역 평면 페로브스카이트 태양 전지에서 효율적인 정공 수송 재료로서의 하이브리드 UV-오존 처리 rGO-PEDOT:PSS
초록
차세대 태양광 시스템을 위한 유망한 소자로 간주되는 역평면 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 기존의 n-i-p PSC에 비해 저온 필름 형성, 저비용 제조 및 더 작은 히스테리시스와 같은 많은 이점을 보여줍니다. PSC에서 중요한 캐리어 수송층으로서, 정공 수송층(HTL)은 소자 성능에 상당한 영향을 미친다. 따라서 HTL 수정은 PSC의 성능을 향상시키는 데 가장 중요한 문제 중 하나가 됩니다. 본 논문에서는 우수한 전기적 성능으로 환원그래핀옥사이드(rGO)의 친수성을 향상시키는 효과적이고 친환경적인 UV-오존 처리 방법을 보고한다. 처리된 rGO를 PSC의 HTL 재료로 도핑된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌-설포네이트)(PEDOT:PSS)에 적용했습니다. 결과적으로 rGO/PEDOT:PSS가 도핑된 PSC의 성능은 10.7%의 전력 변환 효율(PCE), J로 크게 향상되었습니다. sc 16.75mA/cm
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, V 0.87V의 oc, 75%의 FF. 이 도핑된 PSC의 PCE는 HTL로서 깨끗한 PEDOT:PSS를 사용하는 PSC의 PCE보다 27% 더 높았습니다. 이러한 성능은 용액 처리 가능한 rGO로 변형된 PEDOT:PSS의 우수한 표면 형태와 최적화된 구멍 이동성에 기인합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">
배경
2013년 세계 10대 과학 및 기술 혁신 중 하나로 꼽히는 하이브리드 유무기 페로브스카이트 재료는 우수한 광전 특성으로 인해 고효율 태양광 소자 개발을 위한 가장 유망한 재료 중 하나로 간주됩니다[1,2,3]. 지난 7년 동안 페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 전력 변환 효율(PCE)은 3.8%에서 22.1%로 크게 증가하여 기존 다결정 실리콘 태양 전지의 성능을 능가합니다[4]. 불행히도, 고온 어닐링 절차를 포함하는 n-i-p-형 PSC의 전통적인 제조는 유연한 기판에 사용할 수 없으므로 상업적 전망이 제한됩니다. Guo et al.에 의해 처음 제작된 새로운 태양 전지 장치. 2013년에 PCE 3.9% 전달 [5], 정공 수송 층(HTL)으로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌-술포네이트)(PEDOT:PSS) 및 [6,6]-페닐 C61로 구성 - 전자 수송층(ETL)으로서의 부티르산 메틸 에스테르. 구체적으로, p형 정공 수송 물질(HTM)은 페로브스카이트 광 흡수막 이전에 증착된다. 이어서, n형 ETL이 페로브스카이트 필름 상에 증착된다. 이 p-i-n 아키텍처는 역 구조로 기존의 n-i-p 장치에 비해 쉬운 제조, 비용 효율성, 작은 히스테리시스 및 높은 필 팩터와 같은 많은 우수한 특성을 보여줍니다[6,7,8]. 현재까지, 역 평면 PCS는 상당한 관심을 끌었다[9, 10]. 연구자들은 구조 최적화[11,12,13], 개선된 HTL 개발[13] 및 ETL[14, 15], 페로브스카이트의 결정 및 형태 제어[16, 17], 계면 공학[18] 등 다양한 방법을 사용했습니다. ,19,20], 역 PSC의 효율성을 개선합니다. 불행히도, 역 평면 태양 전지의 효율은 여전히 전통적인 구조의 효율보다 낮습니다[21].
그래핀은 sp
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로 구성된 2차원 탄소나노물질의 일종입니다. - 육각형 구조의 하이브리드 탄소 원자 [22]. 이 재료는 전기 전도성, 광학적 투명도 및 환경 안정성에서 우수한 장점을 가지고 있습니다[23, 24]. HTL 수정은 역 평면 PSC의 성능을 향상시키기 위한 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 예를 들어, Yeo et al. 환원그래핀옥사이드(rGO) 나노시트를 HTL로 적용했으며, rGO 기반 태양전지는 PEDOT:PSS 및 GO 기반 태양전지에 비해 우수한 소자 효율(10.8%)을 나타냈다[25]. Jokar et al. 는 PSC의 p-접촉 층으로서 GO 및 rGO의 전하 추출 거동에 대해 논의했으며, 환원제로 GO 환원을 통해 합성된 rGO가 고성능 역 평면 이종접합 PSC를 얻는다는 것을 입증했습니다[26]. 게다가, 그래핀 재료는 긴 열전자 수명과 초고속 열전자 추출 특성으로 인해 전하 수송층을 수정하는 놀라운 도펀트 역할을 할 수 있습니다[27]. 그러나 rGO와 같은 상용 그래핀 재료는 친수성 작용기가 없기 때문에 물에 분산될 때 응집됩니다. GO는 손상된 접합 구조로 인해 낮은 전도성을 나타냅니다. 따라서 HTL 변형을 위해서는 rGO와 같은 우수한 전기적 특성과 GO와 같은 우수한 분산 특성을 모두 지닌 용액가공 가능한 그래핀을 잘 제조해야 한다.
본 논문에서는 전하 이동도가 높은 수분산 그래핀을 얻기 위한 간단하고 친환경적인 UV 오존 처리 방법을 제시한다. 또한, 우리는 역 PSC에서 개선된 HTM을 형성하기 위해 얻어진 그래핀을 사용하여 PEDOT:PSS를 도핑했습니다. 처리된 그래핀을 PEDOT:PSS에 통합하면 PSC의 단락 전류 밀도와 PCE가 증가했습니다. 현저하게 향상된 V 상대적으로 높은 J와 함께 0.87V의 oc SC 16.75mA/cm
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얻었다. 평균값이 10.75%인 해당 PCE는 높은 재현성으로 달성되었습니다. rGO/PEDOT:PSS를 사용하는 PSC의 일반적인 PCE는 HTL로 깨끗한 PEDOT:PSS를 사용하는 PSC에 비해 27% 향상되었습니다.
방법/실험
화학물질
PEDOT:PSS(CleviosTM PVP. Al 4083) 및 CH3 NH3 I(MAI)는 각각 Heraeus Materials Technology Shanghai Ltd. 및 Deysol Ltd.에서 구입했습니다. PbI2 (99%), 무수 N ,N -디메틸포름아미드(DMF, 99.8%) 및 무수 클로로벤젠(CB, 99.8%)은 Sigma-Aldrich company에서 공급했습니다. [6,6]-페닐-C61 -부티르산 메틸 에스테르(PC61BM,> 99%) 및 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP,> 99%)은 Xi'an Polymer Light Technology Corp.에서 얻었습니다. rGO는 YF에 의해 합성 첸의 팀 [28].
솔루션 준비
약 5mg의 rGO를 석영 페트리 접시에 넣은 다음 2시간 동안 지속적으로 UV 오존 세척 절차(작동 전력, 270W)로 처리했습니다. 그 후, 얻어진 rGO를 모아서 탈이온수에 첨가하여 초음파 욕 처리하에 농도 1mg/mL의 용액을 형성하였다.
거꾸로 된 PSC에 대한 개선된 HTM을 얻기 위해 서로 다른 부피비(0.1, 0.2, 0.3)를 갖는 rGO 용액을 실온에서 PEDOT:PSS 용액에 첨가했습니다. 생성된 rGO/PEDOT:PSS 용액을 밤새 자기 교반하고 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필터(0.45μm)로 여과했습니다.
페로브스카이트 전구체 용액은 다음과 같은 과정을 통해 제조하였다. MAI 및 PbI2 분말을 1:1의 몰비로 무수 DMF에 혼합하였다. 이어서, 용액(40wt%)을 60°C에서 밤새 교반하고 장치 제작 전에 0.45μm PTFE 필터로 여과했습니다.
기기 제작
역 평면 이종접합 PSC의 구조는 ITO(인듐 주석 산화물)/PEDOT:PSS/CH3였습니다. NH3 PbI3 /PC61 BM/BCP/Ag. ITO 기판(1.5 × 1.5cm
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)을 아세톤, 이소프로판올 및 탈이온수로 순차적으로 세척했습니다. 준비된 UV-오존 처리된 rGO/PEDOT:PSS 용액을 4000rpm에서 40초 동안 스핀 코팅하고 공기 중에서 150°C에서 10분 동안 열처리했습니다. 이 처리에서 페로브스카이트 활성층은 CH3 스핀 코팅을 통한 1단계 용액법으로 증착되었다. NH3 PbI3 4000rpm에서 40초 동안 전구체 용액(DMF에서 40wt%). 활성층의 결정화를 개선하기 위해 70μL의 CB를 CH3에 빠르게 떨어뜨렸습니다. NH3 PbI3 문헌[29]에 보고된 바와 같이 방사 시작 후 약 6에서 습윤 필름. 질소로 채워진 글로브 박스 내부에서 필름을 110°C에서 30분 동안 어닐링했습니다. 그 후, CB(20mg/mL)의 PC61BM 용액을 40초 동안 3000rpm에서 페로브스카이트 필름에 스핀 코팅했습니다. 그 후, 포화 BCP 용액을 이소프로필 알코올로 2000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅했습니다. 마지막으로 열 증착법으로 Ag 층(100nm)을 증착했습니다.
특성화
rGO의 성분 분석은 ESCALAB 250 전자 분광계를 사용하여 X선 광전자 분광법(XPS)에 의해 수행되었습니다. CH3의 결정화 구조 NH3 PbI3 층은 X-선 회절(XRD Bede 다기능 고해상도 X-선 회절계, 영국)에 의해 결정되었습니다. 원자현미경(AFM, SPI3800, Japan)으로 막의 형태를 관찰하였다. 전류 밀도-전압(J–V) 측정은 시뮬레이션된 AM 1.5G 태양광 조명(100mW/cm
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)에서 Keithley 모델 2400 소스 미터를 사용하여 수행되었습니다. ) 솔라 시뮬레이터(ABET Technologies, SUN 3000)에 의해 생성됩니다.
결과 및 토론
1 mg/mL 농도의 탈이온수에 용해된 미처리 및 UV 오존 처리 rGO는 그림 1에 나와 있습니다. 미처리 rGO는 탈이온수에 거의 분산되지 않고 처리된 rGO는 물에 균일하게 분산될 수 있으며 이는 rGO의 일부 -OH 및 -COOH 그룹에 기인합니다. UV 오존 처리된 rGO 용액은 갈색 1mg/mL 상용 GO 용액[22]에 비해 여전히 진한 검은색을 나타내므로 UV 오존 처리의 불완전한 산화 과정을 나타냅니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig1_HTML.gif?as=webp"> 
a의 사진 미처리 및 b UV 오존 처리된 rGO 용액(H2 중 1mg/mL 오)
XPS 측정은 rGO의 산소 함유 그룹의 일부가 친수성 처리되었는지 확인하기 위해 수행되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이, 처리되지 않은 rGO의 C1s 스펙트럼은 C–C(비산소화 고리 C, 284.7 eV), C–O(C–O 결합의 C , 286.1eV), C=O(카르보닐 C, 287.2eV) 및 C-(O)-OH(카르복실기, 288.8eV)[30]. UV 오존으로 적당히 처리된 rGO의 경우 C–O 및 C–(O)–OH에 지정된 피크의 강도가 약간 증가합니다. C-O 및 C-(O)-OH에 할당된 피크의 강도는 C=O의 강도보다 더 분명하게 증가합니다. 따라서 UV 오존으로 처리된 rGO는 유효하게 친수기를 유도할 수 있습니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig2_HTML.gif?as=webp"> 
a의 XPS 스펙트럼 미처리 및 b UV 오존 처리된 rGO
CH3의 결정화 구조를 조사하기 위해 XRD 스펙트럼을 얻었습니다. NH3 PbI3 레이어. 채널3 NH3 PbI3 박막을 깨끗한 PEDOT:PSS 및 rGO/PEDOT:PSS HTL에 스핀 코팅한 다음 100°C에서 30분 동안 어닐링했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 두 페로브스카이트 필름은 유사한 특성을 나타내며 14.14°, 28.08° 및 31.86°에서 세 개의 피크를 나타내며, 이는 페로브스카이트 결정의 (110), (220) 및 (310) 평면과 관련이 있습니다. 각기. 그럼에도 불구하고, 하이브리드 rGO/PEDOT:PSS 층에 코팅된 페로브스카이트는 원래 PEDOT:PSS에 코팅된 것보다 더 선명한 회절 피크를 나타내며, 이는 변형된 PEDOT:PSS 층에서 페로브스카이트의 개선된 결정도를 시사합니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig3_HTML.gif?as=webp"> 
rGO/PEDOT:PSS 및 PEDOT:PSS에서 페로브스카이트 필름의 XRD 패턴
AFM은 PEDOT:PSS에 대한 rGO 통합의 효과를 조사하기 위해 수행되었습니다. 그림 4는 PEDOT:PSS 및 rGO/PEDOT:PSS 박막의 평면도 AFM 이미지를 보여줍니다. rGO/PEDOT:PSS 박막의 이러한 AFM 평면도 이미지는 스캔된 영역에서 rGO의 명백한 징후를 나타내지 않습니다. 이는 rGO가 샌드위치 구조의 PEDOT:PSS 층 중간에 있기 때문이다. 또한 깨끗한 PEDOT:PSS 레이어의 RMS(제곱평균제곱근) 거칠기는 약 1.15nm입니다. rGO/PEDOT:PSS 박막의 RMS 거칠기는 1.27nm입니다. 이전 문헌[19]은 기판 표면 거칠기가 약간 높을수록 페로브스카이트 결정화 공정에 유리하며, 이는 큰 결정립 크기 및 개선된 결정도를 유발하며 이는 그림 3의 결론과 일치합니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig4_HTML.gif?as=webp"> 
a의 AFM 평면도 이미지 깨끗한 PEDOT:PSS 및 b rGO/PEDOT:PSS 박막:2.5 × 2.5μm
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영역을 캡처한 모든 이미지
PEDOT:PSS의 rGO 농도는 PSC의 성능을 최적화하기 위해 조절됩니다. 그림 5a는 다른 부피비에서 깨끗한 PEDOT:PSS가 있는 PSC와 rGO/PEDOT:PSS가 있는 PSC의 J-V 곡선을 보여줍니다. 깨끗한 PEDOT:PSS가 있는 PSC는 V를 나타냅니다. 0.85V의 oc, J SC 13.29mA/cm
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, FF는 66%, PCE는 8.48%입니다. HTL로 rGO/PEDOT:PSS의 부피 비율이 0.1, 0.2 및 0.3인 PSC의 경우 V OC 값은 각각 0.90, 0.87, 0.89V입니다. 이에 따라 J sc는 15.04, 16.75, 13.44mA/cm
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입니다.; FF는 66, 75, 73%, 68%입니다. PCE는 각각 10.16, 10.75, 8.16%입니다. 전반적으로 V OC 0.87V의 J SC 16.75mA/cm
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, 75%의 FF 및 10.75%의 PCE가 0.2 v가 포함된 PSC에서 관찰되었습니다. /v rGO/PEDOT:PSS를 HTL로. V OC 및 J SC 0.2 v와 통합된 PSC의 /v HTL로서의 rGO/PEDOT:PSS는 HTL로서 깨끗한 PEDOT:PSS와 통합된 PSC의 것과 비교하여 상당히 증가합니다. 결과적으로 0.2 v와 통합된 PSC에서 약 27% 향상이 관찰되었습니다. /v rGO/PEDOT:PSS를 HTL로.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig5_HTML.gif?as=webp"> 
아 다른 부피비에서 깨끗한 PEDOT:PSS가 있는 PSC와 rGO/PEDOT:PSS가 있는 PSC의 J-V 곡선. ㄴ HTL로 깨끗한 PEDOT:PSS(빨간색 선) 및 rGO/PEDOT:PSS(0.2 v)가 있는 PSC(파란색 선)의 PSC의 J-V 곡선 /v ) 101mW/cm
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의 시뮬레이션된 AM1.5 햇빛에서 측정한 HTL 조도(실선) 및 어둠 속에서(점선)
개선된 V를 이해하려면 OC 및 J SC rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 경우 그림 5b는 HTL로 깨끗한 PEDOT:PSS를 사용하는 PSC와 rGO/PEDOT:PSS를 사용하는 PSC의 J-V 곡선을 보여줍니다(0.2 v /v ) HTL로 각각. J의 값이 크게 증가했습니다. sc는 주로 장치의 직렬 저항 감소로 인한 것입니다. 또한 감소된 암전류는 J 이전 연구 [31,32,33]에 따른 장치의 sc. 장치 성능 개선의 기본 메커니즘을 추가로 설명하기 위해 어두운 조건에서 장치의 J-V 곡선도 특성화되었습니다. 어둠 속에서 J-V 측정은 태양 전지의 다이오드 특성을 조사하는 데 중요한 역할을 합니다[34]. Dark J-V 측정은 진단 목적을 위해 셀에 대한 추가 정보를 제공하기 위해 광생성 캐리어가 아닌 회로에 캐리어를 주입하는 전기적 방법을 사용합니다. 어둠 속에서 측정된 깨끗한 PEDOT:PSS가 HTL이고 rGO/PEDOT:PSS가 HTL인 PSC의 J-V 곡선이 그림 5b에 나와 있습니다. rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 암전류 값은 깨끗한 PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 암전류 값보다 낮습니다. 이 결과는 rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 누설 전류가 억제됨을 나타냅니다. 태양전지의 암전류에는 역포화전류, 박막누설전류, 벌크누설전류가 있다. 따라서 많은 광 생성 전하 캐리어는 암전류 또는 션트에 의해 직접 상쇄되지 않고 장치를 통해 흐를 수 있습니다. 전반적으로 암전류는 전기 전도성이 높은 rGO 도핑 PEDOT:PSS HEL에 의해 억제됩니다. 결과적으로 V OC 및 J SC 어두운 J-V 곡선에서 얻은 데이터에 맞게 개선되었습니다.
통계적 태양광 매개변수의 히스토그램(V OC , 제 SC , FF 및 PCE) PEDOT:PSS를 HTL로, rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 경우 그림 6에 나와 있습니다. 통계 데이터는 총 60개 장치에서 파생되었습니다. 그림 6의 피팅 곡선에서 볼 수 있듯이 대부분의 태양광 매개변수는 몇 가지 실험 데이터에도 불구하고 가우스 분포와 일치합니다. 통계 데이터에 따르면 V OC , 제 SC HTL로 깨끗한 PEDOT:PSS를 사용하는 PSC의 , FF 및 PCE는 0.85 ± 0.01V, 13.88 ± 0.65mA/cm
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입니다. , 각각 64.69 ± 1.41% 및 7.65 ± 0.48%. 그러나 V OC , 제 SC , FF 및 rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC의 PCE는 0.88 ± 0.02V, 15.25 ± 1.8mA/cm
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입니다. , 72.37 ± 2.03%, 9.7 ± 1.04%. 간단히 말해 V OC 뚜렷한 변화를 나타내지 않습니다. FF 및 J SC 크게 증가하여 효율성이 27% 향상됩니다. 본질적으로 rGO는 J를 증가시킵니다. rGO/PEDOT:PSS가 HTL로 통합된 PSC의 sc 및 FF. 둘 다 V OC 및 J SC 0.2 v와 통합된 PSC의 /v HTL로서의 rGO/PEDOT:PSS는 HTL로서 깨끗한 PEDOT:PSS와 통합된 PSC의 것과 비교하여 상당히 증가합니다. 결과적으로 0.2 v와 통합된 PSC에서 약 27% 향상이 관찰됩니다. /v rGO/PEDOT:PSS를 HTL로.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2393-1/MediaObjects/ 11671_2017_2393_Fig6_HTML.gif?as=webp"> 
통계적 태양광 매개변수의 히스토그램 a V OC , b 제 SC , ㄷ FF 및 d PEDOT:PSS를 HTL로, rGO/PEDOT:PSS를 HTL로 사용하는 PSC용 PCE
결론
우리는 고성능의 용액 처리 가능한 rGO를 얻기 위한 간단하고 효과적인 UV-오존 처리 방법을 보고했습니다. 또한 효율적인 PSC 제조를 위한 HTL로 PEDOT:PSS를 수정하기 위한 첨가제로 UV 오존 처리된 rGO를 시연했습니다. 처리된 rGO 도핑된 PEDOT:PSS 기반 태양 전지는 V로 유망한 성능을 보였습니다. OC 0.87V의 J SC 16.75mA/cm
2
, 75%의 FF 및 10.75%의 PCE입니다. 또한 우수한 표면 형태와 향상된 정공 이동성을 감안할 때 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS를 HTL로. 용액 처리 가능한 rGO의 뚜렷한 장점은 고효율 태양 전지 및 기타 광전 장치를 달성할 수 있는 새로운 가능성을 제공합니다.
