Эффект распыленного под косым углом электрода ITO в структурах перовскитных солнечных элементов MAPbI3

Фон

Оксид индия и олова (ITO) представляет собой прозрачный проводящий материал, содержащий оксид индия (In ₂ О ₃ ) и оксид олова (SnO ₂ ). Он широко используется в жидкокристаллических дисплеях, светодиодах и солнечных элементах благодаря своей видимой прозрачности около 96 % и проводимость около 10 Ом / кв [1,2,3,4,5]. Было изучено несколько методов улучшения сопротивления и пропускания пленок ITO, включая отжиг и распыление при различных соотношениях газов и рабочих давлениях [5,6,7,8]. Оптоэлектронные свойства наклонно распыленных пленок ITO описаны в [9,10]. При осаждении пленки ITO она растет как пленка с наклонной столбчатой ​​структурой под углом на подложке из-за эффекта тени. Столбчатая пленка ITO демонстрирует другую морфологию, анизотропные оптические свойства и анизотропное удельное сопротивление [10].

В последнее время солнечные элементы с перовскитными материалами, такими как CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , как активный слой, вызывают большой интерес из-за их высокой эффективности преобразования энергии [11,12,13,14,15,16,17,18]. Большинство перовскитных солнечных элементов имеют прозрачное проводящее оксидное (TCO) стекло, такое как ITO или FTO (оксид олова, легированный фтором), в качестве подложки. Однако оптоэлектронные свойства изотропной пленки TCO отличаются от свойств анизотропной пленки TCO. Поэтому в данной работе разрабатываются планарные солнечные элементы из перовскита с использованием CH ₃ NH ₃ PbI ₃ (MAPbI ₃ ) перовскиты на наклонных подложках ITO, приготовленных методом осаждения под скользящим углом (GLAD). В этом исследовании исследуются оптические, структурные и поверхностные свойства MAPbI ₃ пленки перовскита на наклонных подложках ITO, которые были отожжены при различных температурах и распылены в течение разного времени. Обсуждаются взаимосвязи между характеристиками перовскитового солнечного элемента и свойствами перовскитных пленок.

Методы

В этом исследовании стекло ITO было разрезано на мелкие кусочки размером 1,5 × 1,5 см ² использоваться в качестве подложек. Подложки из стекла ITO были тщательно очищены ацетоном, этанолом и деионизированной (ДИ) водой в ультразвуковом генераторе в течение 5 мин и высушены азотом. Пленка ITO была нанесена на стеклянную подложку ITO путем распыления под различными наклонными углами с использованием мишеней ITO, как показано на рис. 1а. Рабочий газ и давление - чистый аргон и 5 мТорр соответственно. После напыления пленки отжигали при 300 ° C в течение 30 мин.

а Схематический разрез готовой конструкции и системы наклонного распыления. б Поперечное сечение FESEM-изображения образца с распыленным ITO под углом 30 °

Для перовскитных солнечных элементов использовались стеклянные подложки, покрытые наклонно напыленными пленками ITO. ПЕДОТ:Пленки ПСС получали путем центрифугирования наклонных стеклянных подложек ITO при 5000 об / мин в течение 30 с. После центрифугирования пленку отжигали при 110 ° C в течение 10 мин. Слой перовскита был нанесен с использованием двухэтапного центрифугирования на стеклянную подложку PEDOT:PSS / наклонный ITO при 1000 об / мин в течение 10 с и 5000 об / мин в течение 20 с. Во время этапа 5000 об / мин в течение 20 с пленку мокрого прядения гасили, капая на нее 100 мкл безводного толуола. Растворы предшественников перовскита были приготовлены с использованием 1,25 ммоль бромида метиламмония и 1,25 ммоль PbI ₂ (с чистотой 99,999%), который растворяли в 1 мл сорастворителя. Объемное отношение диметилсульфоксида (ДМСО) к γ-бутиролактону (ГБЛ) составляло 1:1. После центрифугирования пленку отжигали при 100 ° C в течение 10 мин. Тогда [6,6] -фенил-C ₆₁ метиловый эфир масляной кислоты (PCBM) растворяли в хлорбензоле (20 мг / мл) и наносили центрифугированием слои перовскита при 3000 об / мин в течение 30 с, образуя пленку толщиной 50 нм в качестве слоя переноса электронов. Наконец, методом термического испарения был нанесен электрод из серебра толщиной 20 нм, завершивший структуру устройства. Образец был покрыт теневой маской, которая во время осаждения определяла активную площадь 0,5 см × 0,2 см. На рис. 1а схематически изображена полная конструкция. На рисунке 1b показано поперечное сечение FESEM-изображения образца с наклонно распыленным под углом 30 ° ITO.

Результаты и обсуждение

Кристаллические микроструктуры пленок наблюдались с помощью рентгеновского дифрактометра. Сканирующий электронный микроскоп с автоэмиссией (FESEM) использовался для наблюдения за морфологией поверхности образцов. Плотность тока – напряжение ( Дж - V ) характеристики солнечных элементов измерялись с помощью измерителя с программируемым источником Keithley 2420 при облучении ксеноновой лампой мощностью 1000 Вт. Плотность мощности излучения на поверхности ячейки была откалибрована до 1000 Вт / м ² . .

На рисунке 2 показаны дифрактограммы MAPbI ₃ . пленки перовскита на PEDOT:PSS / наклонный слой ITO / стекло под разными наклонными углами. Четыре средних пика при 14,28 °, 28,5 °, 30,61 ° и 31,93 ° соответствуют (110) перовскиту, (220) перовскиту, (110) SnO ₂ , и (222) В ₂ О ₃ самолеты соответственно. При увеличении угла распыления от 0 ° до 60 ° (110) SnO ₂ образуется за счет внедрения атомов Sn. Размер кристаллической области можно рассчитать с помощью уравнения Шеррера [19]. Размеры кристаллических доменов MAPbI ₃ Пленки перовскита в образцах имеют размер примерно 71,8 нм. Следовательно, размеры кристаллических доменов MAPbI ₃ Наклонный слой ITO не влияет на перовскит.

Рентгенограммы MAPbI ₃ пленки перовскита на PEDOT:PSS / наклонный слой ITO / стекло для различных углов наклона

На рисунке 3 показаны SEM-изображения MAPbI ₃ . пленки перовскита на косом слое ITO / стекле для различных углов наклона. Размер зерна (или частицы) MAPbI ₃ Пленки перовскита увеличиваются с наклонным углом распыления от 0 ° до 80 °, показывая, что поверхностные свойства ITO влияют на количество центров зарождения перовскита. Поскольку ITO не находится в прямом контакте с тонкой пленкой перовскита, а тонкая пленка PEDOT:PSS вставлена ​​между ITO и перовскитом, поверхностные свойства ITO не должны напрямую влиять на свойства тонких пленок перовскита. Следовательно, смачиваемость тонких пленок PEDOT:PSS [20] связана с поверхностными свойствами ITO. Следовательно, разные размеры зерен в MAPbI ₃ Пленки перовскита могут быть связаны со смачиваемостью подложки [21, 22]. Эксперименты по краевому углу смачивания капли воды были проведены для оценки смачиваемости тонких пленок PEDOT:PSS на различных образцах ITO / стекла, как показано на рис. 4. Краевой угол смачивания пропорционален размеру зерен в MAPbI ₃ тонкая пленка, указывающая на то, что зарождение и рост кристаллов MAPbI ₃ Можно контролировать тонкую пленку, изменяя смачиваемость поверхности PEDOT:PSS / наклонного ITO / стекла. Для понимания изменения смачиваемости поверхности образцов PEDOT:PSS / наклонного ITO / стекла, как показано на рис. 5, были получены изображения краевого угла смачивания образцов из материала PEDOT:PSS / из стекла под углом. Образцы стекла обратно пропорциональны смачиваемости наклонных образцов ITO / стекла, поэтому вертикальным распределением гидрофильных полимеров PSS и гидрофобных полимеров PEDOT можно управлять, изменяя смачиваемость поверхности наклонного образца ITO / стекла. Полимеры PSS, как предполагается, распределяются в основном на верхней поверхности тонкой пленки PEDOT:PSS, когда подложка имеет гидрофобную поверхность (рис. 5а), что приводит к небольшому краю смачивания капель воды на тонкой пленке PEDOT:PSS (рис. 4а). Экспериментальные результаты (XRD и SEM) демонстрируют, что MAPbI ₃ зерна мультикристаллические MAPbI ₃ частицы [23].

а - г СЭМ-изображения MAPbI ₃ пленки перовскита на PEDOT:PSS / наклонный слой ITO / стекло для различных углов наклона

а - г Изображения, показывающие угол смачивания воды на PEDOT:PSS / наклонный слой ITO / стекло для различных наклонных углов. Угол контакта CA

а - г Изображения, на которых показан угол смачивания воды на наклонном слое / стекле ITO под разными углами наклона

На рисунке 6 представлены спектры фотолюминесценции (ФЛ) MAPbI ₃ . перовскитные пленки на PEDOT:PSS / косой ITO / стекло для разных углов наклона. Один основной пик наблюдается при 768 нм, что соответствует излучению MAPbI ₃ . Вывод подтверждается результатами XRD. Энергия излучения ФЛ MAPbI ₃ перовскит не подвергается воздействию из-под наклонного слоя ITO. Кроме того, различные интенсивности ФЛ пленок MAPbI3 на ITO, распыленных под разными углами наклона, были получены в результате разделения светоиндуцированного экситона. Лучшая граница раздела между PEDOT:PSS и перовскитом обеспечивала лучшее разделение экситонов, вызывая более сильный эффект тушения ФЛ. Следовательно, ITO под наклонным углом 80 ° демонстрирует лучшее отделение экситонов от слоя перовскита до PEDOT:PSS благодаря благоприятной смачиваемости поверхности PEDOT:PSS / наклонного ITO, как показано на рис. 4.

Спектры ФЛ MAPbI ₃ пленки перовскита на PEDOT:PSS / наклонный слой ITO / стекло для различных углов наклона

На рисунке 7 показаны зависимости плотности тока от напряжения ( Дж - V ) кривая солнечных элементов на основе MAPbI ₃ перовскит с косым слоем ITO, который распыляется под разными наклонными углами и подвергается термообработке при температуре отжига 300 ° C. Время напыления 15 мин. В таблице 1 представлены полученные эффективность преобразования энергии (Eff) и плотность тока короткого замыкания ( Дж _sc ), напряжение холостого хода ( В _oc ) и коэффициент заполнения (FF) MAPbI ₃ солнечные батареи. Характеристики устройства ухудшаются по мере увеличения угла распыления наклонного слоя ITO, поскольку содержание кислорода в наклонных слоях ITO и их сопротивление возрастают с увеличением угла распыления [10]. Максимальная эффективность может быть достигнута после осаждения под углом 30 ° благодаря хорошей проводимости.

Плотность тока – напряжение ( Дж - V ) солнечных элементов на основе MAPbI ₃ перовскит с наклонным слоем ITO, напыленным под разными наклонными углами

На рисунке 8 показаны зависимости плотности тока от напряжения ( Дж - V ) кривые солнечных элементов на основе MAPbI ₃ перовскит с наклонным слоем ITO, напыленным в течение разного времени напыления, перед термообработкой при температуре отжига 300 ° C. В таблице 2 представлены соответствующие КПД преобразования мощности (Eff) и плотность тока короткого замыкания ( Дж _sc ), напряжение холостого хода ( В _oc ) и коэффициент заполнения (FF) MAPbI ₃ солнечные батареи. Оптимальная эффективность достигается, когда время напыления наклонного слоя ITO составляет 15 минут из-за толщины слоя и его хорошей проводимости. Наилучшее устройство получается при использовании этого угла наплавки с J _SC =20,46 мА / см ² , V _OC =0,92 В, FF =60,00% и Eff =11,30%.

Плотность тока – напряжение ( Дж - V ) солнечных элементов на основе MAPbI ₃ перовскит с наклонным слоем ITO, напыленный с разным временем напыления

Выводы

Таким образом, эта работа продемонстрировала характеристики MAPbI ₃ пленки перовскита на подложках PEDOT:PSS / ITO с косым напылением / стеклянные подложки, которые были изготовлены с использованием различного времени распыления и углов распыления. Производительность устройства была оптимизирована с использованием наклонного слоя ITO, который был приготовлен путем распыления при 30 ° в течение 15 мин с плотностью тока короткого замыкания ( Дж _SC ) =20,46 мА / см ² , напряжение холостого хода ( В _OC ) =0,92 В, коэффициент заполнения (FF) =66,0% и эффективность преобразования энергии (Eff) =11,3%. Характеристики устройства ухудшаются по мере увеличения угла распыления наклонного слоя ITO с 30 ° до 80 °, поскольку сопротивление устройства увеличивается с увеличением угла распыления. Хотя наклонные слои ITO улучшают рассеяние падающего света, высокое удельное сопротивление ухудшает характеристики устройства. Следовательно, оптимальная эффективность может быть достигнута путем осаждения под углом 30 ° за счет проводимости.

Сокращения

FESEM:

Автоэмиссионный растровый электронный микроскоп

GLAD:

Наплавка под скользящим углом

ITO:

Оксид индия и олова

J - V :

Плотность тока – напряжение

MAPbI ₃ :

Канал ₃ NH ₃ PbI ₃

PEDOT:PSS:

Поли (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат

TCO:

Прозрачный проводящий оксид

XRD:

Рентгеновский дифрактометр