최근 보고된 높은 전력 변환 효율(PCE)을 가진 페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 대부분 메조포러스 티타늄 산화물(TiO2 ) 전체 히스테리시스를 줄이는 주요 요인입니다. 그러나 메조포러스 TiO2에 대한 기존 제조 방법은 일반적으로 고온 어닐링 공정이 필요합니다. 또한 전자전도도를 높이고 캐리어 재결합을 줄이는 면에서 아직 개선할 길이 멀다. 여기에서 Nb:TiO2를 제조하기 위해 손쉬운 1단계, 현장, 저온 방법이 개발되었습니다. PSC의 스캐폴드 및 전자 수송층(ETL) 역할을 하는 조밀한 메조포러스 층. Nb:TiO2 Compact-mesoporous ETL 기반 PSC는 억제된 히스테리시스를 나타내며, 이는 나노 핀 형태로 인한 인터페이스 표면적 증가와 Nb 도핑으로 인한 향상된 캐리어 수송의 시너지 효과에 기인합니다. 이러한 고품질 소형 메조포러스 층은 최적화된 2% Nb 도핑된 TiO2를 사용하여 조립된 PSC를 허용합니다. 19.74%라는 놀라운 PCE를 달성했습니다. 이 작업은 에너지 소비와 비용이 낮은 소형 메조포러스 구조를 기반으로 하여 히스테리시스가 없는 고효율 PSC를 만들기 위한 효과적인 접근 방식을 약속합니다.
유무기 하이브리드 페로브스카이트는 큰 흡수 계수, 높은 캐리어 이동도 및 제조 용이성으로 인해 유망한 광 흡수 재료로 큰 관심을 받고 있습니다[1,2,3,4,5]. 페로브스카이트 기반 태양 전지, 광검출기, 발광 다이오드(LED), 심지어 메모리 장치까지 광범위하게 연구되고 확립되었습니다[6,7,8]. 2009년 이후 페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 전력 변환 효율은 표준 AM 1.5 조명에서 3.8%에서 25% 이상으로 급속한 성장을 유지했습니다[9,10,11,12]. PSC는 일반적으로 메조포러스 또는 평면 구조로 제작됩니다[13,14,15]. 현재까지 보고된 높은 전력 변환 효율(PCE)을 가진 PSC는 일반적으로 금속 산화물의 필수 스캐폴드 층을 포함하는 메조포러스 구조를 기반으로 합니다[16]. 산화티타늄(TiO2 )는 일반적으로 전자 수송층으로 사용되어 왔다. Seok이 제시한 전형적인 mesoporous type PSC는 FTO/compact TiO2의 구조를 가지고 있다. /메조다공성 TiO2 및 페로브스카이트 복합층/페로브스카이트 상층/PTAA/Au [17]. 일반적으로 메조다공성 TiO2 메조포러스형 PSC의 전체 히스테리시스를 줄이는 데 가장 크게 기여합니다[18]. 그러나 메조포러스 TiO2의 제작 층은 종종 고온(> 450 °C) 어닐링 처리를 필요로 하여 많은 에너지 소비를 초래하고 유연한 장치에서의 적용을 제한합니다[19,20,21]. 메조포러스형 PSC에 비해 평면형 PSC는 저온 저비용 공정으로 제작할 수 있다[22]. 그러나 평면형 PSC는 일반적으로 낮은 전자 전도도, 심각한 전하 재결합 및 상대적으로 낮은 결정도 때문에 심각한 히스테리시스 거동과 함께 낮은 PCE를 초래합니다[23, 24].
고품질 TiO2 개발을 위해 많은 노력을 기울였습니다. 형태 최적화, 표면 수정 및 도핑과 같은 높은 전자 이동도를 갖는 전자 수송 층(ETL). 특히 TiO2를 준비하기 위해 다양한 요소가 선택되었습니다. 리튬(Li)[25, 26], 니오븀(Nb)[27, 28], 백금(Pt)[29], 나트륨(Na)[30], 네오디뮴(Nd)[31]을 포함한 PSC의 도핑 층, 및 알루미늄(Al) [32]. 예를 들어, Liu et al. Li-doped TiO2 ETL은 특히 히스테리시스 효과를 완화하기 위해 메조포러스 구조 PSC의 성능에 유익했습니다[26]. Liao et al. Pt 도핑된 TiO2 ETL은 n-i-p PSC에서 전하 캐리어 추출 및 주입 효율을 향상시킬 수 있습니다[29]. Na, Nb 및 전이 금속 이온[30, 31, 33,34,35]과 같은 다른 이온은 TiO2의 표면 또는 부동태화 결함을 수정하는 데 사용되었습니다. , 비방사성 재결합 감소에 기여합니다. 이들 원소 중 니오븀 금속(Nb)은 티타늄과 반경이 유사하기 때문에 티타늄 산화물 전자 수송 물질의 도핑 물질로 좋은 후보이다. 결과는 Yin et al. Nb 도핑이 전도도와 이동도 모두를 개선하고 동시에 TiO2의 트랩 상태 밀도를 감소시킬 수 있음을 보여주었습니다. PSC용 ETL [27]. 이러한 진행에도 불구하고 상대적으로 높은 온도(150 °C) 처리가 필수였으며 Nb 도핑된 TiO2 기반 PSC에서 여전히 큰 히스테리시스가 관찰되었습니다. . 잘 알려진 바와 같이, 전류 밀도-전압(J-V ) 히스테리시스는 특히 평면 구조 PSC 장치에서 자주 발생하는 중요한 문제입니다. 심한 히스테리시스는 PSC의 불안정성과 PCE의 저하로 이어질 수 있습니다. 이러한 이유로, 간단하고 저온 방법을 사용하여 히스테리시스가 없는 PSC의 개발이 매우 요구됩니다.
여기에서 단일 Nb:TiO2를 포함하는 히스테리시스가 없는 PSC를 개발하기 위한 손쉬운 1단계, 현장 및 저온(70 °C) 전략을 제안합니다. 스캐폴드와 ETL 모두의 역할을 하는 조밀한 메조포러스 층. Nb:TiO2 레이어는 컴팩트 TiO2를 포함합니다. 스캐폴드로 활용될 수 있는 표면에 나노 핀 형태가 있는 바닥. 히스테리시스 지수는 순수 TiO2를 기반으로 한 PSC의 경우 24.39%에서 크게 감소했습니다. 2% Nb:TiO2 기준으로 3.19%로 표면의 나노 핀 형태로 인한 증가된 계면 표면적과 Nb의 존재로 인한 향상된 캐리어 수송 속도의 협력 효과로 인한 층입니다. 고품질 메조포러스 층을 통해 PSC는 19.7%의 놀라운 PCE를 달성할 수 있었습니다. 이 작업은 저온에서 확장 가능하고 저렴한 방법을 통해 히스테리시스가 없는 고효율 PSC를 달성하기 위한 효과적인 접근 방식을 약속합니다.
먼저 FTO 기판을 아세톤, 알코올, 탈이온수에 차례로 넣어 각각 30분씩 초음파 세척을 하였다. 그 후, 세척된 기판을 UV-오존 세정제로 20분 동안 처리한 다음 페트리 접시에 놓았다. 둘째, 액체 TiCl4 0 °C의 온도에서 탈이온수에 떨어뜨려 0.1 M TiCl4을 제조했습니다. 수용액. 세 번째, NbCl5 분말을 0 °C의 온도 근처에서 에탄올에 넣어 0.1 M NbCl5을 얻었다. 에탄올 용액. 그런 다음 X vol.% NbCl5 에탄올 용액 및 (100-X) 부피% TiCl4 페트리 접시 내부에 FTO 기질 표면에 수용액을 순차적으로 떨어뜨렸다. 70 °C에서 60 분 동안 열수 반응을 한 후, Nb:TiO2 FTO 기판에 나노 핀 피처가 형성되었습니다.
페로브스카이트 흡수층은 동적 2단계 스핀 코팅 방법으로 증착되었습니다[36]. 첫째, PbI2 0.462 g PbI2를 첨가하여 전구체 용액을 얻었다. 1 mL DMF에 넣습니다. 한편, CH3 NH3 I(MAI) 전구체 용액은 0.1 g MAI를 2 mL 이소프로판올(99.5%, Aladdin)에 첨가하여 얻었다. 둘째, 55 μL PbI2 전구체 용액은 준비된 Nb:TiO2에 회전되었습니다. 10 동안 3000 rpm에서 ETL 필름. 이때 즉시 시료에 55 μL MAI 전구체 용액을 떨어뜨리고 20 초 동안 회전을 계속하였다. 마지막으로 전체 필름을 150 °C에서 15분 동안 어닐링했습니다.
HTL 전구체는 72.3mg Spiro-OMeTAD, 28μL 4-tert-부틸피리딘 및 17μL Li-TFSI 용액을 함유한 1 mL 클로로벤젠 용액(520 mg mL -1 ). 전구체는 30초 동안 2000 rpm에서 페로브스카이트 필름에 스핀 코팅되었습니다. 그런 다음 약 250 nm 두께의 Spiro-OMeTAD HTL을 얻었습니다.
전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, SU8010, Hitachi)은 샘플의 형태를 연구하기 위해 수행되었습니다. UV-vis 분광광도계(Shimadzu, UV-3600)를 사용하여 흡수 스펙트럼을 기록했습니다. 전기화학적 워크스테이션(Autolab, PGSTAT 302 N)에 의한 캐리어 수송 과정을 이해하기 위해 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)이 사용되었습니다. 전류 밀도-전압(J-V ) 측정은 태양열 시뮬레이터(ABET Technologies, SUN 3000)의 도움으로 디지털 소스(Keithley 2400)를 사용하여 기록되었습니다.
PSC 구조 및 Nb:TiO2의 개략도 합성 절차는 그림 1에 나와 있습니다. 먼저 세척된 FTO 기판이 위로 향하게 하여 페트리 접시에 놓였습니다. 둘째, 1 mL NbCl5 에탄올 용액 및 49 mL TiCl4 수용액을 접시의 FTO 기판에 순차적으로 부었다. 셋째, 접시를 오븐으로 옮기고 70 °C에서 1 시간 동안 열수 반응을 시켰다. 마지막으로 TiO2 나노 핀 형태 및 2% Nb 도핑 비율을 갖는 층을 FTO 기판 상에 형성하였다. 대조군 TiO2의 준비를 위해 레이어, TiCl4만 수용액(NbCl5 제외) 에탄올 용액)을 FTO 기질이 들어 있는 접시에 떨어뜨렸습니다.
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PSC 구조 및 Nb:TiO2의 개략도 합성 절차
TiO2의 진화에 대한 Nb 도핑의 영향을 이해하기 위해 층, 대조군 TiO2 및 Nb 도핑된 TiO2의 형태 그림 2에 표시된 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 조사했습니다. Bare TiO2 컴팩트 TiO2의 전형적인 형태인 훨씬 더 부드러운 표면을 나타냅니다. 평면 PSC의 레이어. 그러나 2% Nb 도핑된 TiO2 컴팩트한 바닥에 나노 핀 텍스처가 분포되어 있습니다. 나노 핀의 길이는 50 ± 20 nm로 결정되었습니다. 이것은 Nb:TiO2 레이어는 컴팩트 TiO2를 포함합니다. 메조포러스 층으로 간주되는 표면에 나노 핀 형태의 층. 따라서 이것은 제자리에서 Nb:TiO2를 형성했습니다. 1단계 공정으로 얻은 조밀한 메조포러스 층은 실제로 PSC에서 스캐폴드와 ETL 역할을 합니다. NbCl5의 도움으로 열수 반응으로 인한 나노 핀 형태의 형성 에탄올 용액.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03366-1/MediaObjects/ 11671_2020_3366_Fig2_HTML.png?as=webp">
a의 상위 뷰 SEM 이미지 TiO2 /FTO 및 b 2% Nb:TiO2 /FTO
2% Nb:TiO2의 XPS 스펙트럼 필름은 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3a는 2% Nb:TiO2의 전체 스캔 스펙트럼을 보여줍니다. 영화. Nb/Ti의 원자 비율(1.3%)은 전구체 혼합물에서 원소 도핑 비율 2%에 근접함을 알 수 있다. 그림 3b와 같이 458 eV와 464 eV에 위치한 Gaussian peak는 Ti 2p3/2의 결합에너지에 해당한다. 및 Ti 2p1/2 . 마찬가지로 Nb 5+ 의 가우스 적합선 Nb 3d5/2와 관련된 두 개의 개별 피크로 분해될 수 있습니다. 및 Nb 3d3/2 , 각각 207 eV 및 209 eV의 결합 에너지에서(그림 3c). XPS 스펙트럼은 TiO2에서 Nb의 성공적인 도핑을 보여줍니다. 영화.
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2% Nb:TiO2의 XPS 스펙트럼. 아 설문조사, b Ti 2p, c Nb 3d 및 d O 1s
그림 4a는 FTO, 순수 TiO2의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. /FTO 및 Nb 도핑된 TiO2 /FTO. 둘 다 베어 TiO2 및 Nb 도핑된 TiO2 300–350 nm의 파장에서 주요 흡수 가장자리를 나타냅니다. Nb 도핑된 TiO2의 흡수 곡선 베어 TiO2와 거의 겹칩니다. . 에너지 밴드갭(E g )는 그림 4b에 표시된 Tauc 방정식을 사용하여 흡수 스펙트럼을 기반으로 계산할 수 있습니다. E g FTO의 경우 4.05 eV이고 베어 TiO2의 경우 3.5 eV입니다. 및 Nb 도핑된 TiO2 . 따라서 Nb 도핑은 TiO2의 흡수에 거의 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. . 그림 S1과 같이 Nb 도핑 과정에서도 투과율이 변하지 않는다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03366-1/MediaObjects/ 11671_2020_3366_Fig4_HTML.png?as=webp">
아 FTO 기판, TiO2의 흡수 스펙트럼 /FTO 및 2% Nb:TiO2 /FTO. ㄴ FTO 기판의 Tauc-plot, TiO2 /FTO 및 2% Nb:TiO2 /FTO
그림 S2는 CH3의 SEM 이미지를 나타냅니다. NH3 PbI3 베어 TiO에 스핀 코팅된 페로브스카이트 필름2 및 Nb 도핑된 TiO2 영화. 페로브스카이트 필름은 더 적은 핀홀과 전체 표면 커버리지를 나타내는 것으로 나타납니다. 이전에 개발된 비-기판 선택 동적 2단계 스핀 코팅 전략 덕분에 [36] 필름 균일성과 적용 범위를 더 잘 제어할 수 있습니다. 게다가, 페로브스카이트 필름의 평균 결정 입자 크기는 매우 유사합니다. 그림 S3은 노출된 TiO2에 증착된 페로브스카이트 필름의 흡수 스펙트럼을 나타냅니다. 및 Nb 도핑된 TiO2 영화. 페로브스카이트 필름 간에는 흡수 피크의 명백한 차이가 관찰되지 않습니다. 이러한 결과는 Nb가 도핑된 TiO2에서 나노 핀 형태가 형성되었음을 시사합니다. 조밀한 메조다공성 층은 동적 2단계 스핀 코팅 전략에 의해 페로브스카이트 결정화에 거의 영향을 미치지 않을 수 있습니다.
ETL/페로브스카이트 인터페이스를 가로지르는 캐리어 수송을 이해하기 위해 전기 임피던스 분광법(EIS)이 사용되었습니다. PSC는 FTO/TiO2 구조로 제작되었습니다. /페로브스카이트 필름/Spiro-OMeTAD/Au. 그림 5는 순수 TiO2를 기반으로 한 PSC의 Nyquist 플롯을 보여줍니다. 및 2% Nb:TiO2 레이어 및 해당 등가 회로 모델이 삽입에 표시됩니다. EIS의 매개변수는 보충 표 S1에 나열되어 있습니다. EIS는 두 개의 원호를 포함하는 것으로 알려져 있습니다[37]. 고주파 성분은 전하 수송 저항(R ct ), 저주파 성분은 주로 재결합 저항(R 녹음 ) [38]. 이 비교에서는 perovskite/ETL 인터페이스를 제외한 모든 것이 동일했습니다. 따라서 Nb 도핑 공정만이 저항(R ct 및 R 녹음 ) 변형. 베어 TiO2와 비교 장치, Nb:TiO2 기기가 더 작은 R을 나타냅니다. ct 더 큰 R 녹음 . 작은 R ct 보다 효율적인 전자 추출에 기여하고 큰 R 녹음 낮은 전하 재결합을 증명합니다. 이 결과는 Nb:TiO2 -기반 조밀한 메조포러스 층은 전하 수송 개선 및 캐리어 재결합 속도 감소 모두에 효과적인 ETL입니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03366-1/MediaObjects/ 11671_2020_3366_Fig5_HTML.png?as=webp">
순수 TiO2를 기반으로 한 장치의 Nyquist 플롯 및 2% Nb 도핑된 TiO2 레이어
도 6에 도시된 바와 같이, Nb 도핑 함량에 대한 PSC의 PCE 의존성을 조사하였다. 0에서 8%까지 다양한 Nb 도핑 농도를 갖는 PSC에 대한 세부 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. 도핑 비율이 개방 회로 전압(V oc ) 및 필 팩터(FF)는 처음에는 증가했다가 Nb 도핑이 증가함에 따라 감소했습니다. 2% Nb 도핑된 TiO2가 있는 장치 레이어가 가장 높은 V를 나타냅니다. oc 1.19 eV, J sc 23.52 mA/cm 2 , FF가 70.74%로 챔피언 장치의 PCE가 19.74%로 높아졌습니다. 더 나은 운송업체 덕분에 모든 매개변수가 눈에 띄게 개선되었습니다. 그러나 불필요한 도핑은 캐리어 산란을 강화하고 이동성을 저하시킵니다. 점진적인 재결합은 캐리어 수송 개선을 약화시키고 결국 PCE에 해를 끼칠 것입니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03366-1/MediaObjects/ 11671_2020_3366_Fig6_HTML.png?as=webp">
J-V Nb 도핑 농도에 따른 PSC 곡선
<그림>측정된 J-V 컨트롤 및 챔피언 장치의 곡선은 그림 7에 나와 있습니다. J-V 히스테리시스 동작은 특히 평면 구조 PSC 장치에서 자주 발생합니다. 이 작품에서 J-V의 히스테리시스는 초소형 TiO2의 곡선 기반 PSC 및 2% Nb:TiO2 조밀한 메조포러스 층 기반 PSC가 조사되었다. 히스테리시스 지수(역방향 스캔의 PCE - 순방향 스캔의 PCE)/역방향 스캔의 PCE[30]는 베어 콤팩트 TiO2를 기반으로 하는 PSC의 24.39%에서 크게 감소했습니다. 2% Nb 도핑 TiO2를 기반으로 한 PSC의 경우 3.19%까지 층. 메조다공성 TiO2를 기반으로 하는 PSC가 층은 전자를 수집할 수 있고 더 큰 표면적 때문에 정공 플럭스와 전자 플럭스 사이의 균형을 효과적으로 달성할 수 있으므로 히스테리시스가 적습니다[17]. Nb 도핑된 TiO2의 히스테리시스 억제 기반 장치는 전도도 증가 및 나노 핀 형태 형성에 의해 동기가 부여됩니다. ETL/페로브스카이트 인터페이스에서 계면 커패시턴스로 인한 전하 축적이 감소하여 히스테리시스가 없는 특성이 나타납니다.
<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-020-03366-1/MediaObjects/ 11671_2020_3366_Fig7_HTML.png?as=webp">
J-V 순수 TiO2를 기반으로 한 PSC의 히스테리시스 거동 및 2% Nb:TiO2 AM 1.5 조명 아래 레이어
Nb:TiO2 PSC의 스캐폴드 및 ETL 역할을 하는 조밀한 메조포러스 층. 결과적으로 2% Nb 도핑된 TiO2 기반 PSC 19.74%의 놀라운 PCE를 나타낼 수 있으며 이는 제어된 TiO2의 PCE보다 훨씬 더 높습니다. 기반 장치. Nb:TiO2 레이어는 컴팩트 TiO2를 포함합니다. 메조포러스 층으로 활용될 수 있는 표면에 나노 핀 형태가 있는 바닥. 넓은 계면 표면적과 향상된 캐리어 운송 속도의 협력 효과로 인해 J-V의 히스테리시스가 히스테리시스 지수가 24.39에서 3.19%로 크게 감소하면서 곡선이 현저히 감소했습니다. 이 작업은 저온에서 잘 설계된 확장 가능하고 비용 효율적인 열수 방법을 통해 히스테리시스가 없는 고효율 PSC를 달성하기 위한 효과적인 접근 방식을 약속합니다.
저자는 자료와 데이터를 독자가 사용할 수 있음을 선언하며 이 원고의 모든 결론은 이 백서에 제시되고 표시된 데이터를 기반으로 합니다.
페로브스카이트 태양 전지
전력 변환 효율
산화티타늄
전자 수송층
주사 전자 현미경
전기화학 임피던스 분광법
밴드갭
에너지 밴드갭
개방 회로 전압
채우기 비율
단락 전류 밀도
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
