페로브스카이트 태양 전지의 광전지 특성에 대한 다양한 CH3NH3PbI3 형태의 영향

초록

이 연구에서 페로브스카이트 층은 서로 다른 CH₃를 사용하는 2단계 습식 공정으로 준비되었습니다. NH₃ I(MAI) 농도. 셀 구조는 유리/FTO/TiO₂였습니다. -메조포러스/CH₃ NH₃ PbI₃ (MAPbI₃ )/spiro-OMeTAD/Ag. MAPbI₃ 페로브스카이트 필름은 2단계 공정에서 높고 낮은 MAI 농도를 사용하여 준비되었습니다. 페로브스카이트 필름은 페로브스카이트 태양 전지의 전력 변환 효율(PCE)을 향상시키기 위해 다른 스핀 코팅 속도와 다른 어닐링 온도에서 최적화되었습니다. 다른 페로브스카이트 형태를 기반으로 한 결과 장치의 PCE가 논의되었습니다. 베스트 셀의 PCE는 최대 17.42%, 개방 회로 전압 0.97V, 단락 전류 밀도 24.06mA/cm² , 0.747의 채우기 비율.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

유기 페로브스카이트 필름은 박막형 태양전지에서 더 나은 전력 변환 효율로 많은 관심을 받고 있다[1,2,3]. 페로브스카이트 필름을 제조하기 위해 많은 성장 방법이 개발되었습니다. 그 중 2단계 방법은 높은 필름 품질과 결과 필름의 신뢰성으로 인해 널리 사용됩니다[4, 5]. 페로브스카이트는 풍부하고 저렴한 화합물로 제조된 다용도 재료이며 독특한 광학 및 긴 여기자 특성뿐만 아니라 우수한 전기 전도도를 가지고 있습니다. 페로브스카이트 태양 전지의 전력 변환 효율(PCE)은 최근 몇 년 동안 3.8%에서 22.1%로 향상되었습니다.

페로브스카이트 필름을 준비하는 두 가지 방법이 있습니다:CH₃에 대한 1단계 및 2단계 방법 NH₃ PbI₃ 영화; 한 단계 방법은 PbI₂ 및 CH₃ NH₃ I(MAI)는 용매에서 혼합되어 CH₃을 형성합니다. NH₃ PbI₃ 진공 플래시 보조 용액 공정, [5] 용매 공학, [6] 습도 조절, [7, 8] 및 혼합 전구체 [9]와 같은 필름. 1단계 방법은 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 데 가장 널리 사용되는 방법이지만 유기 전구체와 무기 전구체를 모두 용해해야 하므로 두께, 균일성 및 형태를 포함한 막 특성의 제어가 저하됩니다. 2단계 방법은 PbI₂ 필름을 먼저 준비한 다음 MAI와 반응시켜 CH₃를 형성했습니다. NH₃ PbI₃ 영화. 2013년에 Bi et al. [10]은 먼저 2단계 방법을 사용하여 9.5%의 PCE를 보였다. PbI₂를 준비합니다. 메조다공성 TiO₂ 상의 필름 PbI₂를 스핀 코팅하여 필름 디메틸포름아미드(DMF) 용액. 건조 후 필름을 2-프로판올에 녹인 MAI 용액에 침지하여 고품질 CH₃를 형성했습니다. NH₃ PbI₃ 페로브스카이트 태양전지용 필름. 같은 해 Burschka et al. [11]은 2단계 방식으로 제조된 페로브스카이트 태양전지에 대한 인증을 보여주며 표준 AM1.5G 보고 조건에서 측정한 14.14%의 전력 변환 효율을 확인했다. 이후 페로브스카이트 태양전지의 PCE를 개선하기 위해 2단계 방법을 이용한 많은 연구가 보고되었다[12,13,14,15,16,17,18]. 또한, 향후 페로브스카이트 소자의 응용을 위해서는 장기적인 안정성이 중요합니다. 탄소층[19] 및 그래핀 산화물-변형된 PEDOT:PSS[20]와 같은 여러 나노구조가 소자의 열화를 억제하고 성능을 개선하는 데 사용되었습니다. 그러나 페로브스카이트 태양 전지의 광기전 특성에 대한 다양한 표면 형태의 영향에 대해 논의한 연구는 거의 없습니다.

이 연구에서 우리는 CH₃의 입자 크기와 형태를 제어했습니다. NH₃ PbI₃ 다른 MAI 농도, 어닐링 및 2단계로. 또한, CH₃의 표면 형태가 NH₃ PbI₃ 낮은 MAI 농도를 사용한 필름은 큰 페로브스카이트 입자를 나타내었지만 CH₃의 형태는 NH₃ PbI₃ 높은 MAI 농도를 사용한 필름은 조밀하고 매끄러운 입자를 나타냈다. 다른 페로브스카이트 형태를 기반으로 생성된 셀의 광전지 변환 효율은 XRD 스펙트럼, SEM, UV-vis 흡수 분광법 및 광발광(PL) 스펙트럼을 사용하여 분석되었습니다. 그 결과 베스트 셀의 전력 변환 효율은 최대 17.42%였다.

방법

이 연구에서는 기판으로 불소 도핑된 산화주석(FTO) 유리를 1.5 × 1.5cm² 크기의 작은 조각으로 절단했습니다. . FTO 유리 기판을 초음파 발진기에서 각각 5분 동안 아세톤, 에탄올, 탈이온수(DI)로 철저히 세척하고 질소로 건조했습니다. 50nm 소형 TiO₂ 차단 층은 먼저 이소프로판올 중 0.2M Ti-이소프로폭사이드 및 2M 아세틸아세톤 용액을 사용하여 500°C의 온도에서 분무 열분해 방법에 의해 사전 세척된 FTO 기판 표면에 증착되었습니다. 메조다공성 층 TiO₂ 희석된 페이스트(Dyesol 18NR-T)를 스핀 코팅한 다음 450°C로 가열하여 증착했습니다. 다음으로 2단계 방법을 사용하여 페로브스카이트 층을 증착했습니다. PbI₂ (Alfa Aesar, 99.9985% 순도)는 1mol/L PbI₂ 용액에서 스핀 코팅을 통해 증착되었습니다. 7000rpm의 스핀 코팅 속도로 70°C로 가열된 디메틸포름아미드(DMF)에서 MAPbI₃ 슬라이드를 30초 동안 농도가 다른 이소프로판올(IPA) 중 10mg/mL MAII 용액에 담가서 형성했습니다. 과량의 IPA를 제거한 후 페로브스카이트 필름을 100°C로 설정된 핫 플레이트에 20분 동안 둡니다. 정공 수송 물질의 조성은 0.170 M 2,2',7,7'-tetrakis(N ,N -디-p-메톡시페닐-아민)-9,99-스피로비플루오렌(spiro-OMeTAD, Lumtec), 60mM 비스(트리플루오로메탄)술폰이미드 리튬 염(LiTFSI, 99.95%, Aldrich) 및 200mM 4-tert 첨가 -부틸피리딘(TBP, 99%, Aldrich). 채널₃ NH₃ PbI₃ /TiO₂ 4000rpm에서 스핀 코팅 방법을 사용하여 스피로-OMeTAD 용액으로 필름을 코팅했습니다. 전기 접촉을 위해 100nm Ag 필름이 열 증발에 의해 태양 전지에 증착되었습니다. 결과 장치는 silver/spiro-OMeTAD/MAPbI₃로 구성되었습니다. /TiO₂ 메조다공성 층/TiO₂ 조밀한 층/FTO/유리. 그림 1은 전체 구조를 개략적으로 보여줍니다. 소스 측정 장치(Keithly 2400)를 사용하여 태양 전지의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 얻었다. CN₃의 광발광 스펙트럼 NH₃ PbI₃ /유리 샘플은 현미경 기반 분광기를 사용하여 측정되었습니다. 기기의 활성 영역은 2 × 5 mm² 입니다. 섀도우 마스크로 CN₃의 X선 회절 패턴 NH₃ PbI₃ /glass 샘플은 ta-2theta 모드를 사용하여 녹음되었습니다.

<그림>

전체 구조의 개략도

결과 및 토론

그림 2는 MAPbI₃의 평면도(왼쪽 열) 및 단면(오른쪽 열) SEM 이미지를 보여줍니다. 저농도 MAI(10mg/mL)로 제조된 페로브스카이트 필름을 다양한 온도에서 어닐링 처리했습니다. 그림 2a와 같이 표면에 많은 양의 페로브스카이트 입자가 존재하고 정방정계 형태를 가짐을 알 수 있다. 저농도 MAI로 제조한 페로브스카이트 필름의 입자 크기와 표면 형태는 모든 샘플에서 유사합니다.

<그림>

MAPbI₃의 상위 뷰 SEM 이미지 a-d를 사용하여 저농도 MAI(10mg/mL)로 제조한 페로브스카이트 필름 다양한 스핀 코팅 속도 및 h 어닐링 처리

그림 3은 MAPbI₃의 평면도(왼쪽 열) 및 단면(오른쪽 열) SEM 이미지를 보여줍니다. 고농도 MAI(40mg/mL)로 제조한 페로브스카이트 필름을 다양한 온도에서 어닐링 처리했습니다. 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트는 정방정계 결정, 평균 MAPbI₃ 도메인 크기는 그림 3과 같이 약 200nm에서 약 600nm입니다. 형태는 저농도 MAI로 제조된 페로브스카이트와 다릅니다. PbI₂ MAPbI₃ 표면의 곡물 60°C 어닐링된 페로브스카이트 필름. 불완전한 반응으로 인한 잔류물입니다. 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 필름의 도메인 크기와 표면 형태는 모든 샘플에서 유사합니다.

<그림>

MAPbI₃의 상위 뷰 SEM 이미지 a-d와 함께 고농도 MAI(10mg/mL)로 제조된 페로브스카이트 필름 다양한 스핀 코팅 속도 및 h 어닐링 처리

그림 4는 MAPbI₃의 XRD 패턴을 보여줍니다. (a) 저농도 및 (b) 다른 어닐링 온도를 갖는 고농도 MAI에 의해 제조된 필름. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 PbI₂에 해당하는 12.6°와 14.4°에서 두 개의 주요 회절 피크가 관찰됩니다. (001) 및 MAPbI₃ (110) 단계, 각각. PbI₂의 강도 (001) 피크가 MAPbI₃의 피크보다 높습니다. (110) MAPbI₃의 어닐링 온도일 때 피크 필름은 최대 120°C까지 상승합니다. MAPbI₃ 필름은 MAI와 PbI₂의 2상 필름으로 분해됩니다. , 페로브스카이트 태양 전지의 열악한 효율로 이어집니다. 유사하게 그림 4b와 같이 어닐링 온도가 60°C일 때 PbI₂에 해당하는 12.8°와 14.3°에서 두 개의 주요 회절 피크가 관찰됩니다. (001) 및 MAPbI₃ (110) 단계, 각각. 그러나 MAPbI₃에 해당하는 단일 피크 (110) 단계는 MAPbI₃의 어닐링 온도일 때 관찰됩니다. 필름은 최대 80°C까지 상승합니다. MAI 및 PbI₂ MAPbI₃로 구성됩니다. 영화, 완전히.

<그림>

MAPbI₃의 XRD 패턴 a가 있는 영화 낮음 및 b 고농도 MAI

광발광(PL) 스펙트럼의 강도는 페로브스카이트 필름과 TiO₂ 사이의 계면에서 여기자의 수명과 관련이 있습니다. 및 페로브스카이트 필름. 엑시톤의 수명은 더 길고 PL 스펙트럼의 강도는 더 강합니다. TiO₂ 계면에서 여기자의 분해율 페로브스카이트 필름이 더 빠르고 PL 스펙트럼의 강도가 더 약합니다. 그림 5는 MAPbI₃의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 다양한 스핀 코팅 속도와 어닐링 온도로 저농도 및 고농도 MAI로 제조됩니다. 그림 5a, b와 같이 MAPbI₃에 대한 최적의 스핀 코팅 속도와 어닐링 온도 저농도 MAI에 의해 준비된 것은 각각 2000rpm과 100°C입니다. 한편, 그림 5c, d와 같이 MAPbI₃에 대한 최적의 스핀 코팅 속도와 풀림 온도 고농도 MAI에 의해 제조된 것은 각각 4000rpm 및 120°C입니다.

<그림>

MAPbI₃의 PL 스펙트럼 a를 사용하여 저농도 MAI로 준비 다양한 스핀 코팅 속도 및 b 어닐링 온도 및 c를 사용하여 고농도 MAI로 준비 다양한 스핀 코팅 속도 및 d 어닐링 온도

그림 6은 MAPbI₃의 SEM 이미지를 보여줍니다. 최적의 조건에서 각각 저농도 및 고농도 MAI 용액을 사용한 페로브스카이트 필름. MAPbI₃의 표면 형태 저농도 MAI가 있는 페로브스카이트 필름은 MAPbI₃보다 거칠다. 고농도 MAI가 있는 페로브스카이트 필름. 후자의 입자는 조밀하고 매끄 럽습니다. 또한 후자의 표면 커버율이 전자보다 우수합니다.

<그림>

MAPbI₃의 SEM 이미지 a가 있는 페로브스카이트 영화 낮음 및 b 최적의 조건에서 각각 고농도 MAI 솔루션

그림 7a는 MAPbI₃의 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 다른 MAI 농도를 가진 필름. MAI 농도가 10mg/mL에서 40mg/mL로 증가할 때 PL 스펙트럼의 피크 위치는 768nm에서 773nm로 증가합니다. 적색편이는 PbI₂의 반응과 관련이 있을 수 있습니다. 및 MAI [21]. PbI₂로 필름은 MAI 용액과 반응하여 MAPbI₃를 형성합니다. 페로브스카이트 필름에서 밴드 갭은 1.55eV로 이동합니다. 또한, MAPbI₃의 PL 스펙트럼의 강도 높은 MAI 농도를 사용하는 페로브스카이트 필름은 붕괴입니다. 원래 원인을 조사하기 위해 시간 분해 광발광(TRPL)을 사용하여 여기자의 수명을 연구했습니다. 따라서 여기자는 MAPbI₃의 경우 FTO 기질로 빠르게 추출될 수 있습니다. 높은 MAI 농도를 사용하는 페로브스카이트 필름. 그림 7b에 표시된 TRPL 스펙트럼에 따르면 저농도 및 고농도로 제조된 MAI 페로브스카이트 필름의 수명은 각각 25ns 및 14ns입니다. 높은 MAI 농도로 제조된 MAI 페로브스카이트 필름의 엑시톤 수명이 상대적으로 짧음을 분명히 알 수 있는데, 이는 엑시톤의 분해 속도가 더 빠른 이유를 설명하는 데 사용할 수 있습니다. TiO₂ 간의 인터페이스 높은 MAI 농도로 제조된 페로브스카이트가 매끄럽기 때문에 엑시톤이 분리되어 그림 7b와 같이 FTO 기질로 빠르게 추출됩니다. 또한, 필름 품질을 향상시킬 수 있어 전자 분해 속도를 높일 수 있습니다.

<사진>

아 PL 및 b MAPbI₃의 TRPL 스펙트럼 농도가 다른 필름

그림 8a, b는 각각 다른 어닐링 온도로 저농도 및 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 태양 전지의 J-V 곡선을 나타냅니다. 단락 전류 밀도 Jsc를 비교하기 위해 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 태양 전지는 약 2mA/cm² 더 높습니다. 저농도 MAI로 제조한 세포보다 이는 고농도 MAI에 의해 제조된 페로브스카이트 필름의 품질이 향상되어 흡광도가 높아져 광전류가 높아졌기 때문일 수 있습니다. 또한, 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 필름의 전하 이동 저항은 매끄러운 형태로 인해 작습니다. 매끄러운 형태를 갖는 필름은 페로브스카이트 필름과 스피로-MeTAD 필름 사이의 접촉 면적을 증가시킬 뿐만 아니라 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다[22, 23]. 반면, 저농도 MAI로 제조된 세포는 높은 Voc를 나타낸다. PbI₂로 인해 발생할 수 있습니다. 페로브스카이트 박막의 잔류물 [22, 23]. 성능의 재현성을 확인하기 위해 그림 8c와 같이 저농도 및 고농도 MAI로 준비한 50개의 페로브스카이트 소자에서 얻은 히스토그램을 사용하여 전력 변환 효율(PCE)을 비교합니다. 결과에서 알 수 있듯이 장치는 매우 잘 수행되었습니다. 저농도 및 고농도 MAI로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 평균 PCE는 13%와 13.7%이며 표준편차는 각각 1.293%와 1.275%이다. 도 8c에 도시된 바와 같이 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 태양전지의 경우 75% 이상의 전지가 한 태양 조건에서 13% 이상의 PCE를 나타낸다. 이는 좋은 재현성을 나타냅니다. 최적의 결과는 17.42%의 전력 변환 효율, 0.97V의 개방 회로 전압, 24.06mA/cm의 전류 밀도를 보여줍니다.² , 0.747의 채우기 비율.

<그림>

a를 사용하여 제조된 페로브스카이트 태양 전지의 J-V 곡선 저농도 MAI 및 b 어닐링 온도가 다른 고농도 MAI. ㄷ 50개 소자에 대한 최적 공정 조건에서 고농도 MAI로 제조된 페로브스카이트 태양전지의 PCE 히스토그램

결론

본 연구에서는 고농도 MAI로 제조한 페로브스카이트 필름을 이용하여 태양전지를 형성하였다. 태양 전지에 대한 필름의 다양한 형태의 영향을 조사했습니다. 페로브스카이트 태양전지의 J-V 특성곡선을 이용하여 광전변환 효율을 향상시켰다. 결과에 따르면 전력 변환 효율은 최대 17.42%, 개방 회로 전압 0.97V, 전류 밀도 24.06mA/cm² , 그리고 74.66%의 채우기 비율이 가장 좋은 특성이었습니다.

약어

FTO:: 불소 도핑 산화주석
J-V:: 전류 밀도-전압
MAI:: 채널₃ NH₃ 나
MAPbI₃ :: 채널₃ NH₃ PbI₃
PCE:: 전력 변환 효율
PL:: 광발광
SEM:: 주사 전자 현미경
TRPL:: 시간 분해 광발광
XRD:: X선 회절계

산화아연 나노입자의 특성과 미생물에 대한 활성 그래핀 산화물의 저온 감소:전기 전도도 및 스캐닝 켈빈 프로브 힘 현미경

나노물질