고품질의 재현 가능한 페로브스카이트 층 제조 경로는 효율적인 평면 태양 전지의 구현에 필수적입니다. 여기에서는 PbCl2의 물리적 진공 증발을 기반으로 하는 순차적 증기 처리 경로를 소개합니다. 메틸-암모늄 요오다이드 증기와의 화학 반응이 뒤따르는 층. 시연된 증기 성장 페로브스카이트 층은 ~ 320nm의 평균 입자 크기를 가진 조밀하고, 핀홀이 없고, 균일한 미세 구조를 보여줍니다. 평면 이종 접합 페로브스카이트 태양 전지는 TiO2를 사용하여 제조됩니다. 및 규칙적인 n의 spiro-OMeTAD 전하 수송 층 -나 -피 형태. 이 장치는 이 경로에 의해 형성된 페로브스카이트 층의 높은 균일성과 재현성을 나타내는 작은 편차와 함께 11.5%의 최고의 효율을 나타냅니다.
<섹션 데이터-제목="배경">하이브리드 페로브스카이트 재료는 강렬한 광 흡수, 직접 및 조정 가능한 밴드 갭, 높은 캐리어 이동도, 긴 전하 확산 길이, 중간 갭 상태가 거의 없는 얕은 결함 수준 등의 고유한 특성을 가진 차세대 광전지 시대의 광 흡수재로 가장 경쟁력 있는 후보입니다. , 금속 할로겐화물 골격 및 삽입된 유기 종에 따른 조성에 대한 광범위한 조정 가능성[1,2,3,4,5,6,7,8]. 그들은 mesoscopic nanostructured 및 단순 평면 구조와 같은 두 가지 유형의 아키텍처에 사용되었습니다. 단순화된 평면 아키텍처를 위한 고품질 핀홀 없는 페로브스카이트 레이어를 준비하려면 상당한 노력이 필요합니다. 페로브스카이트 층을 제조하기 위해 용매 적하 방지, 순차적 딥 코팅, 이중 소스 진공 증발 및 증기 보조 성장과 같은 다양한 방법이 사용되었습니다[9,10,11,12,13,14,15,16]. 진공 증착은 두께 제어 능력과 함께 전체 기판 영역에 걸쳐 매우 균일한 층 형성을 나타냅니다. 또한, 증기 보조 결정화는 유기 물질의 확산을 통해 제어된 화학 반응 속도를 통해 조밀하게 채워진 미세 구조를 재현 가능하게 제공하는 것으로 알려져 있습니다[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26].
여기에서 우리는 CH3에 의한 새로운 순차적 증기 처리 경로를 보고합니다. NH3 I(MAI)-진공 증착된 PbCl2으로의 증기 확산 완전히 덮이고 매우 균일한 페로브스카이트 층이 생성됩니다. 평면 n -나 -피 이종접합 페로브스카이트 태양 전지는 TiO2를 사용하여 성공적으로 시연되었습니다. 및 2,2',7,7'-테트라키스-(n,n-디-4-메톡시페닐아미노)-9,9'-스피로비플루오렌(스피로-OMeTAD) 전하 수송 층. Champion 셀은 최대 11.5%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성합니다. 우리의 결과는 이 경로가 제어된 방식으로 균일하고 재현 가능한 페로브스카이트 층을 제조하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.
소자는 불소 도핑된 산화주석(FTO) 코팅된 유리 기판에 제작되었습니다. 기판을 초음파 수조에서 아세톤, 메탄올, 이소프로판올, 탈이온수로 순차적으로 세척한 다음 15분 동안 자외선 오존에 노출시켰습니다. 전자 수송 층의 경우 n-부탄올(이소프로판올 중 75wt%)의 450 및 600mM 티타늄 디이소프로폭사이드비스(아세틸아세토네이트)를 2500rpm에서 20초 동안 이중 코팅하고 공기 중에서 500°C에서 30분 동안 어닐링하여 콤팩트한 TiO를 형성했습니다. 2 레이어. TiO2 -코팅된 기판을 진공 챔버에 넣고 PbCl2 실온에서 ~ 16분 동안 1Å/s의 속도로 증발되었습니다. 메틸-암모늄 요오다이드(MAI) 증기 처리는 PbCl2 주위에 펼쳐진 MAI 분말을 사용하여 건조 진공 오븐에서 수행되었습니다. -코팅된 기판. 그 후, 준비된 그대로의 검정색 샘플을 이소프로판올로 세척하여 MAI 잔류물을 제거한 다음 100°C에서 1시간 동안 어닐링했습니다. 정공 수송 층의 경우, 클로로벤젠 중 spiro-OMeTAD를 tert-부틸피리딘 및 아세토니트릴 중 리튬 비스(트리플루오로메틸시포닐)이미드 염과 혼합하여 전구체 용액을 제조했습니다. 용액을 4000rpm에서 40초 동안 스핀 코팅한 다음 코팅된 샘플을 산화를 위해 밤새 공기 중에 보관했습니다. 마지막으로 Au 전극의 열증착으로 소자 제작이 완료되었다.
결정구조는 X선 회절법(XRD, Ultima IV:RIGAKU)으로 분석하였고, 페로브스카이트층의 형태는 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, S-4300:HITACHI)으로 관찰하였다. UV-Vis 분광광도계(UV-1601PC:Shimadzu)를 사용하여 흡광도 데이터를 얻었다. 광전류 밀도-전압(J -V ) 페로브스카이트 태양 전지 장치의 곡선은 AM 1.5G(100mW/cm 2 )에서 태양열 시뮬레이터(94021A:Newport)로 기록되었습니다. ) 조사. 측정하는 동안 태양 전지 장치는 0.09cm 2 의 개구 면적으로 마스킹되었습니다. .
순차 증기 처리를 사용하는 새로운 경로는 핀홀이 없고 조밀하게 채워진 결정질 페로브스카이트 층의 재현 가능한 형성을 제공합니다. 그림 1a는 고품질 페로브스카이트 층의 제조 과정을 간략하게 보여줍니다. 첫째, PbCl2 TiO2의 유출 셀을 사용하여 진공 챔버에서 증발됩니다. /FTO/유리 기판, 전체 기판 영역에 걸쳐 균일한 층을 재현 가능하게 생성합니다. 또한, 진공증착을 통한 명확한 증착율로 PbCl2의 두께 조절이 가능합니다. 액체 처리에 비해 결과적인 페로브스카이트 층이 쉽습니다. 얻어진 균질하고 투명한 PbCl2 코팅된 면이 위쪽을 향하도록 샘플을 유리 페트리 접시로 옮깁니다. MAI 기화의 경우 MAI 분말이 PbCl2 주위에 퍼집니다. -코팅된 기질, 그리고 각 페트리 접시는 잘 제한된 공간을 보장하는 상단에 또 다른 유리 뚜껑으로 단단히 덮여 있습니다. 진공 오븐에서 다양한 온도와 기간을 모니터링하여 페로브스카이트 형성에 가장 적합한 조건을 찾습니다. 이 공정은 MAI 확산 및 반응 및 기화에 특징이 있기 때문에 높은 결정도 페로브스카이트의 재현 가능한 형성을 위해서는 적당한 조건이 선호됩니다. 마지막으로 미반응 성분의 충분한 반응을 통해 결정도를 향상시키기 위해 포스트 어닐링(post-annealing)을 수행한다. 그림 1b는 PbCl2의 광 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 대표 샘플 사진과 함께 페로브스카이트 샘플. 예상되는 흡수 가장자리가 약 785nm인 짙은 갈색의 균일한 층은 이 경로에 의한 페로브스카이트의 성공적인 결정화를 나타냅니다. 또한 Tauc 플롯(추가 파일 1:그림 S1)에서 추정된 밴드갭 값은 문헌[27, 28]과 잘 일치하는 약 1.58eV인 것으로 나타났습니다.
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아 PbCl2을 통한 제조 공정의 개략도 증발, MAI 기화 및 확산, 후-어닐링. ㄴ PbCl2의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 및 페로브스카이트 층. 해당 샘플 사진이 인세트에 제공됩니다.
먼저, MAI 공정 온도가 페로브스카이트 형성에 미치는 영향을 흡수 스펙트럼을 사용하여 대략적으로 조사했습니다. 추가 파일 1:그림 S2에서 볼 수 있듯이 150°C는 명확한 페로브스카이트 흡수 가장자리가 있는 최적 조건이었습니다. 이는 아마도 MAI 기화와 페로브스카이트 형성 반응 간의 최적화 때문일 것입니다. 이후 MAI 공정 기간 및 Post-annealing 실행 등 보다 세부적인 조사를 진행하였고, 결정 성장의 추이를 이해하기 위해 XRD 분석을 수행하였다(Fig. 2). 모든 샘플은 정방정계 결정 구조에 기인한 특징적인 페로브스카이트 회절 피크를 나타내며 [001] 및 [110] 방향에 대한 상대적으로 강한 강도는 고도로 정렬된 결정 배향이 획득되었음을 입증합니다[29,30,31]. 두 번째 상의 회절강도는 매우 작지만 인가된 열에너지에 따른 경향으로부터 상변환 차수를 파악할 수 있다. MAI 기화 기간을 어닐링 없이 2시간 동안만 유지하면 일부 피크가 11°와 12° 사이에서 나타납니다. 이전 연구에 따르면 이러한 피크는 H2 O 통합 페로브스카이트 복합체((CH3 NH3 )4 PbI6 ·2H2 O) 습기 및 과잉 MAI로 인해 형성될 수 있는 것[32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42]. 어닐링 후 처리(100°C에서 1시간)를 적용하면 이러한 피크가 PbI2 수분 및/또는 MAI의 방출로 인한 피크[32, 43, 44]. 포스트 어닐링 단계에서 MAI 기화 기간을 4시간으로 늘리면 PbCl2에서 전체 전환 페로브스카이트를 얻습니다.
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MAI 처리 시간 및 후-어닐링 실행에 따른 페로브스카이트 박막의 XRD 데이터. 페로브스카이트 평면 인덱스가 할당되고 페로브스카이트 복합체의 피크 PbI2 , 및 FTO는 각각 δ, * 및 #으로도 표시됩니다.
핀홀이 없는 페로브스카이트를 제조하는 것은 효율적인 평면 태양 전지에 필수적입니다. 물리적 진공 증착을 활용하는 우리의 경로는 재현 가능하게 전체 기판 영역에 걸쳐 작고 균일한 페로브스카이트를 생성합니다. 페로브스카이트 층의 형태 및 미세구조에 대한 조사는 SEM 분석에 의해 수행되었다. 핀홀이 없고 균일하며 균질한 표면 특성은 저배율 SEM 이미지로 나타납니다(그림 3a). 완전히 덮인 조밀하게 포장된 곡물은 고배율 모드에서도 볼 수 있습니다(그림 3b). 평균 입자 크기는 그림 3c와 같이 히스토그램의 가우스 피팅을 사용하여 ~ 320nm로 추출되었습니다. 그림 3d의 단면도는 페로브스카이트 층의 뚜렷하고 지속적으로 성장한 형태를 명확하게 반영합니다. 또한 평균 페로브스카이트 두께(~ 220nm)가 평균 입자 크기보다 작아 입자를 통한 전하 캐리어의 수직 수송을 보장합니다.
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220nm 두께의 페로브스카이트 층의 SEM 분석. 아 저배율 이미지. ㄴ 고배율 이미지. ㄷ 입자 크기 분포를 보여주는 히스토그램. d 단면도
제작된 n-i-p의 장치 구성표 -형 평면 이종접합 페로브스카이트 태양전지를 대표 J-V와 함께 제시 그림 4a, b의 5가지 다른 페로브스카이트 두께에 대한 곡선. J-V에서 추출한 태양광 매개변수 곡선은 표 1에 요약되어 있습니다. 당사의 증기 처리는 잘 정의된 증착 속도를 통해 두께를 자유롭게 제어할 수 있으므로 기기 효율성을 쉽게 최적화할 수 있습니다. 최적화된 셀은 220nm 페로브스카이트 두께에서 평균 효율이 11.2%인 것으로 나타났습니다. 용액 공정을 통한 고효율을 보여주는 문헌에 비해 더 작은 최적 두께는 우리 페로브스카이트의 전하 수집 능력이 더욱 향상되어야 함을 지적합니다. 캐리어 재결합을 완화하기 위해 증기 처리 경로로 페로브스카이트 층 품질을 개발할 필요가 있습니다. 표준 편차는 각 조건에 대해 동일한 기판에서 만든 3개의 장치에서 계산되었습니다. 제한된 샘플 수에도 불구하고 작은 편차는 이 순차적 증기 공정으로 전체 기판 영역에서 페로브스카이트 층의 우수한 균일성을 나타냅니다. 그림 4c는 220nm 두께의 페로브스카이트 장치에 대한 스캔 속도의 함수로 히스테리시스 분석을 나타냅니다. 히스테리시스에 대한 스캔 속도 의존성이 명확하게 표시됩니다. 추가 파일 1:그림 S3에 나와 있는 것처럼 낮은 스캔 속도(300mV/s)에서 히스테리시스는 평균 효율 7.5%로 무시할 수 있습니다. n 동안 -나 -피 구조에서 역 스캔에서 더 높은 PCE를 나타내는 히스테리시스가 일반적이며, 이는 캐리어 수집(즉, 인터페이스에서 전송 및/또는 전송)이 공간 전하 및 트랩된 전하와 같은 용량성 전하의 특정 분포로 더 효율적임을 나타냅니다. 반면, 정상 상태 PCE는 그림 4d와 같이 최대 전력점에서 모니터링되었습니다. 안정화된 PCE 및 전류 밀도 값은 7.5% 및 14mA/cm 2 로 얻어졌습니다. , 각각 그림 4c의 결과와 잘 일치합니다.
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아 장치 구성표. ㄴ 제 -V 다양한 페로브스카이트 두께를 갖는 페로브스카이트 태양전지의 곡선. 1000mV/s(역방향 스캔 포함) ㄷ 스캔 속도에 따른 히스테리시스 변화, 페로브스카이트 두께:220nm d 최대 전원 전압에서 안정된 출력
우리는 PbCl2의 물리적 진공 증착을 통한 새로운 제조 경로를 보고했습니다. 층 및 다음 MAI 기화 보조 페로브스카이트 성장. 광 흡수 및 XRD 스펙트럼은 고결정성 및 순수한 페로브스카이트 층의 형성을 확인했습니다. ~ 320nm의 평균 입자 크기로 고품질의 소형이며 핀홀이 없는 페로브스카이트 층이 확인되었습니다. TiO2를 사용하여 일반형 평면 이종접합 페로브스카이트 태양전지를 제작했습니다. 전자 및 정공 수송 층으로서 각각 스피로-OMeTAD. 챔피언 셀은 작은 편차로 11.5%의 최고의 효율을 보여 이 증기 처리 경로에 의해 생성된 페로브스카이트 층의 우수한 재현성과 균일성을 의미합니다. 향후 작업으로 합성 경로의 이점을 유지하면서 효율성을 개선하고 히스테리시스 거동을 줄이기 위해 장치 구조를 최적화하여 페로브스카이트 층 품질을 추가로 개발해야 합니다.
나노물질
초록 삼항 및 합성 MoIn2 S4 고슴도치 볼 구조의 @CNTs 상대 전극(CE)은 손쉬운 1단계 열수 방법을 사용하여 합성되었습니다. 합성 MoIn2 S4 @CNTs 필름은 N2를 통해 큰 비표면적을 보유합니다. 더 많은 전해질을 흡착하고 전극에 더 큰 활성 접촉 영역을 제공하는 데 유리한 흡착-탈착 등온선 테스트. 또한 합성 MoIn2 S4 @CNTs CE는 순환 전압전류법, 전기화학 임피던스 및 Tafel 곡선을 포함한 일련의 전기화학 테스트에서 만들어진 낮은 전하 이동 저항과 미세한 전기촉매 능력을 나타냅니다. 최적의 조
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
