CsPbI2의 태양광 성능 Br 태양 전지는 하이브리드 무기-유기 페로브스카이트 태양 전지보다 여전히 낮고 연구자들은 효율을 향상시키는 방법을 모색하고 있습니다. 일반적으로 연구된 하이브리드 무기-유기 페로브스카이트와 비교하여 더 높은 열 안정성으로 인해 모든 무기 CsPbI2 Br이 최근 큰 주목을 받고 있다. MnCl2의 조합을 활용하여 및 ZnCl2 막 성장을 조절하기 위해 입자를 도핑하면 MnCl2 및 ZnCl2 입자가 CsPbI2의 구멍으로 침투합니다. 성장 과정을 통해 Br 격자가 형성되어 핵 생성이 억제되고 성장 속도가 감소합니다. 이 조합은 더 높은 CsPbI2를 달성하는 데 도움이 됩니다. J 증가를 위한 Br 결정립 sc 최대 15.66 mA cm −2 및 73.37%만큼 큰 FF. ZnCl2의 특정 조합이 -MnCl2 도핑은 근본적으로 필름 표면 형태를 개선하고 트랩 밀도를 감소시키며 캐리어의 재결합을 억제할 수 있습니다. 결과적으로 전력 변환 효율(PCE)은 도핑되지 않은 기준 장치에 비해 13.47%에서 14.15%로 크게 향상됩니다.
하이브리드 유무기 페로브스카이트는 전하 캐리어의 높은 이동성 및 조정 가능한 밴드 갭과 같은 우수한 전자 및 광학 특성[1,2,3,4,5,6,7] 때문에 큰 우려를 불러일으켰습니다[8,9,10 ,11]. 특히, 페로브스카이트 기반 유무기 하이브리드 태양전지의 전력변환효율(PCE)은 양이온 교환을 통해 3.8%에서 23.3%로 향상되었다[12,13,14,15,16,17]. 모든 환경 악화를 극복하기 위해서는 여전히 도전 과제가 있습니다[18]. 지금까지 세슘 납 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지는 많은 그룹에서 연구되었습니다[19,20,21,22]. CsPbBr3의 큰 밴드 갭 장파장 빛을 흡수하기에는 너무 큰 약 2.3 eV입니다[23, 24]. CsPbI3 1.73 eV의 낮은 밴드 갭을 갖지만 주변 온도에서 흑색 상에서 황색 상으로 빠르게 저하됩니다[25, 26]. CsPbI2 Br 페로브스카이트는 1.91 eV의 바람직한 밴드 갭을 나타내며 주변 공기의 흑색 상에서 안정합니다[19, 20]. 미세결정립의 크기가 태양전지의 효율을 높이는 핵심 요소임이 입증되었다. [27,28,29,30]. 페로브스카이트 필름 표면의 결정립계는 트랩 상태에서 전하의 재결합을 억제하는 것으로 보입니다[31]. 한편, 결정립계는 가전자대의 가장자리 근처에서 외부 상태를 유발하여 구멍의 확산을 방해할 수 있습니다[32]. 따라서 CsPbI2 Br은 입자 크기가 크고 트랩 전하 밀도가 낮습니다[33]. 이를 위해 여러 이온을 호스트 격자에 통합하여 필름의 성능을 조절함으로써 불순물의 도핑을 광범위하게 조사했습니다[34]. 예를 들어, 칼륨을 CsPbI2에 통합하여 Br, 이 큰 CsPbI2 Br 결정은 전하 운반체의 형성을 개선하기 위해 얻을 수 있고 더 나은 전하 수송은 PCE를 증가시킵니다[35]. Chu et al. 균일하고 조밀한 MAPbI3를 얻기 위해 첨가 물질로 KCl을 사용했습니다. 큰 입자 크기의 나노결정을 가진 페로브스카이트 필름[22]. Liu et al. Mn 2+ 의 추가가 보고됨 특정 양으로 결정 입자 크기를 크게 개선하고 우수한 태양 전지 성능을 달성할 수 있습니다[36]. 완전무기 CsPbI2 Br은 일반적으로 연구되는 무기-유기 하이브리드 페로브스카이트에 비해 높은 열 안정성으로 인해 최근에 큰 주목을 받았습니다. 논문에서는 ZnCl2의 특정 조합이 -MnCl2 도핑은 근본적으로 필름 표면 형태를 개선하고 트랩 밀도를 감소시키며 캐리어의 재결합을 억제할 수 있습니다. 결과적으로 PCE는 도핑되지 않은 기준 장치와 비교하여 13.47%에서 14.15%로 크게 향상되었습니다. 우리가 아는 한, 14.15%의 PCE는 CsPbI2의 최고 성능 중 하나입니다. Br 페로브스카이트 태양 전지.
동일한 화학량론적 PbI2와 함께 용액 CsBr을 사용하여 1.0 M을 준비했습니다. 전구체 용액으로 DMF와 DMSO의 혼합 용매에서. 원스텝 스핀코팅법을 통해 150 ℃에서 어닐링한 후 350nm 필름(프로파일로미터로 측정)을 얻었다. 필름 형태와 소자 성능에 대한 첨가제의 영향을 연구하기 위해 ZnCl2의 다양한 함량을 통합했습니다. -MnCl2 (0%, 0.25% 및 0.50%) 몰비, CsPbI2로 표시 Br-0%, CsPbI2 Br-0.25% 및 CsPbI2 CsPbI2에 각각 Br-0.50% Br 전구체 솔루션.
그림 1a–c는 CsPbI2의 평면도를 보여줍니다. ZnCl2 수준이 다른 Br 필름 -MnCl2 . ZnCl2의 조합이 -MnCl2 함량이 0.25% 미만인 경우 CsPbI2 Br 필름은 ZnCl2의 증가에 따라 더욱 균일하고 조밀해집니다. -MnCl2 콘텐츠. 또한 CsPbI2에는 핀홀이 거의 없습니다. Br-0.25% 필름, ZnCl2 -MnCl2 도펀트는 필름의 표면 형태를 선호합니다. CsPbI2에서 그러나 Br-0.50%는 필름에 작은 핀 구멍이 나타나 파생 경로를 만들고 장치 성능을 저하시킬 수 있습니다.
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CsPbI2의 상위 뷰 SEM 이미지 Br-ZnCl2 -Mncl2 영화. 아 CsPbI2 브르-0%. ㄴ CsPbI2 Br-0.25%. ㄷ CsPbI2 Br-0.50%
그림 2a는 CsPbI2의 XRD 패턴을 보여줍니다. 다른 ZnCl2을 사용하여 도핑된 Br 필름 -MnCl2 농도. 모든 CsPbI2의 두께 Br 필름은 350 nm로 제어됩니다. 그림 2b는 (100) 피크의 확대된 영역을 보여줍니다. CsPbI2 Br-0.25% 필름은 더 높은 각도로 이동하여 격자 상수가 감소함을 나타냅니다. XPS 분석은 CsPbI2에서 원소의 원소 조성과 화학적 상태를 연구하기 위해 수행되었습니다. Br-ZnCl2 -MnCl2 영화. 그림 2c–f는 ZnCl2를 제외한 모든 구성 요소의 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 및 MnCl2 . 그림 2c에서 볼 수 있듯이 Cs 3d 범위는 724.4 eV 및 739.8 eV에서 두 개의 피크를 결정하며, 이는 각각 Cs+ 양이온의 Cs 3d 3/2 및 Cs 3d 5/2에 할당됩니다. 그림 2d–f는 Pb 4f, I 3d 및 Br 3d 피크가 더 높은 결합 에너지로 이동함을 보여줍니다. 이는 일부 Zn 및 Mn 입자가 페로브스카이트의 B 사이트에 위치한 특정 Pb 원자를 대체할 수 있으며 따라서 화학 결합 할로겐화물과 납 사이는 ZnCl2로 인해 변경되었습니다. -MnCl2 도핑[35]. 이는 위의 XRD 분석과 일치합니다.
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X선 회절(XRD) 패턴(a ) 및 (100) 피크(b)의 확대된 영역 ) CsPbI2의 경우 Br-ZnCl2 -MnCl2 영화. CsPbI2의 XPS 스펙트럼 Br-ZnCl2 -MnCl2 Cs 3d용 영화(c ), Pb 4f(d ), 나는 3d(e ) 및 Br 3d(f )
가벼운 J–V CsPbI2를 기반으로 한 세포 곡선 Br-ZnCl2 -MnCl2 필름은 그림 3a에 표시되어 있고 관련 광전지 매개변수는 표 1에 기록되어 있습니다. CsPbI2 Br-0.25% 장치는 J와 함께 14.15%의 챔피언 PCE를 보여줍니다. sc 15.66 mA cm −2 , V oc CsPbI2보다 완전히 높은 1.23 eV, FF 73.37% Br-0% 장치. 이러한 발전은 ZnCl2로 인한 필름 품질 향상 및 결함 감소에 기인합니다. -MnCl2 도핑. 외부 양자 효율(EQE)은 J의 정확도를 검증하기 위해 수행됩니다. sc J–V에서 완료 곡선. 그림 3b와 같이 EQE와 상호 연결된 J sc CsPbI2 Br-0.25% 장치는 CsPbI2의 장치보다 큽니다. Br-0% 장치. 상호 연결된 J sc CsPbI2 Br-0.25% 장치는 15.66 mA cm −2 입니다. , J에 가깝습니다. sc 14.86 mA cm −2 J–V 굽히다. 페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 전하 교환 특성을 연구하기 위해 전기화학 임피던스 분광법 EIS 스펙트럼을 전압의 함수로 완전히 추상화했습니다. 재조합 저항(R 녹음 )는 나이퀴스트 플롯의 반원 지름에서 추출되었습니다. 그림 3c는 R 녹음 CsPbI2 Br-0% 및 CsPbI2 Br-0.25% 장치는 각각 620 Ω 및 1016 Ω입니다. 훨씬 더 큰 R 녹음 CsPbI2용 Br-0.25% 소자는 낮은 결함 밀도에서 비롯되며, 이는 전하 재결합이 효과적으로 억제되어 V가 크게 향상됨을 나타냅니다. oc 및 FF[37]. 그림 3d는 일반적인 J–V를 나타냅니다. 측정된 성능이 가장 좋은 장치의 곡선. 정방향 및 역방향 스캔 방향을 사용하여 주요 매개변수가 인서트에 요약되어 있습니다. J–V로 표시된 것처럼 장치의 히스테리시스가 거의 없음을 알 수 있습니다. 곡선.
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경량 J–V CsPbI2에 기반한 태양 전지의 곡선 Br-ZnCl2 -MnCl2 영화(a ). EQE 스펙트럼 및 통합 J sc CsPbI2 기반 태양 전지 Br-0.25%(빨간색) 및 CsPbI2 Br-0%(검은색) 필름(b ). 나이퀴스트 플롯(c ). J–V 역방향 및 정방향 스캐닝(d )
마지막으로 CsPbI2 기반 페로브스카이트 태양 전지 PSC의 장기 안정성을 연구했습니다. Br-0.25% 필름. 기기가 N2에 저장되었습니다. 글로브 박스(어두운 곳에서 20 °C). 그림 4a는 정규화된 J를 보여줍니다. sc , V oc , FF 및 PCE는 저장 시간의 함수입니다. 처음 3일 동안 J sc , FF 및 PCE가 모두 증가합니다. 이것은 미량 O2에 의한 spiro-OMeTAD의 산화에 기인할 수 있습니다. (300–400 ppm) 글러브 박스. 30 일 후 PCE는 초기 값의 87%를 유지하고 V oc 거의 일정하게 유지됩니다. 우리는 이러한 결과가 차세대 태양광을 위한 세슘 납 할로겐화물 페로브스카이트 개발에 도움이 될 것으로 기대합니다. 30개 기기의 전력 변환 효율에 대한 히스토그램이 그림 4b에 나와 있으며, 광전지 매개변수에 대한 통계도 나와 있습니다. 그림 4c는 CsPbI2의 열 안정성을 보여줍니다. Br-0.25% 장치는 글로브 박스에서 장치를 80 °C에서 150분 동안 가열하여 테스트했으며 가열 후 장치의 PCE는 초기 값의 96%를 유지하고 V oc 거의 일정하게 유지됩니다. CsPbI2의 광물리적 특성을 관찰하기 위해 자외선-가시광선(UV-vis)의 흡수 스펙트럼을 수행했습니다. Br-ZnCl2 -MnCl2 두께가 70 nm인 유리 기판 위에 제작된 필름. 그림 4d는 CsPbI2의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. Br-0.25% 필름. 흡수 강도는 모든 CsPbI2에 대해 거의 동일합니다. Br-ZnCl2 -MnCl2 필름이고 흡수 시작은 약 600 nm입니다. 위의 결과는 약간의 ZnCl2 -MnCl2 도핑은 밴드갭과 페로브스카이트의 광흡수능에 거의 영향을 미치지 않습니다.
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정규화된 V oc , 제 sc CsPbI2를 기반으로 하는 태양 전지의 , FF 및 PCE 보관 시간에 따른 Br-0.25% 필름(a ). 30개 기기에 대한 전력 변환 효율 값의 히스토그램(b ). CsPbI2를 기반으로 하는 태양 전지의 표준화된 PCE 열처리 시간에 따른 Br-0.25% 필름(c ). 흡수 스펙트럼(d )
SnO2 Alfa Aesar에서 구입했습니다. CsBr, ZnCl2 , MnCl2 , (DMSO) 및 (DMF)는 Sigma-Aldrich에서 구입했습니다. spiro-OMeTAD 및 PbI2 Xi'an Polymer Light Technology Corp.에서 구입했습니다.
처음에 ITO 유리는 세제, 이소프로필 알코올, 아세톤 용매 약 20분 및 탈이온수를 적용하여 연속적으로 세척되었습니다. 또한 약 10분 동안 산소 플라즈마 처리를 통해 기판에 잔류하는 물질을 제거하는 공정도 진행됩니다. SnO2 초순수에 1:6의 부피비로 희석하였다. 먼저 유리 기판을 SnO2로 스핀 코팅했습니다. 층을 3000 rpm에서 40 초 동안 가열한 다음 150 °C에서 30분 동안 어닐링했습니다. 페로브스카이트 전구체를 준비하려면 CsBr, PbI2 , ZnCl2 및 MnCl2 DMSO와 DMF의 혼합 용매에 1.4:1의 부피비로 화학양론적으로 용해시켜 1.0 M 용액을 형성하였다. 용액을 0.22μm 기공 PTFE 필터를 통해 여과한 다음, 70 ℃에서 2 시간 동안 교반하였다. 그런 다음 전구체 용액을 SnO2에 스핀 코팅했습니다. /ITO 기판은 먼저 12 동안 1000 rpm의 가속 속도로 1000 rpm에서, 그 다음 5000 rpm에서 3000 rpm의 가속 속도로 30 s 이하입니다. 그런 다음, 100 μL의 클로로벤젠(CB)을 공정 종료 전 10 초의 시간으로 두 번째 단계 스핀 코팅 동안 회전하는 기판에 증류했습니다. 그 후, 필름은 먼저 50°C에서 1분 동안 어닐링된 다음 150°C에서 5분 동안 어닐링되었습니다. 형성된 CsPbI2에 spiro-OMeTAD 용액을 스핀 코팅하여 HTL 필름을 제조했습니다. 30 s 동안 3000 rpm의 가속 속도로 4000 rpm의 Br 필름. 스피로-OMeTAD 용액은 72.3 mg Spiro-OMeTAD, 17.5 μL 비스(트리플루오로 메탄) 설폰아미드 리튬 염(Li-TFSI) 스톡 용액(1 mL 아세토니트릴 중 520 mg Li-TFSI), 28.8 티부틸피리딘 및 tt부틸피리딘으로 구성되었습니다. mL 클로로벤젠. 마지막으로 열증착을 통해 80 nm 두께의 Au 박막을 증착하였다.
Rigaku-2500 X선 회절 측정기를 사용하여 X선 회절 패턴을 측정했습니다. 평면도 SEM 이미지는 주사전자현미경(SEM, HITACH2100)을 사용하여 얻었다. Keithley 2420은 태양 전지 J–V를 측정하는 데 사용되었습니다. 100 mW cm −2 복사조도에서 AM 1.5 햇빛 아래에서의 특성 태양광 시뮬레이터(Newport, Oriel Sol3A Class AAA, 94043A)에서 제공합니다. 빛의 강도는 KG5 창(Newport, Oriel 91150)이 있는 단결정 실리콘 기준 셀에 의해 측정되었습니다. 임피던스 분광법은 Zennium(Zahner)에 의해 측정되었습니다. EQE는 단색 기기(Newport Cornerstone 260)와 함께 전원(Newport 300 W 크세논 램프, 66920)으로 Newport Oriel IQE-200을 사용하여 기록되었습니다. 기기 면적은 0.044 cm 2 입니다. .
요약하면 무기 CsPbI2를 얻었습니다. ZnCl2을 통합하여 Br 태양 전지 -MnCl2 CsPbI2로 Br 전구체 솔루션. ZnCl2일 때 -MnCl2 콘텐츠는 0.25%를 달성하고 장치는 14.15%의 챔피언 PCE를 보여주고 FF는 73.37%, J sc 15.66 mA cm −2 , 및 V oc 1.23 eV. 향상된 광전지 성능은 개선된 표면 형태, 감소된 트랩 밀도 및 억제된 전하 재결합과 관련이 있습니다. 이 작업은 세슘 납 할로겐화 페로브스카이트에 대한 기초 연구를 안내하고 태양 전지에 대한 잠재적인 응용을 촉진할 수 있습니다.
간단한 구성 엔지니어링 기술을 사용하여 필름 품질과 장치 성능을 개선합니다. MnCl2 통합 +ZnCl2 CsPbI2로 Br 필름, CsPbI2 Br 페로브스카이트 태양 전지는 14.15%의 뛰어난 효율과 우수한 장기 안정성을 달성합니다. 또한, 제조 공정은 재현성이 높고 저렴합니다.
N,N-디메틸포름아미드
디메틸설폭사이드
외부 양자 효율
주사 전자 현미경
X선 광전자 분광법
X선 회절
나노물질
초록 이 원고에서 무기 페로브스카이트 CsPbI2 Br 및 CsPbIBr2 유기금속 삼할로겐화물 페로브스카이트 재료보다 더 높은 안정성을 제공하는 광활성 재료로 조사되었습니다. 제조 방법으로 CsPbIx 역용매 처리 가능 Br3−x 필름, 단일 단계 솔루션 프로세스에서 항상 발생하는 열악한 필름 품질을 극복합니다. 스핀 코팅 공정에서 도입된 디에틸 에테르는 성공적인 것으로 입증되었으며 필름 품질에 대한 반용매의 영향이 연구되었습니다. 이 방법을 사용하여 제작된 장치는 고성능, 자체 전원을 구현하고 안정화된 광검출기는 빠른 응답
초록 페로브스카이트 태양 전지는 밴드 갭 조정이 가능하고 흡수 계수가 높으며 준비 비용이 낮기 때문에 실리콘 기반 탠덤 태양 전지에 사용됩니다. 그러나 상부 페로브스카이트 흡수층의 광학 굴절률과 비교하여 하부 실리콘의 상대적으로 큰 광학 굴절률은 2단자 장치에서 상당한 반사 손실을 초래합니다. 따라서 Si 바닥 셀에서 광전류 흡수를 향상시키기 위해서는 광 관리가 중요합니다. 이 논문에서 TiO2로 채워진 나노홀 어레이 하단 셀 설계에 도입되었습니다. 유한 차분 시간 영역 방법을 통해 300~1100nm 범위의 흡수 효율과 광전류
