Name: monovalent cation doping of ch3nh3pbi3 for efficient perovskite solar cells
Uploaded: 2017-03-19T14:00:00
Duration: 8 min 30 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells at JoVE.com

M. Abdi-Jalebi grâce Nava Technology Limited pour une bourse de doctorat. MI Dar et M.Grätzel remercient le Abdulaziz City King pour la science et la technologie (KACST) et le Fonds national suisse (FNS) pour le soutien financier. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Pierre Mettraux dans le moléculaire et la caractérisation des matériaux hybrides Center, EPFL pour la réalisation des mesures XPS. A.Sadhanala remercie le soutien financier du projet indo-britannique APEX. SP Senanayak reconnaît la Royal Society de Londres pour le Newton Fellowship. RH ami, M. Abdi-Jalebi, et A. Sadhanala aimeraient remercier le soutien de l&#39;EPSRC.

1. Synthèse et dépôt de Pristine et à base d&#39;additif CH 3 NH 3 PbI 3 NOTE: Toutes les solutions ont été préparées à l&#39; intérieur d&#39; une boîte à gants d&#39;argon dans des conditions humidité et l&#39; oxygène contrôlée (H 2 O niveau: &lt;1 ppm et O 2 niveaux: &lt;10 ppm). <ol><li> Dissoudre 553 mg (1,2 M) de PbI 2 dans 1 ml de N, N - diméthylformamide (DMF) sous agitation constante à 80 ° C. </li><li> Ajouter 0,02 M d&#39;halogénures de cations monovalents dans la solution PbI 2. </li><li> Spin-couche transparente de la solution jaune obtenue sur le substrat (par exemple mésoporeuse-TiO2) pendant 30 s à 6500 tours par minute avec une rampe de 4000 tours par minute. </li><li> Cuire les films sur une plaque chauffante à 80 ° C pendant 30 min. </li><li> Dissoudre 40 mg d&#39;iodure de méthylammonium (AMI) dans 5 ml d&#39;isopropanol. </li><li> Spin-coat une quantité suffisante de solution AMI sur les films d&#39;iodure de plomb résultant en utilisant un protoc en deux étapesol qui comprend 45 s de temps de chargement suivi de 20 s de la filature à 4000 rpm. </li><li> Recuire les films perovskite enduction centrifuge sur une plaque chauffante à 100 ° C pendant 45 min. </li></ol> 2. Cellule solaire Fabrication <ol><li> Préparation du support <ol><li> Motif oxyde d&#39;étain dopé au fluor (FTO), le verre revêtu de. <ol><li> Couvrir la zone active du verre FTO avec du ruban adhésif semi-transparent. </li><li> Verser la poudre de zinc (Zn) sur les zones découvertes des substrats FTO. </li><li> Préparer 2 M d&#39;acide chlorhydrique (HCl) dans l&#39;eau distillée. </li><li> Verser la solution de HCl sur la partie du verre FTO qui est recouvert d&#39;une poudre de Zn. </li><li> Laver la FTO à l&#39;eau et enlever le ruban. </li></ol></li><li> Nettoyage des substrats <ol><li> Laver le verre FTO en utilisant 2% (p / v) de détergent. </li><li> Soniquer les substrats FTO gravés dans de l&#39;acétone et de l&#39;isopropanol (IPA) pendant 10 min. </li><li> Traiter les substrats FTO avec un ULTRAViolet / O 3 nettoyant pendant 15 min. </li></ol></li></ol></li><li> Dépôt d&#39;une couche de blocage de trous <ol><li> Ajouter 0,6 ml de bis diisopropoxyde de titane (acétylacétonate) (TAA) dans 7 mL d&#39;IPA. </li><li> Mettez les substrats FTO nettoyés et à motifs sur une plaque chauffante à 450 ° C et couvrir la zone de contact avant le chauffage. </li><li> Vaporisez la solution pyrolyse TAA sur la zone à découvert en utilisant O 2 comme gaz porteur. </li><li> Laisser les échantillons à 450 ° C pendant 30 min. </li></ol></li><li> Dépôt d&#39;une couche de transport d&#39;électrons <ol><li> Diluer la pâte commerciale TiO2 (taille de particule 30 nm) avec de l&#39; éthanol (2: 7, le rapport en poids). </li><li> Homogénéiser le TiO2 dilution par sonication pendant 30 min. </li><li> Spin-coat le dioxyde de titane dilution sur les échantillons préparés avec compacts TiO 2 couches pendant 30 s à 5000 rpm avec une rampe de 2000 tours par minute. </li><li> Recuire les films d&#39;oxyde de titane à 500 ° C pendant 30min. </li><li> Traiter les films mésoporeux TiO 2 dans une solution 40 mM de TiCl 4 dans l&#39; eau distillée résultant à 70 ° C pendant 20 min. </li><li> Recuire le TiCl 4 films traités par 450 à ° C pendant 30 min. </li></ol></li><li> Dépôt de la couche de perovskite NOTE: Les substrats FTO avec des couches d&#39;oxyde de titane ont été transférés à une boîte à air sec avec une humidité de &lt;1% pour le reste du processus de fabrication. <ol><li> Spin-coat les solutions préparées d&#39;iodure de plomb (avec et sans dopants) sur le TiO 2 mésoporeux pour 30 s à 6.500 tours par minute avec une rampe de 4000 tours par minute. </li><li> Cuire les films sur une plaque chauffante à 80 ° C pendant 30 min. </li><li> Spin-couche d&#39;une quantité suffisante de solution AMI dans les films d&#39;iodure de plomb résultant en utilisant un protocole en deux étapes qui comprend 45 s de temps de chargement, suivie par centrifugation pendant 20 secondes à 4000 tours par minute avec une rampe de 2000 tours par minute. </li><li> Recuire les films perovskite enduction centrifuge sur un hotplate à 100 ° C pendant 45 min. </li></ol></li><li> Dépôt de la couche de transport de trous <ol><li> Ajouter 72,3 mg de spiro-OMeTAD à 1 ml de chlorobenzène et agiter jusqu&#39;à ce que la solution devienne transparente. </li><li> Faire une solution mère de bis (trifluorométhylsulfonyle) imide (LiTFSI) en ajoutant 520 mg de LiTFSI dans l&#39;acétonitrile. </li><li> Ajouter 17,5 ul de la solution mère LiTFSI et 28,8 pi de 4- tert -butylpyridine (TBP) à la solution spiro-OMeTAD. </li><li> Spin-couche de la solution ci-dessus pendant 30 s à 4000 tours par minute avec une rampe de 2000 tours par minute. </li></ol></li><li> Évaporation thermique du contact supérieur <ol><li> Masque les échantillons et les mettre dans la chambre à vide de l&#39;évaporateur. </li><li> Evaporer 80 nm d&#39;or à un taux de 0,01 nm / s. </li></ol></li></ol>

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	<li>Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photovoltaic+materials+-+present+efficiencies+and+future+challenges.">Photovoltaic materials - present efficiencies and future challenges.</a> Science. 352, 307 (2016).</li><li>Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+perovskite+solar+cells.">The emergence of perovskite solar cells.</a> Nat. Photonics. 8 (7), 506-514 (2014).</li><li>Stranks, S. D., Snaith, H. 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D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-Hole+Diffusion+Lengths+Exceeding+1+Micrometer+in+an+Organometal+Trihalide+Perovskite+Absorber.">Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber.</a> Science. 342 (6156), 341-344 (2013).</li><li>Pazos-Outon, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+recycling+in+lead+iodide+perovskite+solar+cells.">Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells.</a> Science. 351 (6280), 1430-1433 (2016).</li><li>Saliba, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cesium-containing+Triple+Cation+Perovskite+Solar+Cells:+Improved+Stability,+Reproducibility+and+High+Efficiency.">Cesium-containing Triple Cation Perovskite Solar Cells: Improved Stability, Reproducibility and High Efficiency.</a> Energy Environ. 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Y., Zeng, H., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strong+Covalency-Induced+Recombination+Centers+in+Perovskite+Solar+Cell+Material+CH+3+NH+3+PbI+3.">Strong Covalency-Induced Recombination Centers in Perovskite Solar Cell Material CH 3 NH 3 PbI 3.</a> J. Am. Chem. Soc. 136 (41), 14570-14575 (2014).</li><li>Andaji Garmaroudi, Z., Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+facile+low+temperature+route+to+deposit+TiO2+scattering+layer+for+efficient+dye-sensitized+solar+cells.">A facile low temperature route to deposit TiO2 scattering layer for efficient dye-sensitized solar cells.</a> RSC Adv. 6 (75), (2016).</li><li>Abdi-Jalebi, M., Mohammadi, M. R., Fray, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-Layer+TiO2+Electrodes+with+Controlled+Phase+Composition+and+Morphology+for+Efficient+Light+Management+in+Dye-Sensitized+Solar+Cells.">Double-Layer TiO2 Electrodes with Controlled Phase Composition and Morphology for Efficient Light Management in Dye-Sensitized Solar Cells.</a> J. of Clust. Sci. 25 (4), 1029-1045 (2014).</li><li>Abdi-Jalebi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+a+Mesoporous+Titania-Perovskite+Interface+on+the+Performance+of+Hybrid+Organic-Inorganic+Perovskite+Solar+Cells.">Impact of a Mesoporous Titania-Perovskite Interface on the Performance of Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells.</a> The J. Phys. Chem. Lett. 7 (16), 3264-3269 (2016).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

Une architecture typique des cellules solaires perovskite mésoscopiques a été utilisé dans ce travail, où une série de matériaux ont été déposée par centrifugation entre un substrat conducteur et un contact métallique thermiquement évaporé (Figure 1). Les mésoporeux couches de TiO 2 ont été traitées avec du TiCl 4, qui est signalé à passiver les pièges de surface et pour améliorer l&#39;interface entre la couche de transport d&#39;électrons et le matériau absorbant 21, 22. La couche de perovskite a ensuite été déposé en utilisant une technique de dépôt en deux étapes séquentielle. La conversion complète des halogénures de plomb en perovskite dans la deuxième étape est essentielle pour atteindre l&#39;absorption la plus élevée de la lumière 16, 17, et nous avons montré que les additifs d&#39;halogénures de cations monovalents (par exemple, Nal et CuBr) aboutissent à une conversion complète. En outre, la couverture complète de la couche mésoporeuse d&#39;oxyde de titane wvec la perovskite est essentiel sur la couche d&#39;éliminer les possibilités de recombinaison entre la couche de transport de trous (par exemple Spiro OMeTAD) et la couche de transport d&#39;électrons (par exemple mésoporeuse TiO 2) 23. Nous avons montré que l&#39; addition des halogénures de cations monovalents (par exemple, Cui et AGI) peut améliorer la couverture de la surface de la couche de perovskite coiffage, ce qui conduit à une tension de circuit ouvert supérieur de l&#39;appareil. Le principal avantage de notre méthode est l&#39;étape de dopage, où nous avons incorporé des cations monovalents dans le NH 3 PbI 3 Structure CH 3 pour améliorer la densité de charges, le transport de charge, et la conductivité de la couche absorbante. Comme indiqué dans la section précédente, les dopants précités améliorés de manière significative à la fois l&#39;électron et les mobilités des trous. En outre, une diminution notable de l&#39;énergie d&#39;activation de transport de charge, ainsi que dans le désordre énergique des Perovskile film te, a été atteint par cation monovalent dopage. Dans ce travail, nous avons démontré une méthode pour doper CH 3 NH 3 PbI 3 comme une couche absorbante dans le mésoscopique perovskite structure de cellule solaire. Les halogénures de cations monovalents ont été utilisés pour ajuster les propriétés morphologiques, optiques et électriques de CH 3 NH 3 3 PbI du film perovskite afin d&#39;améliorer les performances photovoltaïques. Par conséquent, nous avons incorporé les trois cations différents monovalents ( par exemple, Na +, Cu + et Ag +), qui ont des rayons ioniques semblables à Pb 2+, dans la source de premier plan dans la séquence de dépôt en deux étapes de CH 3 NH 3 PbI 3 . Par conséquent, une amélioration remarquable des propriétés structurelles et opto - électroniques de CH 3 NH 3 PbI 3 est produite en présence de ces additifs, ce qui conduit à PCEs plus élevés pour les cellules solaires fabriquées. Par conséquent, notre salut de travailghlights un moyen aisé de dopage du CH 3 NH 3 PbI 3 en tant que couche absorbante, qui peut être utilisé dans toutes les autres configurations de cellules solaires de type pérovskite (par exemple, l&#39; architecture plane), afin d&#39;améliorer encore la qualité électronique des films minces perovskite. Les données sous-jacentes ce document sont disponibles à: https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260187.

À l&#39; heure actuelle, la partie dominante des besoins en énergie dans le monde (soit 85%) est fournie par la combustion du pétrole, du charbon et du gaz naturel, ce qui facilite le réchauffement climatique et a des effets néfastes sur notre environnement 1. Par conséquent, le développement de sources de CO 2 d&#39;énergie neutres en est d&#39; un intérêt primordial. Photovoltaïque (PV) est un processus de conversion d&#39;énergie idéale qui peut répondre à cette exigence. Cependant, le coût et l&#39;efficacité, comme les principaux obstacles à l&#39;adoption étendue de la technologie photovoltaïque, doit être améliorée. Emerging technologies photovoltaïques à base de nouveaux matériaux, tels que les cellules solaires perovskite (PSC), avoir la combinaison d&#39;un faible coût et une plus grande efficacité. Ceci est réalisé grâce à l&#39;utilisation de matériaux bon marché qui sont facilement disponibles, ainsi que par le biais rapide, facile, et les voies de transformation à faible consommation d&#39;énergie par rapport à leurs homologues à base de silicium 2, 3,4. Une amélioration remarquable de l&#39;efficacité de conversion de puissance (PCE), de 3,8% à plus de 22%, a été rapportée pour hybrides organiques-inorganiques halogénures de plomb perovskite depuis sa première apparition dans l&#39; architecture PV 5, 6, 7, 8. Cette superbe performance provient de l&#39;absorption de la lumière forte avec une bande de pointe extrêmement forte, la très faible désordre énergétique, les excitons faiblement liés qui se dissocient facilement dans des supports libres avec de grandes longueurs de diffusion, et la capacité de photons de recyclage de hybride organique-inorganique L&#39; halogénure de plomb perovskite 9, 10, 11, 12. Ces matériaux sont classés dans la famille perovskite, qui sont cristallisé à partir de sels d&#39;halogénures et halogénures métalliques organiques pour former des cristaux dans le ABX 3 </sub&gt; La structure, dans laquelle X est un anion et A et B sont des cations de différentes tailles (A étant plus grand que B). cations signalés pour le site A comprennent méthylammonium (MA), formamidinium (FA), et le césium (Cs); une combinaison de ces cations 13 montre le plus performant, 14. En outre, le candidat principal pour le cation divalent dans le site B est du plomb, qui peut être remplacé par de l&#39;étain; la bande interdite peut être avec succès décalée vers le rouge à plus de 1000 nm dans un plomb-étain mélangé perovskite 15. De même, les occupants au site X ont été largement étudiés, où un mélange d&#39;iodure (I) et le bromure (Br) ont été introduits en tant que les principaux candidats 16, 17. Par conséquent, il est hautement vraisemblable de manipuler les propriétés structurales, morphologiques et opto-électroniques de pérovskites, en modifiant leur composition chimique. En dépit du fait que le renforcement crystala qualité de l&#39; lline et l&#39;uniformité macroscopique du film perovskite sont des paramètres clés pour réaliser des dispositifs efficaces 18, l&#39;impact des frontières entre les domaines polycristallins, l&#39;origine et le rôle des défauts électroniques dans les absorbeurs perovskite, et le rôle des couches de collecte de charge sur processus de perte dans les cellules solaires perovskite ne sont pas encore bien compris. En ce qui concerne la nature des défauts électroniques dans la structure perovskite, il a été rapporté que la plupart des défauts, tels que I ou Pb postes vacants, entraîner des états qui sont très proches ou dans le continuum d&#39;états dans les bandes de conduction et de valence, qui pourrait avoir un impact négatif électronique sur les dispositifs photovoltaïques 19. En outre, une forte interaction de liaison covalente entre les cations et les anions iodure de plomb dans le plan de perovskite peut conduire à l&#39;existence de défauts intrinsèques (par exemple, la sous-dimères coordonné Pb et trimères I), qui pourrait create sites au sein de l&#39;extrémité de bande qui agissent comme des centres de recombinaison chargé pendant le fonctionnement du dispositif 20. Ici, nous étudions l&#39;impact du dopage CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite avec des halogénures de cations monovalents, y compris Na +, Cu + et Ag +, inférieure à valence des ions métalliques que Pb 2+. Nous incorporons donc ces cations par l&#39;addition d&#39;une quantité raisonnable de leurs sels à base d&#39; halogénure (par exemple Nal, CuBr, CuI, et AgI) dans la solution de précurseur de perovskite. Ces cations ont des rayons ioniques semblables à Pb 2+, de sorte que le dopage substitutive dans le cristal est probable. Nous avons montré que la présence de ces cations affecte fortement à la fois de la morphologie et de la couverture de la couche de perovskite. En outre, la présence de ces cations (par exemple, Na + et Ag +) a été confirmée par spectroscopie de photoélectrons X (XPS), et un significant changement dans le niveau de Fermi de perovskite a été mesurée par Kelvin microscopie à force de sonde (KPFM). En intégrant ces cations dans des cellules solaires perovskite déposées séquentiellement, nous avons obtenu une amélioration du rendement photovoltaïque de la CFP (15,6% à comparer à 14%). Par conséquent, il est très important d&#39;améliorer les propriétés structurelles et opto - électroniques de la couche d&#39;absorbeur (par exemple, la perovskite) dans l&#39; architecture de la cellule solaire afin de maximiser le transport de charges et pour passiver les pièges de surface afin d&#39;atteindre le rendement photovoltaïque le plus élevé.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Fluorine doped Tin Oxide (FTO)-coated glass</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:119px;">735264-1EA</td>
			<td style="width:167px;">Resistivity&#8776;13 &#937;/sq</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Zinc powder</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:119px;">96454</td>
			<td>Molecular Weight 65.39&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Hydrochloric acid&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td style="width:119px;">84415</td>
			<td>&#8805;37 wt. %</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Hellmanex detergent&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td>Z805939-1EA</td>
			<td>pkg of 1 L&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">325252</td>
			<td>75&#160;wt. % in isopropanol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Titania Paste</td>
			<td style="width:71px;">DYESOL</td>
			<td style="width:119px;">MS002300</td>
			<td>30 NR-D Transparent Titania Paste</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Lead (II) iodide</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">211168</td>
			<td>99 wt. %</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">N,N-Dimethylformamide&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">437573</td>
			<td>ACS reagent, &#8805;99.8%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Methylammonium iodide</td>
			<td style="width:71px;">DYESOL</td>
			<td style="width:119px;">MS101000</td>
			<td>Powder&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">SpiroMeOTAD</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">792071</td>
			<td>99% (HPLC)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">544094</td>
			<td>99.95% trace metals basis&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">4-tert-Butylpyridine</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">142379</td>
			<td>Purity: 96%</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Chlorobenzene&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">284513</td>
			<td>anhydrous, 99.8%</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">2-Propanol&#160; (IPA)</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">278475</td>
			<td>anhydrous, 99.5%&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Ethanol</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich&#160;</td>
			<td align="right" style="width:119px;">2860</td>
			<td>&#160;absolute alcohol, without additive, &#8805;99.8%&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

monovalent cation doping of ch3nh3pbi3 for efficient perovskite solar cells

Ici, nous démontrons l&#39;incorporation d&#39;additifs de cations monovalents dans CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite afin d&#39;ajuster l&#39;optique, excitonique, et les propriétés électriques. La possibilité de dopage a été étudiée par l&#39; addition de cations monovalents halogénures avec des rayons ioniques semblables à Pb 2+, y compris Cu +, Na + et Ag +. Un changement dans le niveau de Fermi et une diminution remarquable de l&#39;absorption optique sous-bandgap, avec un trouble inférieur énergique dans la perovskite, a été atteint. Une amélioration d&#39;ordre de grandeur dans la mobilité des trous en vrac et une réduction significative de l&#39;énergie d&#39;activation de transport dans un dispositif perovskite à base d&#39;additif a été atteint. La confluence des propriétés améliorées mentionnées ci-dessus, en présence de ces cations a conduit à une amélioration des paramètres photovoltaïques de la cellule solaire perovskite. Une augmentation de 70 mV de la tension de circuit ouvert pour Agi et 2 mA / cm 2 improvement densité photocourant pour les cellules solaires à base de CuBr nai- et ont été réalisés par rapport à l&#39;appareil vierge. Notre travail ouvre la voie à de nouvelles améliorations de la qualité optoélectronique de CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite et appareils suivants. Il met en évidence une nouvelle voie pour les enquêtes sur le rôle des impuretés dopantes dans la cristallisation et contrôle la densité de défauts électroniques dans les structures perovskite.

La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) a été utilisé pour enregistrer les deux images en coupe transversale des cellules solaires perovskite fabriquées (Figure 1) et vue de dessus les images des déposés PbI 2 et CH 3 NH 3 PbI 3 films (Figure 2). Diffraction des rayons X (XRD) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont été utilisées pour caractériser les propriétés structurales des films de perovskite (figures 3 et 4). Spectroscopie de déflexion photothermique (PDS) et Kelvin microscopie à force de sonde (KPFM) ont été utilisés pour sonder les propriétés optiques et électriques des films perovskite, respectivement (figures 5 et 6). En outre, des mesures de transport en vrac dépendant de la température en fonction de la charge d&#39;espace courant limité (SCLC) a été réalisée sur les dispositifs perovskite (figure 7). Enfin, une norme photovoltaIC mesure des dispositifs fabriqués a été réalisée (figure 8 et tableau 1). Sur la base de la vue depuis le haut des images MEB du PbI 2 et CH 3 NH 3 PbI 3 déposée sur la mésoporeuse couche de TiO 2 (PF-TiO2) représentée sur la figure 2, l&#39;effet des additifs sur la morphologie de la perovskite a été illustré où de gros cristaux de PbI 2 en forme de ramification ont été obtenus dans l&#39;échantillon à base de Nal. Cela a conduit à la formation de grands cristaux asymétriques de perovskite. En outre, nous avons obtenu une couche uniforme et perovskite sténopé sans plafonnement pour les échantillons à base de Agi cui- et (figure 2c et 2e). Pour étudier l&#39;effet de cation monovalent des additifs d&#39;halogénures sur la structure cristalline de CH 3 NH 3 PbI 3 et sur la conversion de PbI 2 en CH 3 NH 3 PbIDiffraction 3, X-ray a été réalisée (Figure 3). Bien que la structure cristalline de la perovskite finale est resté le même pour tous les échantillons, il est évident que le pic de diffraction à 2θ = 12,6, ce qui correspond à la non convertie PbI 2, a été éliminé en présence de Nal et CuBr additifs. Afin de confirmer la présence de ces cations monovalents dans le CH 3 NH 3 PbI 3 films perovskite, nous avons procédé à une analyse XPS, comme le montre la figure 4. Sur la base des données de XPS, nous avons démontré la présence de Na et des ions Ag dans les films de perovskite, tandis que la concentration en Cu ne peut pas être estimée, probablement en raison de la proximité de l&#39;iodure (I 3p1 / 2) et le cuivre (Cu 2p1 / 2) pics. L&#39;effet des additifs de cation monovalent sur le spectre de la perovskite d&#39;absorption est représenté sur la figure 5a, qui a été mesurée par le PDS.Il est évident que l&#39;additif à base-CH 3 NH 3 PbI 3 était plus faible absorption de la sous-bande interdite par rapport à l&#39;échantillon vierge. En outre, une queue d&#39;absorption a été observée pour les échantillons à base de Cu, qui proviennent de l&#39;absorption intrinsèque de l&#39; halogénure de cuivre (figure 5b). Bien que la queue d&#39;absorption confirme la présence de cations Cu dans les films finaux de perovskite, il est évident, sur la base de la comparaison entre le PDS PBI 2 et CH 3 NH 3 PbI 3, que leur incorporation ne sont pas complets basés CuI. En outre, l&#39;énergie Urbach (Eu), qui est une mesure du degré de désordre énergétique d&#39;un matériau, a été estimée pour immaculée, perovskite à base d&#39;Agi nai-, CuBr-, cui-, et, et les valeurs sont 15,6, 11,8, 12,8, 13,5, et 15,2 meV respectivement (encart de la figure 5a). Pour explorer l&#39;influence des additifs mentionnés ci-dessus sur le électrStructure onic de CH 3 NH 3 PbI 3, nous avons effectué KPFM, où la différence de potentiel de contact (DPC) des profils de ligne a été mesurée. Ceci correspond à la fonction de travail de surface (Φ) de la perovskite représentée sur la figure 6. Un changement clair dans la CPD (ie, 0,1 V) de l&#39; additif à base d&#39;perovskite par rapport à une vierge montre que le niveau de Fermi perovskite est décalée vers la bande de valence. Ce changement dans le niveau de Fermi de perovskite peut être attribué soit substitutive p-dopage (par exemple, le remplacement de Pb 2+ avec des cations monovalents X +) ou passivation de surface au niveau des surfaces cristallines de perovskite. Pour étudier l&#39;effet du dopage sur la densité des charges et sur leurs propriétés de transport dans CH 3 NH 3 PbI 3, nous avons effectué des mesures de transport en vrac selon la température (figure 7a </strong&gt;). Nous avons ensuite estimé la mobilité des porteurs en vrac (μ SCL) sur la base de la charge d&#39;espace courant limité (SCLC) de l&#39;électron complet et dispositifs perovskite à base d&#39;additif trou seulement vierge et. Une augmentation remarquable de la conductivité et à la fois les mobilités des électrons et des trous ont été obtenus, en particulier pour les échantillons Nal et CuBr par rapport à la perovskite vierge (tableau 1). Il est à noter que l&#39;amélioration de la mobilité de charge et de la conductivité sont compatibles avec l&#39;amélioration dans le courant de court - circuit (J sc) et le facteur de remplissage (FF) des cellules solaires fabriquées représentées sur la figure 7b. En outre, nous avons estimé l&#39;énergie d&#39;activation pour le transport de charge (E A) tant pour l&#39;électron et le trou en utilisant des mesures de transport en vrac dépendant de la température, où une nette diminution a été obtenue pour la perovskite à base d&#39; additif. Cette amélioration est attribuée à la forte densité des porteurs en raison du dopage et e remplissagepièges de transport e, qui se traduit par une baisse significative de la barrière de transport. Nous avons fabriqué des cellules solaires à base de perovskite sur les halogénures précités de cations monovalents, les courbes JV correspondants, ainsi que les paramètres photovoltaïques qui sont résumées dans la figure 8a et le tableau 1. Une amélioration significative de la tension en circuit ouvert a été obtenue pour les deux cui- (0,99 V) et agita- (1,02 V) sur la base des cellules solaires en raison de la couverture de surface idéale (figure 2c et 2e). En outre, une augmentation remarquable dans le courant de court - circuit (≈2 mA cm -2) pour CuBr- et les cellules solaires à base de Nal a été atteint, ce qui peut être attribué à la pleine conversion du PBI 2 en CH 3 NH 3 PbI 3. Cette amélioration a été confirmée par les spectres de photons incidents à un rendement de conversion de courant (IPCE) représentée sur la figure 8b. Enfin, hENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR efficacité de conversion de puissance (PCE) niveaux de 15,2%, 15,6%, et 15,3% ont été atteints pour nai-, CuBr- et dispositifs à base de CUI, respectivement, comparer à la valeur de 14,0% pour la cellule solaire perovskite vierge. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig1.jpg" /> Figure 1: perovskite mésoscopique architecture de cellule solaire. MEB en coupe transversale d&#39;un dispositif complet avec la structure suivante: FTO / compact-TiO 2 / mésoporeux-TiO 2 / CH 3 NH 3 PbI 3 / Spiro-OMeTAD / Au. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig2.jpg" /> Figure 2: L&#39; analyse morphologique de l&#39; iodure de plomb et structures perovskite. Top-view images MEB de PbI 2 (côté gauche) et CH 3 NH 3 PbI 3 structures (côté droit): (a) vierge, ( <st<html> Rong&gt; b) CuBr-, (c) de cui-, (d) nai-, et (e) des échantillons à base de pérovskites AGI-déposés sur un mésoporeuse de TiO 2 revêtu de FTO. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="figure 3" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig3.jpg" /> Figure 3: Effet de cation monovalent additifs d&#39;halogénures sur cristallinité perovskite. Diffraction des rayons X de spectres vierge et additif à base de CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite qui est cultivé sur un film mésoporeux TiO 2, qui est déposée sur le verre revêtu FTO. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18.t = &quot;_ blank&quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig4.jpg" /> Figure 4: traces de cations monovalents dans le CH 3 NH 3 PbI 3 structure perovskite. analyse XPS des films, perovskite vierges à base de Agi CuBr-, cui-, nai-, et. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig5.jpg" /> Figure 5: Propriétés optiques des films perovskite. (A) Les spectres d&#39;absorption des films perovskite provenant de sources de plomb vierges et les additifs à base mesurée en utilisant la technique PDS. leencart montre les énergies Urbach correspondantes pour tous les échantillons. La barre d&#39;erreur est définie par la SD dans l&#39;ajustement de la queue Urbach. (B) La comparaison des spectres d&#39;absorption du PDS des films vierges et de l&#39; iodure de plomb à base de CuBr et de perovskite, ainsi que CuBr déposée sur ms-TiO 2 et CuBr exclusivement des films. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig6.jpg" /> Figure 6: Effet d&#39;additifs de cations monovalents sur le potentiel de surface des films de perovskite. profils de ligne CPD enregistrées à partir de films perovskite vierges et à base d&#39;additifs utilisant KPFM. L&#39;image de la topographie AFM est affiché en haut. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18<html> . <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig7.jpg" /> Figure 7: caractéristiques de transport de charge de films perovskite. (A) les caractéristiques de JV de dispositifs de trous seulement (ITO / PEDOT: PSS / perovskite / Au), utilisées pour estimer la mobilité des trous SCLC. A noter que la densité de courant (J) est mis à l&#39;échelle avec l&#39;épaisseur des couches de perovskite. (B) Les tendances dans la sc J, u h et μ e pour perovskite vierge et à base d&#39; additif. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig7large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> t &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/55307/55307fig8.jpg" /> Figure 8: caractéristiques de performance photovoltaïque. (A) les caractéristiques courant-tension des dispositifs sous un éclairement de 100 mW / cm2, obtenus en utilisant différents types d&#39;halogénures monovalents ajoutés à la solution source de cations de plomb. (B) Incident efficacité photon-courant (IPCE) spectres en fonction de la longueur d&#39; onde de lumière monochromatique pour les cellules perovskite immaculées, à base de Agi CuBr-, cui-, nai- et solaires. Ce chiffre a été reproduit à partir de la référence 18. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55307/55307fig8large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Type d&#39;échantillon </td><td>J SC </td><td> V OC </td><td> FF </td><td> PCE </td><td> μ e </td><td> μ h </td><td> E A e </td><td> E A h </td></tr><tr><td></td><td> (mA cm -2) </td><td> (V) </td><td></td><td> (%) </td><td> (cm 2 / Vs) </td><td> (cm 2 / Vs) </td><td> (meV) </td><td> (meV) </td></tr><tr><td> Parfait </td><td> 21.03 </td><td> 0,95 </td><td> 0,70 </td><td> 14.01 </td><td> 0,02 </td><td> 0,008 </td><td> 135 </td><td> 198 </td></tr><tr><td> CuBr </td><td> 22,92 </td><td> 0,95 </td><td> 0,72 </td><td> 15,61 </td><td> 0,05 </td><td&gt; 0,04 </td><td> 88 </td><td> 132 </td></tr><tr><td> CuI </td><td> 21,81 </td><td> 0,99 </td><td> 0,71 </td><td> 15.25 </td><td> 0,02 </td><td> 0,036 </td><td> 94 </td><td> 157 </td></tr><tr><td> Nal </td><td> 22,97 </td><td> 0,9 </td><td> 0,73 </td><td> 15.14 </td><td> 0,04 </td><td> 0,07 </td><td> 77 </td><td> 137 </td></tr><tr><td> Agi </td><td> 19.24 </td><td> 1.02 </td><td> 0,72 </td><td> 14.18 </td><td> 0,005 </td><td> 0,006 </td><td> 105 </td><td> 177 </td></tr></tbody></table> Tableau 1: photovoltaïques et de transport de charge des paramètres de la CFP. Résumé des paramètres photovoltaïques dérivées de mesures JV et mobilités de charge, ainsi que l&#39;énergie d&#39;activation pour les cellules solaires perovskite vierges et à base d&#39;additifs qui présentent les meilleures performances et ont été fabricated en utilisant le procédé de dépôt en deux étapes. Il est à noter que les statistiques des paramètres photovoltaïques suivent la même tendance que les meilleurs appareils performants. Ce tableau a été reproduit à partir de la référence 18.

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Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Ici, nous présentons un protocole d&#39;ajuster les propriétés de solution-traitée CH 3 NH 3 PbI 3 grâce à l&#39;incorporation d&#39;additifs de cations monovalents afin d&#39;obtenir des cellules solaires perovskite très efficaces.

Monovalents Cation dopage du CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Pour Efficient cellules solaires perovskite

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

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