JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להתאים את המאפיינים של CH פתרון מעובד 3 NH 3 PBI 3, באמצעות שילוב של תוספים קטיון חד ערכי על מנת להשיג תאים סולריים יעילים perovskite מאוד.

Abstract

הנה, אנחנו מדגימים שילוב של תוספי קטיון חד ערכיים לתוך CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite כדי להתאים את האופטי, excitonic, מאפיינים חשמליים. האפשרות של סימום נחקרה על ידי הוספת הלידים קטיון חד ערכיים עם רדיוס יוני דומה Pb 2+, כולל Cu +, Na +, ו Ag +. משמרת ברמה פרום ירידה מרשימה של קליטה אופטית-bandgap משנה, יחד עם הפרעה אנרגטית נמוך יותר perovskite, הושגה. תנופה כדי-של-הגודל של ניידות חור בתפזורת הפחתה משמעותית של אנרגית שפעול והובל בתוך מכשיר perovskite מבוסס כתוסף הושגה. המפגש של תכונות משופרות הנ"ל בנוכחות קטיונים אלה הביא שיפור בפרמטרים פוטו של התאים הסולריים perovskite. גידול של 70 mV מתח המעגל הפתוח עבור AGI ו 2 mA / 2 ס"מ שדrovement בצפיפות פוטונים עבור NaI- ותאים סולריים מבוססים CuBr הושג לעומת המכשיר והטהור. עבודתנו סוללת את הדרך עבור שיפורים נוספים באיכות אופטו של CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite והתקנים הבאים. זה מדגיש דרך חדשה חקירות על עצם את התפקיד של זיהומי dopant התגבשות ושולט צפיפות הפגם האלקטרונית במבני perovskite.

Introduction

נכון לעכשיו, את החלק הדומיננטי של דרישת האנרגיה של העולם (כלומר, 85%) הוא להיות מסופק על ידי הבעירה של נפט, פחם, גז טבעי, אשר הופכת לפשוט התחממות הגלובלית ויש לו השפעות מזיקות על הסביבה שלנו 1. לכן, פיתוח של CO 2 מקורות -neutral האנרגיה הוא עניין בעל חשיבות עליונה. Photovoltaics (PV) הוא תהליך המרת אנרגיה אידיאלי שיכול לענות על דרישה זו. עם זאת, עלות ויעילות, כמו המכשולים העיקריים לאימוץ נרחב בטכנולוגיית PV, חייב להשתפר. מתעוררים טכנולוגיות PV מבוסס על חומרים חדשים, כגון תאים סולריים perovskite (PSC), יש את השילוב של עלויות נמוכות ולהתייעלות. זו מושגת באמצעות הניצול של חומרים זולים כי הם זמינים, כמו גם דרך מהירה, קלילים, ומסלולי עיבוד אנרגיה נמוכה לעומת עמיתיהם מבוססי סיליקון 2, 3,4. שיפור מרשימה היעילה המרת הכח (PCE), מ -3.8% ליותר מ -22%, דווח על perovskite ההיברידית אורגנית-אורגנית להוביל הליד מאז ההופעה הראשונה שלה באדריכלות PV 5, 6, 7, 8. כזה ביצועים מעולים מקורו אור הקליטה החזקה עם להקה-קצה חד מאוד, ההפרעה האנרגטית הנמוכה מאוד, אקסיטונים-הקשורים בחולשה שהתפרקו בקלות לתוך ספקים חינם עם אורכי דיפוזיה גדולים, ואת יכולת מחזור הפוטון של היברידי אורגנית-אורגני הליד להוביל perovskite 9, 10, 11, 12. חומרים אלה מסווגים במשפחה perovskite, אשר מתגבשים מלחי הליד הליד ומתכת אורגני ליצירת גבישים של ABX 3 מבנה, כאשר X הוא אניון ו- A ו- B הם קטיונים בגדלים שונים (יצור גדול יותר B). קטיונים מדווחים עבור אתר לכלול methylammonium (MA), formamidinium (FA), ו צסיום (Cs); שילוב של קטיונים אלו מציג את 13 הביצועים הגבוהים ביותר, 14. יתר על כן, המועמד הראשי עבור קטיון divalent באתר B הוא להוביל, אשר יכול להיות מוחלף על ידי פח; bandgap יכול להיות אדום העביר בהצלחה ליותר מ 1,000 ננומטר א-פח להוביל מעורבב perovskite 15. בדומה לכך, דיירי X-האתר נחקרו רבות, שם תערובת של יודיד (אני) ו ברומיד (Br) הוכנסו המועמדים העיקריים 16, 17. לכן, זה מאוד לא סביר כדי לתפעל את מבניים, מורפולוגיים, ו אופטו המאפיינים של perovskites ידי שינוי ההרכב הכימי שלהם.

למרות העובדה כי crysta משופרתאיכות lline והאחידות מקרוסקופית של סרט perovskite הן פרמטרים מרכזיים להשיג מכשירים יעילים 18, את ההשפעה של הגבולות בין תחומי polycrystalline, את המקור ואת התפקיד של פגמים אלקטרוניים בולמי perovskite, ואת תפקידיו של שכבות אוסף תשלום על תהליכי אובדן של תאים סולאריים perovskite עדיין אינם מובנים היטב. באשר לאופייה של פגמים אלקטרוניים במבנה perovskite, זה כבר דווח כי חלק ניכר מן הליקויים, כגון I או משרות Pb, לגרום למדינות שהן מאוד קרובים או בתוך הרצף של מדינות להקות ההולכה ערכיות, אשר עשוי להיות השלכה אלקטרונית שלילית על ההתקנים פוטו 19. בנוסף, אינטראקציה מליטה קוולנטיים חזקה בין קטיונים עופרת אניונים יודיד במישור perovskite עלולה להוביל קיומם של פגמים מהותיים (למשל, תחת מתואמת Pb הדימרים ואני trimers), אשר יכול creatאתרי e בתוך קצה הלהקה אשר פועל מרכזי רקומבינציה תשלום במהלך המבצע של המכשיר 20.

כאן, אנו לחקור את ההשפעה של CH סימום 3 NH 3 PBI 3 perovskite עם הלידים קטיון חד ערכיים, כולל Na +, Cu +, ו Ag +, יונים של מתכות נמוכות-ערכיות מ Pb 2+. לפיכך, אנו משלבים קטיונים אלה באמצעות התוספת של כמות רציונלים של המלחים הליד המבוססת שלהם (למשל, נאה, CuBr, קואי, ואגי) לתוך תמיסת perovskite המבשרת. יש קטיונים אלו רדיוס יוני דומה Pb 2+, כך סימום תמורתי בתוך הגביש צפוי. הראינו כי נוכחות של קטיונים אלה בתוקף משפיע הן על המורפולוגיה הכיסוי של שכבת perovskite. בנוסף, הנוכחות של קטיונים אלה (למשל, Na + ו Ag +) אושרה על ידי ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS), וכן משמעותישינוי לא ברמת perovskite פרמי נמדד על ידי מיקרוסקופ כוח בדיקת קלווין (KPFM). על ידי שילוב קטיונים אלה לתוך תאים סולריים perovskite שהופקדו ברצף, השגנו שיפור היעיל פוטו של PSC (15.6% להשוות ל -14%). לכן, זה מאוד חיוני כדי לשפר את התכונות המבניות אופטו של שכבת הבולם (למשל, perovskite) באדריכלות תאים סולרית על מנת למקסם את תחבורת התשלום כדי passivate מלכודות השטח כדי להגיע לביצועי PV הגבוהים ביותר.

Protocol

סינתזת 1. ההפקדה של CH הזך האפס מבוסס 3 NH 3 PBI 3

הערה: כל הפתרונים הוכנו בתוך תא הכפפות ארגון בתנאים לחים ו שבשליטת חמצן (H 2 O רמה: <1 ppm ו- O 2 רמה: <10 עמודים לדקה).

  1. ממיסים 553 מ"ג (1.2 M) של PBI 2 ב 1 מ"ל של N, -dimethylformamide N (DMF) תחת בחישה מתמדת על 80 מעלות צלזיוס.
  2. להוסיף 0.02 M של הלידים קטיון חד ערכי לפתרון 2 PBI.
  3. ספין-מעיל הפתרון שקוף צהוב וכתוצאה מכך על גבי המצע (למשל, mesoporous-Tio 2) למשך 30 שניות ב -6,500 סל"ד עם רמפה של 4,000 סל"ד.
  4. אופים את הסרטים על פלטה חמה על 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
  5. ממיסים 40 מ"ג של יודיד methylammonium (MAI) ב 5 מ"ל של isopropanol.
  6. ספין-מעיל כמות מספקת של הפתרון MAI על סרטים יודיד להוביל וכתוצאה מכך באמצעות protoc שני שלביםol הכוללת 45 שניות של זמן טעינה ואחריו 20 שניות של מסתובב ב -4,000 סל"ד.
  7. לחשל סרטי perovskite מצופה הספין על פלטה חמה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 45 דקות.

2. ייצור תאים סולריים

  1. הכנת תשתית
    1. תבנית מסוממת פלואור תחמוצת בדיל (FTO) זכוכית מצופית.
      1. מכסה את האזור הפעיל של זכוכית FTO עם סרט דביק שקוף למחצה.
      2. יוצקים את אבקת אבץ (Zn) על האזורים הלא מכוסה של מצעים FTO.
      3. כן 2 M של חומצה הידרוכלורית (HCl) במים מזוקקים.
      4. יוצקים את הפתרון HCl על החלק של הזכוכית FTO כי הוא מכוסה באבקת Zn.
      5. שטפו את FTO במים והסר את הסרט.
    2. ניקוי המצעים
      1. לשטוף את הכוס FTO באמצעות 2% (w / v) חומר ניקוי.
      2. Sonicate מצעים FTO ונחקק אצטון isopropanol (IPA) במשך 10 דקות.
      3. פנק את מצעי FTO עם ultraviolet / O 3 נקי במשך 15 דקות.
  2. בתצהיר של שכבת חסימת חור
    1. להוסיף 0.6 מ"ל של bis טיטניום diisopropoxide (acetylacetonate) (TAA) ב 7 מ"ל של IPA.
    2. שימו מצעי FTO ניקו בדוגמת על פלטה חמה ב 450 ° C ו לכסות את שטח המגע לפני החימום.
    3. ריסוס פירוליזה פתרון TAA על האזור המכוסה באמצעות O 2 כגז המוביל.
    4. השאר את הדגימות ב 450 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות.
  3. בתצהיר של שכבת העברת אלקטרונים
    1. לדלל את הדבק המסחרי Tio 2 (30 ננומטר גודל חלקיקים) עם אתנול (2: 7, יחס משקל).
    2. Homogenize דילול 2 Tio ידי sonicating במשך 30 דקות.
    3. ספין מעייל דילול טיטניה על הדגימות המוכנות עם שכבות קומפקטיות Tio 2 למשך 30 שניות ב 5000 סל"ד עם רמפה של 2,000 סל"ד.
    4. לחשל סרטי טיטניה ב 500 מעלות צלזיוס למשך 30דקות.
    5. פנקו את הסרטים mesoporous Tio 2 וכתוצאה מכך פתרון 40 מ"מ של TiCl 4 במים מזוקקים על 70 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות.
    6. לחשל הסרטים -treated 4 TiCl ב -450 ° C למשך 30 דקות.
  4. בתצהיר של שכבת perovskite
    הערה: מצעים FTO עם שכבות טיטניה הועברו תיבת אוויר יבש עם לחות של <1% למשך שארית של תהליך הייצור.
    1. ספין-מעיל הפתרונות יודיד מוכן עופרת (עם ובלי dopants) על טיו mesoporous 2 למשך 30 שניות ב -6,500 סל"ד עם רמפה של 4,000 סל"ד.
    2. אופים את הסרטים על פלטה חמה על 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
    3. ספין-מעיל כמות מספקת של הפתרון MAI לתוך הסרטים יודיד להוביל וכתוצאה מכך באמצעות פרוטוקול שני שלבים הכוללת 45 שניות של זמן הטעינה ואחריו ספינינג עבור 20 שניות ב 4000 סל"ד עם רמפה של 2,000 סל"ד.
    4. לחשל הסרטים perovskite מצופה ספין על hotplaטה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 45 דקות.
  5. בתצהיר של שכבת התעבורה החור
    1. הוסף 72.3 מ"ג של ספירו-OMeTAD ל 1 מ"ל של chlorobenzene ולנער עד הפתרון הופך שקוף.
    2. כן פתרון מניות של bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI) על ידי הוספת 520 מ"ג של LiTFSI ב אצטוניטריל.
    3. להוסיף 17.5 μL של פתרון המניות LiTFSI 28.8 μL של 4- טרט -butylpyridine (TBP) לפתרון ספירו-OMeTAD.
    4. ספין-מעיל הפתרון הנ"ל למשך 30 שניות ב 4000 סל"ד עם רמפה של 2,000 סל"ד.
  6. אידוי תרמי של קשר העליון
    1. מסכת דגימות ולשים אותם בתא ואקום של המאייד.
    2. להתאדות 80 ננומטר של זהב בשיעור של 0.01 ננומטר / s.

תוצאות

במיקרוסקופ אלקטרוני סורק פליטת שדה (FESEM) שמש כדי להקליט את שני תמונות החתך של התאים הסולריים perovskite המפוברק (איור 1) ולהציג תמונות גבי סרטי 3 PBI 3 PBI 2 ו- CH 3 שהופקדו NH (איור 2). רנטגן עקיפה (XRD) וספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS) הועסקו לאפיין את תכונות מבניות של סרטים perovskite (איורים 3 ו -4). ספקטרוסקופיה סטיה photothermal (PDS) ו מיקרוסקופ כוח קלווין בדיקה (KPFM) שימשו כדי לחקור את תכונות אופטיות וחשמליות של הסרטים perovskite, בהתאמה (איורים 5, 6). יתר על כן, מדידות הובלה בצובר תלוית טמפרטורה מבוססת על הנוכחי מוגבל שטח תשלום (SCLC) בוצעו על מכשירי perovskite (האיור 7). לבסוף, photovolta תקןic מדידה של המכשירים המפוברקים בוצעה (איור 8 ולוח 1).

בהתבסס על תמונות SEM-מבט מלמעלה של PBI 2 ו- CH 3 NH 3 PBI 3 שהופקדו על השכבה Tio 2 mesoporous (MP-Tio 2) שמוצג באיור 2, השפעת התוספים על המורפולוגיה של perovskite הומחשה שם גבישים גדולים בצורת ענף של PBI 2 הושגו במדגם המבוסס הנאה. זה הוביל להיווצרות גבישים אסימטרי גדולים של perovskite. יתר על כן, השגנו שכבת מכסת perovskite אחידה חריר חינם במשך CuI- ודוגמאות אגי מבוססות (איור 2 ג ו 2e). כדי לחקור את ההשפעה של תוספי הליד קטיון חד ערכי על המבנה הגבישי של CH 3 NH 3 PBI 3 ועל המרה של PBI 2 לתוך CH 3 NH 3 PBI3, קרני ה- X עקיפה בוצע (איור 3). למרות המבנה הגבישי של perovskite הסופי נשאר זהה עבור כל הדגימות, ברור כי השיא דיפרקציה ב 2θ = 12.6, אשר תואמת את unconverted PBI 2, חוסל בנוכחות תוספים ניי וכלי CuBr. על מנת לאשר את קיומו של קטיונים חד ערכי אלה בתוך CH 3 NH 3 PBI 3 סרטים perovskite, ביצענו ניתוח XPS, כפי שמוצג באיור 4. על בסיס הנתונים XPS, הפגנו נוכחות של יונים Na ו Ag בתוך הסרטים perovskite, ואילו ריכוז של Cu לא יכול להיות מוערך, כנראה בשל קרבתו של יודיד (אני 3p1 / 2) ונחושת (Cu 2p1 / 2) פסגות.

השפעת תוספי קטיון חד ערכי על ספקטרום הספיגה של perovskite מוצג ציור 5a, אשר נמדדה על ידי PDS.ברור כי CH מבוסס-כתוסף 3 NH 3 PBI 3 היה ספיגת תת-bandgap נמוך לעומת המדגם וטהור. יתר על כן, זנב קליטה נצפה עבור דגימות מבוססות Cu, שמקורו מן הקליטה הפנימית של הליד נחושת (איור 5 ב). למרות זנב הקליטה מאשר את נוכחותו של קטיונים Cu בסרטי perovskite הסופיים, ברור, בהתבסס על ההשוואה בין PDS של קואי מבוסס PBI 2 ו- CH 3 NH 3 PBI 3, כי ההתאגדות שלהם אינה שלמה. בנוסף, אנרגית אורבך (EU), המהווה מדד של מידת ההפרעה האנרגטית של חומר, נאמדה וטהור, NaI-, CuBr-, CuI-, ו perovskite מבוסס אגי, ואת הערכים הם 15.6, 11.8, 12.8, 13.5, ו -15.2 MeV, בהתאמה (הבלעה של איור 5 א).

כדי לחקור את ההשפעה של התוספים הנ"ל על אלקטרונמבנה onic של CH 3 NH 3 PBI 3, בצענו KPFM, והפרש פוטנציאל המגע (CPD) של פרופילי הקו נמדד. זו תואמת את פונקצית משטח העבודה (Φ) של perovskite שמוצג באיור 6. שינוי ברור של CPD (כלומר, 0.1 V) של תוסף מבוסס perovskite לעומת אחד והטהור מראה כי רמת פרמי perovskite מוסטת לכיוון הלהקה הערכי. שינוי זה ברמת perovskite פרמי ניתן לייחס גם ל- p-סימום תמורתי (למשל, החלפת Pb 2+ עם קטיונים חד ערכיים X +) או פסיבציה שטח על משטחי הגבישים של perovskite.

כדי לחקור את ההשפעה של סימום על הצפיפות של חיובים על תחבורת המאפיינים שלהם CH 3 NH 3 PBI 3, בצענו מדידות הובלה בצובר תלוית טמפרטורה (איור 7 א ). לאחר מכן, אנו הערכנו את ספק הניידות בתפזורת (μ SCL) מבוססים על תשלום החלל הנוכחי המוגבל (SCLC) של אלקטרון המלא חור בלבד וטהור והתקני perovskite מבוססים כתוסף. עלייה מרשימה מוליכות הן mobilities אלקטרון וחור הושגו, במיוחד עבור דגימות ניי וכלי CuBr לעומת perovskite וטהור (טבלה 1). ראוי לציין כי השיפור ניידות תשלום המוליכות עולים בקנה אחד עם השיפור בזרם לקצר (SC J) ולמלא גורם (FF) של התאים הסולריים המפוברקים שמוצגים 7b איור. יתר על כן, אמדנו את אנרגית השפעול לתחבורת תשלום (E A) הוא האלקטרון והחור באמצעות מדידות הובלה בצובר תלוית טמפרטורה, שם ירידה ברורה הושגה עבור perovskite מבוסס כתוסף. שיפור זה מיוחס הצפיפות הגבוהה יותר של ספקים בגלל סימום ה המילוידואר מלכודות תחבורה, שתוצאתה ירידה משמעותית מכשול התחבורה.

אנחנו מפוברקים תאים סולריים perovskite מבוסס על הלידים קטיון חד ערכים הנ"ל, עקומות JV המקבילות, ואת הפרמטרים פוטו כי מסוכמי 8a איור ולוח 1. שיפור משמעותי מתח מעגל פתוח הושג הוא CuI- (0.99 V) AgI- (1.02 V) מבוסס תאים סולריים בגלל כיסוי שטח האידיאלי (איור 2 ג ו 2e). יתר על כן, עלייה מרשימה ומזרם קצר (-2 ס"מ ≈2 mA) עבור CuBr- ותאים סולריים מבוססי Nai הושג, אשר ניתן לייחס את ההמרה מלא PBI 2 לתוך CH 3 NH 3 PBI 3. שיפור זה אושר על ידי יעילות המרת אירוע פוטון אל שוטפים (IPCE) הספקטרום המוצג איור 8b. לבסוף, hיעילות ההמרה igher כוח (PCE) רמות של 15.2%, 15.6%, ו -15.3% הושגו עבור NaI-, CuBr-, והתקנים מבוססי קואי, בהתאמה, להשוות לערך 14.0% עבור תאים סולריים perovskite וטהור.

figure-results-6025
איור 1: ארכיטקטורת תא Mesoscopic perovskite שמש. SEM חתך מיקרוסקופ של מכשיר שלם עם המבנה הבא: FTO / קומפקטית-Tio 2 / mesoporous-Tio 2 / CH 3 NH 3 PBI 3 / ספירו-OMeTAD / Au.

figure-results-6442
איור 2: ניתוח מורפולוגי של יודיד להוביל ומבנים perovskite. תמונות SEM Top-לאור PBI 2 (צד שמאל) ו- CH 3 NH 3 PBI 3 (צד ימין) מבנים: (א) וטהור, ( רונג> b) CuBr-, (ג) CuI-, (ד) NaI-, ו- (ה) דגימות perovskite מבוססי אגי שהופקד על mesoporous Tio 2 מצופה FTO. נתון זה שוחזר בהפניה 18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-7202
איור 3: השפעת תוספי הליד קטיון חד ערכי על crystallinity perovskite. ספקטרום קרני ה- X עקיפה של CH וטהור כתוסף מבוססי 3 NH 3 PBI 3 perovskite כי הוא גדל על הסרט mesoporous Tio 2, אשר מופקד על זכוכית מצופה FTO. נתון זה שוחזר בהפניה 18.t = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-7754
איור 4: עקבות של קטיונים חד ערכי של CH 3 NH 3 מבנה perovskite PBI 3. ניתוח XPS של וטהור, CuBr-, CuI-, NaI-, וסרטים perovskite מבוססי אגי. נתון זה שוחזר בהפניה 18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-8311
איור 5: תכונות אופטיות של שכבות perovskite. (א) ספקטרום הקליטה של סרטי perovskite נגזרים מקורות מובילים וטהורים מבוסס כתוסף נמדד באמצעות טכניקת PDS. ההבלעה מציגה את אנרגיות אורבך המתאימות עבור כל הדגימות. בר השגיאה מוגדר על ידי SD לשבץ את זנב האורב. (ב) השוואה בין ספקטרום קליטת PDS של סרטים וטהורים CuBr להוביל מבוסס יודיד ו perovskite, כמו גם CuBr שהופקדה על MS-Tio 2 ו CuBr בלבד סרטים. נתון זה שוחזר בהפניה 18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-9131
איור 6: השפעת תוספי קטיון חד ערכי על פוטנציאל השטח של סרטים perovskite. פרופילי קו CPD רשמו מסרטי perovskite וטהורים מבוסס כתוסף באמצעות KPFM. תמונת טופוגרפית AFM מוצגת בחלק העליון. נתון זה שוחזר בהפניה 18 . אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-9706
איור 7: מאפייני התחבורה הממונה על סרטים perovskite. (א) מאפייני JV של מכשירים בלבד חור (איטו / PEDOT: PSS / perovskite / Au), מנוצלים על מנת לאמוד את ניידות חור SCLC. ראוי לציין, כי צפיפות הזרם (J) תשתנה עם עובי שכבות perovskite. ה (ב) מגמות sc J, מיקרון h, ודואר μ עבור perovskite וטהור כתוסף מבוסס. נתון זה שוחזר בהפניה 18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

t "FO: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-10404
איור 8: מאפייני הביצועים פוטו. (א) מאפיינים נוכחי מתח של מכשירים תחת תאורה של 100 mW / 2 ס"מ, שהושגו באמצעות סוגים שונים של הלידים קטיון חד ערכי להוסיף את הפתרון מקור להוביל. (ב) תקרית פוטון אל הנוכחי יעילות (IPCE) ספקטרה כפונקציה של אורך הגל של אור מונוכרומטי עבור וטהור, CuBr-, CuI-, NaI-, ותאים סולריים perovskite מבוססי אגי. נתון זה שוחזר בהפניה 18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

0.04
סוג המדגם J SC V OC FF PCE דואר μ μ h E A E E ע"ה
(mA -2 ס"מ) (V) (%) (2 ס"מ / Vs) (2 ס"מ / Vs) (MeV) (MeV)
וטהור 21.03 0.95 0.70 14.01 0.02 0.008 135 198
CuBr 22.92 0.95 0.72 15.61 0.05 88 132
קואי 21.81 0.99 0.71 15.25 0.02 .036 94 157
נאה 22.97 0.9 0.73 15.14 0.04 0.07 77 137
אגי 19.24 1.02 0.72 14.18 0.005 0.006 105 177

טבלה 1: פוטו ותחבורה תשלום פרמטרים של PSC. סיכום של פרמטרי פוטו הנגזר ממדידות JV ו mobilities תשלום, יחד עם הפעלת האנרגיה עבור התאים הסולריים perovskite והטהורים מבוסס כתוסף המציגים את הביצועים הטובים ביותר והיה fabricated בשיטה בתצהיר בן שני שלבים. ראוי לציין כי לפי הנתונים של פרמטרים פוטו ללכת באותה מגמה כמו מכשירים בעלות הביצועים הטובים ביותר. טבלה זו שוחזרה בהפניה 18.

Discussion

ארכיטקטורה טיפוסית של תאים סולריים perovskite mesoscopic שמשה בעבודה זו, שבו שורה של חומרים היו מצופי ספין בין מצע מוליך איש קשר מתכת תרמית-התאדה (איור 1). שכבות mesoporous 2 Tio טופלו TiCl 4, אשר דווח passivate מלכודות המשטח כדי לשפר את הממשק בין שכבת התעבורה האלקטרון לבין חומר בולם 21, 22. שכבת perovskite הופקדה בטכניקה בתצהיר שני שלבים רציפה. ההמרה מלאה הליד עופרת לתוך perovskite בשלב השני הכרחית על מנת להשיג את קליטת האור הגבוהה ביותר 16, 17, והראינו כי התוספים הליד קטיון חד הערכי (למשל, ניי וכלי CuBr) לגרום המרה מלאה. יתר על כן, כיסוי מלא של שכבת טיטניה mesoporous wה- i perovskite מעל השכבה חיונית לחסל רקומבינציה פוטנציאל בין שכבת תעבורת חור (למשל, ספירו OMETAD) ואת שכבת הובלת אלקטרונים (למשל, mesoporous 2 Tio) 23. הדגמנו כי הוספת הלידים קטיון חד ערכי (למשל, קואי ואגי) יכול לשפר את כיסוי השטח של שכבת מכסת perovskite, מה שמוביל מתח המעגל הפתוח גבוה עבור ההתקן.

היתרון העיקרי של השיטה שלנו הוא צעד הסימום, שבו שילבנו קטיונים חד ערכיים לתוך מבנה CH 3 NH 3 PBI 3 כדי לשפר את הצפיפות של חיובים, להובלת המטען, ואת המוליכות של שכבת הבולם. כאמור בסעיף הקודם, dopants הנ"ל משופר באופן משמעותי הוא את האלקטרון לבין mobilities החור. בנוסף, בישראל פוחת בצורה משמעותית את אנרגית שפעול תחבורת תשלום, כמו גם ההפרעה האנרגטית של perovskiסרט te, הושג על ידי סימום קטיון חד ערכי.

בעבודה זו, יש לנו הפגינו שיטה לסמים CH 3 NH 3 PBI 3 כנדבך בולם את mesoscopic perovskite מבנה תאים סולריים. הלידים קטיון חד ערכי שימשו לכוון את המאפיינים המורפולוגיים, אופטי, וחשמליים של CH 3 NH 3 PBI 3 הסרט perovskite כדי לשפר את הביצועים פוטו. לכן, אנו משולבים שלושה קטיונים חד ערכיים שונים (כלומר, Na +, Cu +, ו Ag +), אשר יש רדיוס יוני דומה Pb 2+, במקור ההובלה בתצהיר שני שלבים הרציף של CH 3 NH 3 PBI 3 . כתוצאה מכך, שיפור מרשים התכונות המבניות אופטו של CH 3 NH 3 PBI 3 התרחש בנוכחות תוספים אלה, מה שמוביל PCEs הגבוה עבור התאים הסולריים המפוברקים. לכן, היי עבודתנוghlights דרך קלילה של סימום ה- CH 3 NH 3 PBI 3 כנדבך בולם, אשר ניתן להשתמש בם בכל התצורות האחרות של תאים סולריים perovskite (למשל, אדריכלות מישוריים) על מנת לשפר את האיכות האלקטרונית נוסף של שכבות דקות perovskite.

הנתונים שבבסיס מאמר זה זמינים בכתובת: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

Disclosures

The authors declare that they have no competing financial interests.

Acknowledgements

מ עאבדי-זאלאביה תודה נאוה טכנולוגיה בע"מ למלגה PhD. דר M.Grätzel MI להודות עיר נמל תעופה ג'דה למדע וטכנולוגיה (KACST) ואת השוויצרי הקרן הלאומית למדע (SNSF) עבור תמיכה כספית. המחברים מבקשים להודות לד"ר פיר Mettraux במרכז אפיון המולקולרי היברידי חומרים, EPFL לביצוע מדידות XPS. A.Sadhanala מודה תמיכה כספית בתודה מפרויקט APEX Indo-UK. SP Senanayak מכיר בלונדון האגודה המלכותית אחוות ניוטון. RH לחבר, מ 'עבדי-זאלאביה, וא Sadhanala רוצים להכיר את התמיכה מן EPSRC.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glassSigma-Aldrich 735264-1EAResistivity≈13 Ω/sq
Zinc powderSigma-Aldrich 96454Molecular Weight 65.39 
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich 84415≥37 wt. %
Hellmanex detergent Sigma-Aldrich Z805939-1EApkg of 1 L 
Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) Sigma-Aldrich 32525275 wt. % in isopropanol
Titania PasteDYESOLMS00230030 NR-D Transparent Titania Paste
Lead(II) iodideSigma-Aldrich21116899 wt. %
N,N-Dimethylformamide Sigma-Aldrich 437573ACS reagent, ≥99.8%
Methylammonium iodideDYESOLMS101000Powder 
SpiroMeOTADSigma-Aldrich 79207199% (HPLC)
Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium saltSigma-Aldrich 54409499.95% trace metals basis 
4-tert-ButylpyridineSigma-Aldrich 142379Purity: 96%
ChlorobenzeneSigma-Aldrich284513anhydrous, 99.8%
2-Propanol (IPA)Sigma-Aldrich 278475anhydrous, 99.5% 
EthanolSigma-Aldrich2860absolute alcohol, without additive, ≥99.8%

References

  1. Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges. Science. 352, 307 (2016).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).
  3. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10 (5), 391-402 (2015).
  4. Snaith, H. H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 4 (21), 3623-3630 (2013).
  5. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  6. Kim, H. S., et al. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Sci. rep. 2, 591 (2012).
  7. Jeon, N. J., et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 517 (7535), 476-480 (2014).
  8. Li, X., et al. A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large-area perovskite solar cells. Science. 353 (6294), 58-62 (2016).
  9. Manser, J. S., Kamat, P. V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites. Nat. Photonics. 8 (9), 737-743 (2014).
  10. Xing, G., et al. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3. Science. 342 (6156), 344-347 (2013).
  11. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
  12. Pazos-Outon, L. M., et al. Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells. Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).
  13. Saliba, M., et al. Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency. Energy Environ. Sci. 9 (6), (2016).
  14. Pellet, N., et al. Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar-light harvesting. Angew. Chemie - Int. Ed. 53 (12), 3151-3157 (2014).
  15. Hao, F., Stoumpos, C. C., Chang, R. P. H., Kanatzidis, M. G. Anomalous band gap behavior in mixed Sn and Pb perovskites enables broadening of absorption spectrum in solar cells. J. Am. Chem. Soc. 136 (22), 8094-8099 (2014).
  16. Dar, M. I., Abdi-Jalebi, M., Arora, N., Grätzel, M., Nazeeruddin, M. K. Growth Engineering of CH 3 NH 3 PbI 3 Structures for High-Efficiency Solar Cells. Adv. Energy Mater. 6 (2), 1501358 (2016).
  17. Ibrahim Dar, M., et al. Understanding the Impact of Bromide on the Photovoltaic Performance of CH3 NH3 PbI3 Solar Cells. Adv. Mater. 27 (44), 7221-7228 (2015).
  18. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of Monovalent Cation Halide Additives on the Structural and Optoelectronic Properties of CH 3 NH 3 PbI 3 Perovskite. Adv. Energy Mater. 6 (10), 1502472 (2016).
  19. Yin, W. J., Shi, T., Yan, Y. Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Appl. Phys. Lett. 104 (6), 063903/1-063903/4 (2014).
  20. Agiorgousis, M. L., Sun, Y. Y., Zeng, H., Zhang, S. Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3. J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).
  21. Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells. RSC Adv. 6 (75), (2016).
  22. Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells. J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).
  23. Abdi-Jalebi, M., et al. Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells. The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

121CH 3 NH 3 PBI 3 Perovskite

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved