페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 높은 전력 변환 효율과 낮은 처리 비용으로 인해 광전지에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. PSC는 일반적으로 PbI2로 제작됩니다. N과 같은 일부 독성 첨가제가 포함된 /디메틸포름아미드 용액 -메틸 피롤리돈 및 헥사메틸포스포르아미드. 여기에서 우리는 환경 친화적인 비양성자성 극성 용매인 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI)을 사용하여 페로브스카이트 필름을 제조합니다. 전구체 용액에 10vol% DMI를 추가하여 표면이 매끄러운 고품질 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있습니다. 어닐링 온도를 100°C에서 130°C로 높이면 페로브스카이트의 평균 입자 크기가 ~ 216에서 375nm로 증가합니다. 그 결과 PSC의 효율이 10.72%에서 14.54%로 증가합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">최근 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 전력변환효율(PCE)의 급속한 성장과 낮은 공정 비용으로 인해 큰 주목을 받고 있다[1,2,3,4,5,6,7,8]. 현재 페로브스카이트 태양전지는 1단계[9,10,11,12], 2단계[13, 14] 및 첨가제 보조 증착 방법[15, 16]을 포함하는 용액 기반 공정을 통해 주로 제조됩니다. 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해 2단계 방법이 널리 사용되었습니다. 기존의 2단계 방법에서 CH3 NH3 PbI3 페로브스카이트(MAPbI3 )는 CH3의 삽입을 통해 형성됩니다. NH3 I(MAI) PbI2로 일반적으로 체적 팽창과 페로브스카이트 필름의 일부 작은 입자 존재로 인해 거친 표면으로 이어지는 격자[17, 18].
일반적으로 디메틸포름아미드(DMF)는 PbI2 제조용 용매로 사용됩니다. 및 MAPbI3 영화. 휘발성 DMF 용매는 포화 증기압이 높기 때문에 PbI2 PbI2의 스핀 코팅 동안 빠르게 결정화 /DMF 용액이므로 PbI2의 결정도 조절이 어렵습니다. 영화. 페로브스카이트 필름의 형태는 PbI2에 따라 다릅니다. 강하게. 큰 입자를 가진 부드럽고 조밀한 페로브스카이트 필름을 얻기 위해 연구자들은 일반적으로 PbI2에 약간의 첨가제를 추가했습니다. /DMF 전구체 솔루션. 예를 들어, Zhang et al. 부드러운 MAPbI3의 준비 보고됨 4-tert-부틸피리딘(TBP)을 PbI2에 통합하여 필름 /DMF 전구체 용액 [19]. Li et al. PbI2에 아세토니트릴을 도입하여 마이크로미터 규모의 큰 페로브스카이트 입자를 얻기 위해 핵형성 및 입자 성장 경로를 매개했습니다. /DMF 솔루션 [20]. 최근에는 고품질의 페로브스카이트 필름을 제조하기 위해 루이스 산-염기 부가물 접근법도 사용되었습니다. DMF, N과 같은 일부 비양성자성 극성 용매 ,N -디메틸 설폭사이드(DMSO), N -methyl pyrrolidone(NMP) 및 hexamethylphosphoramide(HMPA)는 페로브스카이트 태양 전지의 품질과 성능을 개선하기 위해 루이스 염기 용매로 사용되었습니다[21,22,23]. Lee et al. [24]는 산소, 황 또는 질소 리간드를 포함하는 비양성자성 극성 용매가 루이스 염기였으며 PbI2의 루이스 산-염기 부가물을 형성할 수 있다고 지적했습니다. ·xSol with PbI2 데이트 채권을 통해. PbI2의 루이스 부가물 ·xSol은 고품질 페로브스카이트 필름 및 고효율 PSC로 이어집니다. 그러나 위의 비양성자성 극성 용매는 독성이 있어 건강과 환경에 해를 끼칩니다.
1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI)도 휘발성이 낮은 비양성자성 극성 용매입니다. DMI에는 5원 고리와 카르보닐이 있습니다(추가 파일 1:그림 S1 참조). 카르보닐의 O 원자에 있는 고립된 전자쌍으로 인해 DMI는 PbI2와 루이스 부가물을 형성할 수도 있습니다. . 더 중요한 것은 DMI의 잠재적인 독성학적 위험이 발암성 HMPA 및 생식 독성 NMP보다 적습니다. 따라서 루이스 부가물 접근법을 통해 페로브스카이트를 형성할 때 HMPA 및 NMP에 대한 좋은 대체 용매로, 보다 안전한 작업 환경을 제공하기 때문입니다[25]. 여기에서 DMI 용매를 PbI2에 도입합니다. /DMF 전구체 솔루션은 페로브스카이트 필름의 품질을 향상시킵니다.
페로브스카이트 필름과 태양 전지는 수정된 2단계 방법으로 제작되었으며 이전 논문에서 자세히 보고되었습니다[22]. 간단히 말해서, 소형 TiO2 차단층을 FTO 기판에 2000rpm에서 30초 동안 에탄올에 녹인 티타늄 이소프로폭시 용액을 스핀 코팅한 다음 500°C에서 30분 동안 소결했습니다. 메조다공성 TiO2 그런 다음 층이 희석된 TiO2를 스핀 코팅하여 차단층 위에 증착되었습니다. 페이스트(Dyesol-30NRT, Dyesol)를 에탄올(1:6, 중량비)에 3500rpm으로 30초 동안 녹입니다. FTO 기판은 500°C에서 30분 동안 소결되었습니다. 그런 다음 FTO 기판을 1M PbI2와 함께 떨어뜨렸습니다. /DMF 용액에 DMI의 다른 부피 분율을 추가한 다음 3000rpm에서 30초 동안 스핀 코팅합니다. PbI2 전구체 필름을 CH3 용액에 직접 담그었습니다. NH3 MAPbI3를 준비하기 위해 120초 동안 30mg/mL 농도의 2-프로판올 중 I(MAI) 그런 다음 100°C에서 30분 동안 어닐링합니다. 그런 다음 HTM 층은 100mg 스피로-OMeTAD, 40μL 4-tert-부틸피리딘(TBP), 아세토니트릴 중 520mg/mL TFSI의 스톡 용액 36μL 및 60μL를 용해하여 제조된 용액을 스핀 코팅하여 증착했습니다. 1mL 클로로벤젠의 아세토니트릴에 300mg/mL FK102 도펀트의 스톡 용액. 마지막으로 HTM 상부에서 60nm 두께의 Au 필름을 열증발시켜 후면전극을 형성하였다. 전극의 활성 영역은 0.06cm 2 로 고정되었습니다. .
PbI2의 루이스 부가물 ∙DMI 및 페로브스카이트 필름은 X선 회절(XRD, Smartlab, Rigaku), 전계 방출 주사 전자 현미경(SEM, MERLIN VP Compact), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법(VERTEX 70v) 및 열중량 분석으로 특성화 및 평가되었습니다. (TGA, Q5000IR). PSC의 임피던스 스펙트럼(IS)은 0.9V의 바이어스 전압과 1Hz에서 1MHz의 범위에서 10mV의 대체 신호 하에서 전기화학 워크스테이션(CHI660D)으로 어둠 속에서 측정되었습니다. 정상 상태 및 시간 분해 광발광(PL) 스펙트럼은 Edinburgh FLS 920 기기(Livingston, WL, UK)로 측정되었습니다. 전류-전압 곡선은 태양열 시뮬레이터(AM 1.5G, 100mW/cm 2 , 91195, Newport) 5mV/s의 스캔 속도로
그림 1a, b는 순수한 DMF 및 DMI 용매와 해당 루이스 부가물의 FTIR 투과율 스펙트럼을 보여줍니다. C=O 결합의 신축 진동은 1670 및 1697 cm −1 에 있습니다. DMF 및 DMI 용매에 대해 각각. 루이스 부가물을 형성할 때 C=O 피크는 별도로 1658 및 1668cm로 하향 이동합니다. −1 . DMI와 DMF가 모두 PbI2와 상호 작용할 수 있음을 나타냅니다. PbI2의 루이스 부가물을 별도로 형성하는 dative Pb-O 결합을 통해 ∙DMI 및 PbI2 ∙DMF[26, 27]. 그림 1c는 PbI2의 TGA 곡선을 보여줍니다. 분말 및 PbI2의 루이스 부가물 ∙DMI 및 PbI2 ∙DMF. PbI2 ·DMF는 PbI2로 완전히 분해됩니다. 120°C에서 PbI2 동안 ·DMI는 200°C에서 완전히 분해됩니다. PbI2 ·DMI 부가물은 PbI2보다 더 안정적입니다. ·DMI와 PbI2 사이의 더 강한 분자 상호작용으로 인한 DMF . 따라서 PbI2를 형성하는 경향이 있습니다. ∙PbI2에 DMI가 존재할 때 DMI /DMF 전구체 솔루션. 그림 1d는 PbI2의 루이스 부가물의 XRD 곡선을 보여줍니다. ∙DMI 및 PbI2 ∙ PbI2에서 준비된 DMF /DMF 솔루션은 10vol% DMI를 포함하거나 포함하지 않고 추가합니다. PbI2 ·DMI는 PbI2보다 작은 7.97°와 9.21°에서 두 개의 특징적인 회절 피크를 가지고 있습니다. ∙DMF(9.12° 및 9.72°).
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아 DMF 및 PbI2의 푸리에 변환 적외선 투과 스펙트럼 ∙DMF. ㄴ DMI 및 PbI2의 푸리에 변환 적외선 투과 스펙트럼 ∙DMI. ㄷ PbI2의 열중량 분석 루이스 부가물. d PbI2의 루이스 부가물의 XRD 곡선 ∙DMI 및 PbI2 ∙DMF
MAI/2-프로판올 용액에 담그면 PbI2의 루이스 부가물 ∙DMI는 다음 공식에 따라 DMI와 MAI 간의 분자 교환을 통해 페로브스카이트로 변환됩니다.
$$ {\mathrm{PbI}}_2\cdot \mathrm{DMI}\kern0.5em +\kern0.5em \mathrm{MAI}\kern0.5em \to \kern0.5em {\mathrm{MAPbI}}_3\ kern0.5em +\kern0.5em \mathrm{DMI} $$ (1)추가 파일 1:그림 S2는 PbI2의 루이스 부가물을 담가 준비한 열처리된 페로브스카이트 필름의 XRD 곡선을 보여줍니다. ∙다른 시간에 대한 MAI/2-프로판올 용액의 DMI. 12.7° 및 14.2°에서 XRD 피크는 PbI2의 (001)에 할당됩니다. 및 (110) 페로브스카이트의 각각 [11, 28]. PbI2 ∙DMI는 2분 이내에 완전히 페로브스카이트로 전환됩니다. 약간의 잔류 PbI2가 있습니다. 반응 시간이 120초 미만일 때 페로브스카이트 필름에서.
그림 2는 PbI2의 SEM 이미지를 보여줍니다. PbI2에서 준비된 필름 및 해당 페로브스카이트 필름 /DMF 솔루션은 다른 양의 DMI를 추가합니다. 모든 샘플은 SEM 특성화 전에 30분 동안 100°C에서 어닐링됩니다. DMF와 비교하여 DMI는 끓는점이 더 높고 PbI2와 더 강한 상호 작용을 합니다. . 따라서 PbI2의 형태는 필름은 DMI의 농도에 따라 분명히 변합니다. PbI2 10vol% DMI가 PbI2에 추가되면 알갱이가 가지 모양에서 판 모양으로 바뀝니다. /DMF 전구체 용액(그림 2a, b 참조). 그러나 PbI2 DMI 농도가 20vol%로 증가하면 필름이 다공성이고 심지어 불연속적으로 변합니다(그림 2c). 결과 MAPbI3 영화는 PbI2의 영향을 받습니다. 영화를 크게. 따라서 페로브스카이트 필름은 10vol% DMI(그림 2e 참조)를 첨가한 용액에서 제조된 샘플에 대해 균일한 입자와 매끄러운 표면을 가지며, 이는 DMI가 없는 것보다 우수합니다. 그러나 과도한 DMI는 PSC의 광전지 성능에 불리한 불연속 필름(그림 2f 참조)을 유발할 수 있습니다.
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PbI2의 SEM 이미지 필름(위) 및 페로브스카이트 필름(아래) a , d DMI 없이 b , e 10% DMI 및 c , f 20% DMI
균일한 입자와 매끄러운 표면에도 불구하고 MAPbI3의 입자 크기 PbI2로 제작 DMI가 10%이고 100°C에서 어닐링된 /DMF 솔루션은 충분히 크지 않습니다. 그림 1c의 TGA 곡선에 따르면 DMI는 DMF보다 높은 온도에서 루이스 부가물에서 빠져 나옵니다. 여기서, 우리는 어닐링 온도를 증가시킨다. 그림 3a, b는 10분 동안 10vol% DMI를 첨가한 용액에서 100 및 130°C에서 어닐링하여 제조한 페로브스카이트 필름의 평면 SEM 이미지를 보여줍니다. 어닐링 온도가 상승함에 따라 입자 크기가 증가하는 것이 분명합니다. 평균 입자 크기는 각각 100 및 130°C의 어닐링 온도에서 준비된 샘플의 경우 216 및 375nm입니다(추가 파일 1:그림 S3 참조). 그림 3c, d는 페로브스카이트 태양 전지의 단면 SEM 이미지를 보여줍니다. 페로브스카이트 태양전지는 약 250nm 두께의 페로브스카이트 층이 있음을 보여줍니다. 고온(130°C)에서 어닐링된 샘플의 경우 대부분의 영역에서 하나의 입자만 포함하며, 이는 필름 두께보다 입자 크기가 더 큽니다. 어닐링 온도를 160°C로 증가시키면 약간의 잔류 PbI2가 있습니다. 페로브스카이트 필름(추가 파일 1:그림 S4 참조)으로 인해 광전지 성능이 저하됩니다(추가 파일 1:그림 S5 최고의 PCE =8.53% 참조).
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MAPbI3의 SEM 이미지 필름(위) 및 해당 페로브스카이트 태양 전지(아래). 아 , ㄷ 페로브스카이트 필름은 PbI2로 준비됩니다. /DMF 전구체 용액 10vol% DMI 첨가 및 100°C 및 b에서 어닐링 , d 130°C에서
그림 4a는 J를 보여줍니다. –V 다른 DMI 첨가제를 첨가한 용액으로부터 제작된 최상의 전지의 곡선. 해당 광기전 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다. PSC는 14.54%의 PCE, 단락 전류 밀도(J sc ) 21.05mA/cm 2 , 개방 전압(V oc ) 1.02V, 10vol% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링한 DMF 용액으로 제작된 샘플의 경우 67.72%의 충전 계수(FF)입니다. 동일한 전구체 용액으로 제작되고 100°C에서 어닐링된 PSC의 경우 최상의 PCE는 12.84%에 불과합니다. DMI 첨가제가 있는 용액으로 제작된 PSC는 DMI가 없는 용액보다 더 나은 광전지 성능을 나타냅니다(최고의 PCE =10.72%, J sc =20.14mA/cm 2 , V oc =0.97V, FF =55.14%). 다른 조건에서 제작된 PSC에 대한 일련의 광기전 매개변수는 그림 4c-f에 표시된 것처럼 최상의 PSC와 유사한 경향을 나타냅니다. DMI가 10vol%이고 130°C에서 어닐링된 용액으로 제작된 기기는 순수한 DMF보다 PCE가 더 높습니다. 그림 4b는 우수한 양자 수율을 나타내는 10vol% DMI를 추가한 DMF 용액으로 제작한 PSC의 입사 광자-전류 효율(IPCE) 결과를 보여줍니다. 통합된 J sc 역 스캔에서 얻은 것보다 약 10% 낮습니다. 이러한 불일치는 IPCE 광원과 태양광 시뮬레이터 사이의 스펙트럼 불일치와 공기 중에서 측정하는 동안 장치의 붕괴로 인해 발생할 수 있습니다[29]. DMI가 10vol%이고 130°C에서 어닐링된 용액으로 제작된 PSC의 광전류 안정화 또는 포화점을 확인하기 위해 최대 전력점에 가까운 바이어스 전압에서 일반적인 PSC의 정상 상태 전류를 측정했습니다( 0.78V), 추가 파일 1:그림 S6a에 나와 있습니다. PSC는 안정적인 출력을 보여줍니다. 장치는 추가 파일 1:그림 S6b에서 명백한 히스테리시스 현상을 보여줍니다.
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아 제 –V 다양한 조건에서 제작된 최고의 PSC 곡선. ㄴ 10% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링한 전구체 용액으로 제작된 최고의 PSC의 IPCE 스펙트럼. 빛 J에서 얻은 태양광 매개변수의 상자 차트 –V 일련의 PSC의 곡선. ㄷ 제 sc , d V oc , e FF, 에 PCE
그림 5a는 순방향 바이어스 0.9V에서 암실에서 측정한 PSC의 임피던스 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 5a의 삽입은 직렬 저항(R s ), 재조합 저항(R 녹음 ) 및 수송 저항(R HTM ) [30]. R s DMI가 없는 경우와 비교하여 DMF에 10% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링하여 PSC의 26.16에서 14.30Ω으로 감소합니다. 작은 R s 캐리어 운송을 용이하게 하여 높은 J sc [31]. 반대로 R 녹음 순수 DMF와 비교하여 DMF에 10vol% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링하여 46.49에서 2778Ω으로 증가합니다. 높은 R 녹음 향상된 장치 성능을 위해 전하 재결합을 효과적으로 억제합니다.
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아 0.9V의 바이어스에서 어둠 속에서 페로브스카이트 태양 전지의 Nyquist 플롯. b 페로브스카이트 필름의 안정된 PL 스펙트럼. ㄷ 세 가지 다른 조건에서 제작된 이중 지수 감쇠 함수를 기반으로 하는 시간 분해 PL 스펙트럼
그림 5b는 MAPbI3의 정상 상태 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 메조포러스 TiO2에 증착된 필름 기질. PL 스펙트럼은 10% DMI와 130°C에서 어닐링된 용액에서 제작된 페로브스카이트 필름에 대해 켄칭되며, 이는 전하가 MAPbI3에서 효과적으로 전달됨을 나타냅니다. TiO2로 샘플의 경계면에서 재결합되기 전에 필름을 제거합니다. 순수한 DMF로 제조된 것과 비교할 때 DMI 첨가제를 추가하면 전하 이동을 향상시킬 수 있습니다. 전하 전송에 대한 더 많은 통찰력을 얻으려면 MAPbI3의 시간 해결 PL 메조포러스 TiO2에 증착된 필름 기판도 수행됩니다(그림 5c 참조). 스펙트럼은 이중 지수 감쇠 기능에 잘 맞습니다.
$$ I(t)={A_1}^{\frac{-t}{\tau_1}}+{A_2}^{\frac{-t}{\tau_2}} $$ (2)여기서 τ 1 그리고 τ 2 는 각각 두 감쇠 과정의 감쇠 시간입니다. 금식(τ 1 ) 및 느린(τ 2 ) PSC의 붕괴. 빠른 감쇠 과정은 페로브스카이트 필름의 자유 캐리어가 전자 수송층(ETL) 또는 HTM으로 소멸되는 효과로 간주되는 반면 느린 감쇠 과정은 복사 감쇠로 간주됩니다[32, 33]. τ 1 10% DMI를 추가하고 100°C에서 어닐링할 때 3.71에서 2.80ns로 감소합니다. 또한, τ 1 10% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링할 때 1.90ns로 감소하여 전자가 페로브스카이트 필름에서 TiO2로 더 빠르게 이동함을 보여줍니다. 더 강한 정상 상태 PL 담금질에 의해 목격되는 ETL 층. 우리는 전하 이동 속도의 향상은 DMI를 첨가함으로써 페로브스카이트 필름에서 큰 결정립의 증가와 결정립계의 감소에 기인한다고 생각합니다.
PbI2에 일부 환경 친화적인 DMI 첨가제를 추가하여 입자가 큰 고품질 페로브스카이트 필름을 제작했습니다. /DMF 솔루션. PbI2의 조밀한 루이스 부가물 막을 형성합니다. ·DMI와 MAI 간의 분자 교환을 통해 페로브스카이트 필름으로 변환하는 DMI. 큰 입자를 가진 고품질 페로브스카이트 필름은 고온에서 어닐링하여 쉽게 얻을 수 있습니다. 따라서 전구체 용액에 10vol% DMI를 추가하고 130°C에서 어닐링함으로써 페로브스카이트 태양 전지의 성능이 크게 향상되었습니다.
디메틸포름아미드
1,3-디메틸-2-이미다졸리디논
아니 ,N -디메틸술폭스
헥사메틸포스포르아미드
채널3 NH3 나
채널3 NH3 PbI3
아니 -메틸 피롤리돈
페로브스카이트 태양 전지
나노물질
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
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
