산화주석(SnO2 ) 전자 수송층(ETL). 결과는 UV로 처리하는 동안 필름의 두께를 제어하여 고품질의 ETL을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 두께는 SnO2의 농도에 따라 다릅니다. . 더욱이, 층의 전도도와 투과율은 필름의 품질에 달려 있습니다. 이 UV 처리된 필름을 기반으로 평면형 페로브스카이트 태양 전지를 준비합니다. 준비 과정과 관련된 온도는 90°C 미만입니다. SnO2 농도에서 14.36%의 최적 전력 변환 효율을 얻습니다. 20%의. 이 UV 처리 방법 SnO2 저온에서의 필름은 저가의 상용화 응용에 적합합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 전력 변환 효율(PCE)이 3.8%에서 22.1%로 향상되어 최근 몇 년 동안 엄청난 연구 관심을 끌었습니다[1,2,3,4,5,6,7,8]. 메조포러스 스캐폴드가 있거나 없는 일반적인 페로브스카이트 태양 전지에서 흡수체 층이 전자 및 정공 수송층(각각 ETL 및 HTL)을 포함하는 전극 수정 층, 즉 메조포러스 스캐폴드 및 평면 이종 접합 구조 사이에 끼워져 있습니다. ,10,11]. 부드럽고 조밀하며 균일한 페로브스카이트 층의 고품질은 장치 성능에 결정적인 영향을 미칩니다[12,13,14]. 그러나 바닥 개질층의 품질은 페로브스카이트 필름의 제조에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로 스핀코팅법[15,16,17], 열수합성법[18,19], 진공증착법[20], 원자층증착법[21], 전기화학증착법[22,23]을 채택하였다. 수정된 레이어의 품질을 향상시킵니다. 그 다음, 고온에서 소둔 및 소결하여 조밀한 개질층을 얻었다. TiO2 사용 시 온도는 최대 450 및 180°C입니다. [24,25,26,27] 및 SnO2 [28,29,30,31] 각각 수정된 레이어로 사용됩니다. TiO2 테트라부틸 티타네이트 전구체의 열처리에 의해 얻어지고, SnO2 SnCl2의 처리에 의해 얻어졌다 전구체 [32]. 그러나 고온은 현대 산업 제조에 적합하지 않습니다.
이 문제를 해결하기 위해 SnO2를 스핀 코팅하여 조밀한 층을 준비했습니다. 전구체로 처리한 다음 자외선 오존(UVO)으로 처리합니다. 여기서 주석산화물 수용액은 SnO2의 원료로 사용된다. . 또한, PSC 제조의 각 층의 온도는 모두 저온(90°C 미만)입니다. 제조 공정의 기술적 어려움을 줄이고 생산 비용을 낮추기가 더 쉬워 산업 생산에 적합합니다. 우리의 셀은 CH3을 기반으로 합니다. NH3 PbI3 (MAPbI3 ), 가시광선의 좁은 밴드갭 및 고흡수성 물질로서 OSAS(one-step anti-solvent) 방법으로 처리된다[33,34,35,36,37]. 평면 이종 접합 PSC의 아키텍처는 Glass/ITO/SnO2입니다. /MAPbI3 /Spiro-OMeTAD/Au. MAPbI3 SnO2 사이에 끼어 있습니다. ETL 및 Spiro-OMeTAD HTL. 필름의 표면 형태, 표면 원소 분포 및 광 투과율을 분석한 결과 SnO2 - 스핀코팅 및 UVO 처리로 조밀하고 순도가 높으며 투과율이 높은 개질층을 제조할 수 있습니다. 더욱이, 고성능 평면 PSC는 저온에서 제조되었다. PSC의 PCE는 장치 준비 조건을 최적화하여 14.5%입니다.
요오드화메틸암모늄(MAI, Z99.5%) 및 요오드화납(PbI2, Z99.9%)은 Xi'an Polymer Light Technology Corp.에서 구입했습니다. 산화주석(SnO2; H2의 15% 질량 몇 가지 유기 용매를 포함하는 콜로이드 분산액)은 Alfa Aesar에서 구입했습니다. 1,2-디클로로벤젠(DCB; 99.5%)은 J&K Scientific Ltd. N에서 구입했습니다. ,N -디메틸포름아미드(DMF; 99%), 디메틸술폭시드(DMSO; 99%), 2,2', 7,7'-테트라키스(N ,N -p-디메톡시페닐아미노)-9,9'-스피로비플루오렌(Spiro-OMeTAD), 4-tert-부틸피리딘(TBP) 및 비스(트리플루오로메틸술포닐)-이미드 리튬 염(Li-TFSI)은 Sigma Aldrich에서 구입했습니다. 금(Au; 99.995%)은 China New Metal Materials Technology Co., Ltd.에서 구입했습니다. 모든 시약은 추가 정제 없이 사용되었습니다.
PSC 장치는 ITO/SnO2의 구조를 가지고 있습니다. /MAPbI3 /Spiro-OMeTAD/Au. ITO 유리판(시트 저항 <15 Ω/□)을 각각 15분 동안 아세톤, 에탄올, 탈이온수(DI)가 포함된 초음파 수조에서 사전 세척한 다음 질소 흐름으로 건조했습니다. 그 후, 기판은 약 60°C에서 15분 동안 자외선 오존 클리너를 사용하여 처리되었습니다. SnO2 SnO2를 스핀 코팅하여 박막을 제조했습니다. (x 10, 15, 20 및 30%) 전구체 용액을 깨끗한 ITO 유리 기판에 5000rpm으로 30초 동안 처리하고 50°C에서 5분 동안 건조시킨 다음 약 60°C에서 60분 동안 자외선 오존 세정제로 처리합니다. 전구체의 용액 농도는 원용액을 희석하거나 농축하여 10, 15, 20, 30%로 변경하였다. MAPbI3의 1M 페로브스카이트 전구체 MAI 및 PbI2를 용해하여 준비했습니다. 9:1의 1:1 M 비율(v :v ) DMF와 DMSO의 혼합 용매. 그런 다음, 전구체를 교반하고 50°C에서 밤새 가열했습니다. 활성층의 경우 페로브스카이트 전구체를 4000rpm에서 스핀 코팅하였다. SnO2 위에 30초 동안 표면. 반용매제인 디에틸 에테르를 스핀이 끝나기 5초 전에 기판에 드롭 캐스트했습니다. 이어서 샘플을 글로브 박스의 핫플레이트에서 10분 동안 90°C에서 어닐링한 다음 몇 분 동안 냉각했습니다. MAPbI3의 일반적인 두께 약 300nm였습니다. HTM 층의 경우 DCB에서 70mM spiro-OMeTAD, 28.8mM Li-TFSI 및 55mM TBP로 구성된 30μL 용액을 5000rpm에서 페로브스카이트 층에 스핀 코팅했습니다. 20초 동안 마지막으로 100nm의 Au를 고진공(5 × 10 −4 아빠). 석영 진동 두께 모니터(ULVAC, CRTM-9000)로 모니터링한 증착 속도는 약 5Å/s였습니다. 기기의 활성 영역은 4mm 2 입니다. .
전류 밀도-전압(J-V ) 특성은 Newport 94043A 태양광 시뮬레이터를 사용하여 AM1.5G 태양 조명 하에서 컴퓨터 프로그래밍된 Keithley 2400 소스/미터를 사용하여 측정되었습니다. 태양광 시뮬레이터의 강도는 100mW/cm 2 였습니다. . 광도는 표준 실리콘 태양 전지로 보정되었습니다. 투과 스펙트럼은 자외선/가시광선(UV-vis) 분광계(Carry 5000)를 사용하여 측정되었습니다. 준비된 필름의 표면 형태 및 구조는 SEM(JSM-7001F, Japan Electron Optics Laboratory Co., Japan)을 사용하여 특성화되었습니다. 준비된 SnO2의 결정상 필름은 파워 X선 회절법(XRD)(DX-2700, Dandong Fangyuan Instrument Co.Ltd., Dandong, China)으로 확인되었습니다.
UV/오존은 346, 358, 411의 CC, CO 및 CH의 결합 에너지보다 높은 각각 647 및 472 kJ/mol의 광자 에너지로 거의 185 및 254 nm에서 정점에 달하는 자외선을 생성할 수 있습니다. kJ/mol, 각각 [38,39,40]. 결과적으로 UV 광은 처리하는 동안 이러한 화학 결합을 쉽게 끊습니다. 이를 확인하기 위해 SnO2 UV 처리 후 EDS(Elemental Distribution Spectrometer)를 위해 농도 20%의 필름을 선택하고 주요 성분의 분포를 조사합니다. 그림 1a는 선택한 필름의 SEM을 보여줍니다. 필름의 균일성과 균일성은 0.5um의 막대에서 대규모로 좋습니다. 그림 1b는 원소 분포도를 보여주며, 표시가 없는 피크는 테스트 전극 금의 피크 위치입니다. 보시다시피 Sn, O 및 미량 C 원소가 포함되어 있습니다. 표 1은 선정된 영화의 각 요소의 구체적인 내용이다. UV 처리 후, 필름의 Sn 및 O 함량은 99% 초과이고 C 함량은 1% 미만입니다. 대부분의 유기용매가 제거되고 UV 처리 후 Sn과 O만 남게 됨을 알 수 있다. 따라서 이러한 처리 방식은 고순도 SnO2를 얻을 수 있습니다. 고성능 PSC의 준비 가능성을 제공하는 ETL. 그림 2는 SnO2의 XRD 패턴을 보여줍니다. UV 처리 후 슬라이드 유리에. XRD 프로파일은 2θ에서 회절 피크를 보여줍니다. 26.5°, 34.0°, 38.1°, 51.6° 및 65.9°의 값은 루틸 유형의 (110), (101), (200), (211) 및 (301) 평면으로부터의 반사로 식별됩니다. SnO2의 정방형 구조 (JCPDS41-1445), 각각. SnO2의 결정자 크기 Debye-Scherrer eq를 사용하여 계산되었습니다. (디 =0.89λ /β cosθ ) [41], 여기서 D 평균 결정자 크기, λ 는 X선 파장, θ 는 브래그 회절각, β 반값에서 피크 너비입니다. 준비된 샘플에 대해 5.5nm의 예상 결정자 크기를 제공합니다.
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SnO2의 표면 SEM 이미지 (아 ) 및 ITO/SnO2의 해당 EDX 스펙트럼 영화
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SnO2의 X선 회절(XRD) 패턴 UV 처리 후
그림 3a는 PSC의 구조도입니다. 그림 3b는 활성층의 표면 SEM 이미지이며 그림은 ITO/SnO2의 단면도입니다. (20%) /MAPbI3 . 페로브스카이트 필름의 연속성이 양호함을 알 수 있다. 단일 페로브스카이트 결정의 입자 크기는 1μm보다 큽니다. 활성층의 횡방향 결정화가 매우 우수하다. SnO2의 두께 (20%)는 약 65nm, 페로브스카이트의 두께는 약 384nm로 고성능 페로브스카이트 태양전지를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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페로브스카이트 태양 전지의 구조 다이어그램(a ) 및 활성층의 SEM 이미지(b )
그림 4와 같이 J-V 장치 ITO/SnO2의 특성 곡선 (x )/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au (x =10, 15, 20 및 30%) AM1.5G 태양광 조명 100mW/cm 2 에서 주변 공기에서. 자세한 결과는 표 2에 나와 있습니다. J sc 장치의 수가 먼저 증가하고 SnO2의 증가에 따라 감소합니다. 집중. 제 sc 10%인 장치가 가장 작고 20%인 장치가 가장 큽니다. 가능한 이유는 SnO2의 농도가 즉, 필름의 두께가 증가하여 저항이 증가합니다. 또한, 필름의 광 투과율은 두께가 다르기 때문에 달라집니다. V oc SnO2 농도에 따라 장치의 증가 증가. 두꺼운 SnO2 필름은 전자가 쉽게 달성할 수 있는 FTO 전극으로 정공이 수송될 확률을 줄입니다. 계면에서 캐리어의 재결합을 줄이는 것이 유리하다. SnO2의 농도일 때 20%이면 PSC는 J로 최적의 성능을 얻습니다. sc 20.11mA/cm 2 , V oc 1.11V의 FF, 0.643의 FF, 14.36%의 PCE, 232.8Ω의 Rs, 15,868Ω의 Rsh
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제 -V 장치의 특성. 특성은 SnO2의 다양한 농도에 따라 다릅니다. AM1.5G 조명 100mW/cm 2 에서 10%에서 30%까지 다양합니다. . 삽입은 해당 PCE-V를 보여줍니다. 곡선
그림 5는 SnO2의 단면 SEM 이미지를 보여줍니다. 영화. 필름의 이미지 스케일 바는 100nm이고 배율은 × 100,000입니다. 다양한 농도의 SnO2에서 준비된 필름의 두께 10%에서 34nm, 15%에서 48nm, 20%에서 66nm, 30%에서 97nm였습니다. SnO2의 농도가 증가함에 따라 두께가 점차 증가했습니다. . SnO2의 두께가 수직 저항에 미치는 영향을 이해하기 위해 필름, 저항 소자는 ITO/SnO2 구조로 준비되었습니다. (x )/오. 그림 6은 I-V를 보여줍니다. 곡선. ITO와 Au 사이의 저항은 10%에서 98.6Ω, 15%에서 41.6, 20%에서 33.7, 30%에서 50.8이었습니다. 농도가 10%에서 20%로 변경되면 수직 저항이 감소하고 농도가 30%까지 증가하면 수직 저항이 증가합니다. 두께가 증가함에 따라 저항이 증가한다는 것은 기존의 지식과 다릅니다. 이유를 더 분석하기 위해 필름의 표면 SEM을 조사했습니다.
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a의 단면 SEM 이미지 ITO/SnO2 (10%), b ITO/SnO2 (15%), ㄷ ITO/SnO2 (20%) 및 d ITO/SnO2 (30%)
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나 -V ITO/SnO2의 곡선 (x )/금, x 10, 15, 20, 30%
그림 7a–d는 SnO2의 평면도 SEM 이미지를 보여줍니다. 100nm의 눈금 막대로 × 50,000배율의 필름. 그리고 그림 7e–h는 100nm의 눈금 막대를 사용하여 × 200,000 배율의 해당 표면 SEM 이미지를 보여줍니다. 다양한 농도에서 박막의 균일성과 평활도가 매우 우수하며 SnO2의 전형적인 결정자 크기가 있음을 알 수 있다. 약 6.814nm로 Debye-Scherrer eq로 계산된 것과 매우 비슷합니다. (5.5 nm), 그래서 페로브스카이트 흡광층을 준비할 때 고품질의 활성층을 얻어야 합니다. 그들 사이에는 몇 가지 사소한 차이점이 있습니다. 이 약간의 차이가 저항에 영향을 미치는 이유일 것입니다. SnO2일 때 농도가 10%이고 필름의 연속성이 좋지 않으며 그림 7a와 같이 일부 섬 그룹이 나타납니다. e. 표면의 이러한 결함으로 인해 부분 저항 값이 발생합니다. 필름은 분명히 균일하며 그림 7b, c, f, g에서와 같이 농도가 20%로 증가하더라도 전기 전도도가 증가합니다. 집중도가 30%에 육박하는 가운데 재회 상황이 나타나 저항을 증폭시킨다. 또한, 필름의 광투과율은 개질층의 두께에 따라 달라지며, 이는 활물질에 의한 광활용에 영향을 미쳤다.
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a의 상위 뷰 SEM 이미지 –d 준비된 ITO/SnO2 (x ) × 50,000 배율의 필름 및 e –h × 200,000 배율의 필름
원인을 이해하기 위해 SnO2의 UV-vis 투과 스펙트럼을 테스트했습니다. (x ) 필름, 도 8에 도시된 바와 같이. 필름의 투과율이 400 내지 800 nm 사이에서 75%를 초과함을 알 수 있다. 피크는 농도가 각각 10, 15, 20, 30%일 때 616, 662, 718 nm 및 800 nm 이상에 있습니다. SnO2의 두께 증가와 함께 , 전송 피크는 빨간색으로 이동합니다. MAPbI3의 흡수 범위 300~760nm 사이입니다. 투과광은 농도가 20% 미만인 동안 페로브스카이트의 흡수 범위와 일치합니다. 따라서 더 많은 광 활용으로 인해 더 높은 PCE를 얻을 수 있습니다. 농도가 30%일 때 활성층의 광흡수가 약해져 PCE가 감소한다. 빛의 활용은 PSC의 성능에 영향을 미칩니다. 그 결과 PCE가 먼저 증가하고 농도가 증가함에 따라 감소하게 되는데 이는 이전 결과와 일치합니다.
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ITO/SnO2의 UV-vis 투과 스펙트럼 (x ) 영화
요약하면, 고품질 SnO2 ETL을 준비할 수 있습니다. 고성능 PSC는 OSAS 방법으로 얻었다. SnO2의 농도일 때 20%, PSC는 14.36%의 PCE로 최적의 성능을 얻었습니다. 분석결과 개질막의 전도도와 투과율은 막의 두께와 균일도에 따라 달라지며, 적당한 변성막 두께에서 고성능 PSC를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
전자 수송 층
채우기 비율
정공 수송 층
단락 광전류
원스텝 반용매
전력 변환 효율
페로브스카이트 태양 전지
자외선 오존
개방 회로 전압
나노물질
초록 이 연구에서는 무기 주석 도핑된 페로브스카이트 양자점(PQD)을 탄소 기반 페로브스카이트 태양 전지(PSC)에 통합하여 광전지 성능을 향상시킵니다. 한편, Sn2+의 콘텐츠를 제어함으로써 도핑을 통해 주석 도핑된 PQD의 에너지 수준을 조정하여 최적화된 밴드 정렬과 광 생성된 전자-정공 쌍의 향상된 분리를 실현할 수 있습니다. 반면에 self-p-type doping 효과로 인해 상대적으로 높은 수용체 농도를 제공하는 tin-doped PQDs의 혼입은 페로브스카이트 후면 부근의 공핍 영역의 폭을 감소시킬 수 있어 구멍 추출
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 레이어 스택은 박막 태양 전지의 전면 접촉으로 투명 전도성 산화물을 대체하는 데 사용됩니다. 이러한 다층 구조는 접점의 전체 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 사용하여 셀을 착색하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나, 금속층에 크게 의존하는 면저항과 기생흡수는 태양전지에서 더 높은 효율을 달성하기 위해 더욱 감소되어야 한다. 이 간행물에서 AgOX Cu(In,Ga)Se2의 성능을 향상시키기 위해 OMO 전극에 습윤층이 적용되었습니다. (CIGS) 박막 태양 전지. AgOX 습윤층은 다층 전극
