menggunakan pengukuran difraksi sinar-x (XRD). Pola XRD ditunjukkan pada Gambar. 6. Puncak yang terletak pada 14,1°, 28,4° dan 31,3° masing-masing sesuai dengan (110), (220), dan (310) bidang film perovskit. Tidak ada puncak yang terlihat di sekitar 12° dalam pola XRD, menunjukkan bahwa hampir tidak ada PbI2 residu di kedua film perovskit. Film perovskit berdasarkan metode AS dengan anti-pelarut EA memiliki puncak XRD yang lebih tinggi, memperjelas kristalinitas yang lebih baik.
a Pola XRD dari HS-perovskit dan AS-perovskit. b Kurva penyerapan cahaya tampak UV dari berbagai film perovskit
Pengukuran penyerapan sinar UV-tampak dilakukan untuk mengkarakterisasi kapasitas penyerapan cahaya perovskit yang dibuat dengan metode yang berbeda. Perovskite memfilmkan penyerapan nyata ketika panjang gelombang cahaya datang di bawah 770 nm. Tepi serapan film perovskit yang dibuat dengan metode yang berbeda tumpang tindih, menunjukkan bahwa semua film perovskit memiliki celah pita yang sama dan bahan film perovskit tidak terpengaruh oleh metode persiapan. Penyerapan film HS-perovskit lebih tinggi daripada film AS-perovskit pada rentang panjang gelombang 450–700 nm. Penyerapan film HS-perovskit yang lebih tinggi menghasilkan densitas pembawa yang diinduksi foto yang lebih tinggi, yang mengarah ke densitas arus yang lebih tinggi pada perangkat yang dioperasikan di bawah penerangan sinar matahari.
Kesimpulan
Singkatnya, kami menggunakan metode satu langkah berbantuan pemanasan awal untuk membuat film perovskit berkualitas tinggi dalam kondisi sekitar. Kami juga membandingkan anti-pelarut yang berbeda untuk menyiapkan film perovskit. PSC target berdasarkan metode HS yang disiapkan perovskit dengan anti-pelarut EA menunjukkan kinerja fotovoltaik terbaik dengan PCE yang ditingkatkan sebesar 16,89% dibandingkan dengan PSC referensi. Performa fotovoltaik yang ditingkatkan dihasilkan dari kristalinitas film perovskit HS-EA yang lebih baik. Kristalinitas perovskit yang lebih baik juga menghasilkan stabilitas kinerja yang lebih tinggi. Karya ini telah mengklarifikasi bahwa metode satu langkah dengan bantuan pemanasan awal adalah cara yang efektif untuk menyiapkan film perovskit dalam kondisi sekitar.
