Оптимизация перовскитных солнечных элементов MAPbI₃ с электродами ITO, осажденными под углом

Аннотация

Исследовано влияние угла и времени каथодного распыления оксида индия-олова (ITO) на морфологию и эффективность перовскитных пленочек метиламмоний трийодида (MAPbI₃). Увеличение угла косоугольного распыления от 0° до 80° увеличивает размер зерен перовскита, что обусловлено изменением смачиваемости промежуточного слоя PEDOT:PSS. Наибольшая эффективность (11,3 %) достигнута при угле 30° и времени осаждения 15 мин, что отражает баланс между проводимостью и свойствами рассеяния света.

Введение

ITO остается наиболее широко используемым прозрачным проводящим оксидом (TCO) в оптоэлектронике, обеспечивая ~96 % пропускание в видимом диапазоне и сопротивление ~10 Ом/кв. Модификация оптических и электрических свойств ITO — через отжиг, контроль газового соотношения или осаждение под glancing angle (GLAD) — дает анизотропные пленочки с колончатой микроструктурой и направлением-зависимыми свойствами. Перовскитные солнечные элементы (PSC) на основе MAPbI₃ достигли выдающихся эффективностей, однако большинство устройств используют изотропные TCO-подложки. В данном исследовании исследуется использование косоугольно распыленного ITO как подложки для планарных PSC MAPbI₃, анализируя влияние поверхностной анизотропии на рост пленочки и характеристики устройства.

Методы

Стекло ITO (1,5×1,5 см²) очищали последовательно ацетоном, этанолом, деионизированной водой (5 мин ультразвука) и сушили азотом. Слой ITO 100 нм распыляли при 5 мТорр Ar, варьируя угол (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°) и время (5–30 мин). После осаждения пленочки отжигали при 300 °C 30 мин. PEDOT:PSS (Clevios PH 1000) центрифугировали на косый ITO (5000 об/мин, 30 с) и отжигали 110 °C 10 мин. MAPbI₃ наносили двухстадийной центрифугировкой (1000 об/мин, 10 с; 5000 об/мин, 20 с) из предшественника 1 мл DMSO/GBL (1:1) (1,25 ммоль PbI₂, 1,25 ммоль MABr). На стадии 5000 об/мин капали 100 мкл безводного толуола для быстрой кристаллизации. Отжиг 100 °C 10 мин. Слой PCBM 50 нм (20 мг/мл в хлорбензене) центрифугировали (3000 об/мин, 30 с), затем испарили 20 нм Ag в вакууме. Активная площадь 0,5×0,2 см² задавалась маской. Структурный анализ: XRD (Cu Kα) и FESEM; смачиваемость — угол контакта с водой. J-V характеристики измеряли Keithley 2420 под освещением 1000 Вт/м² AM 1.5G.

Результаты и обсуждение

Кристалличность MAPbI₃ не менялась с углом распыления; XRD пики при 14,28°, 28,5°, 30,61°, 31,93° соответствуют (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂, (222) In₂O₃, размер доменов ~71,8 нм (Scherrer). FESEM показал рост зерен с увеличением угла, подтверждая, что шероховатость и смачиваемость ITO модулируют смачивание PEDOT:PSS и нуклеацию перовскита. Углы контакта с водой линейно коррелируют с размером зерен: более гидрофобная поверхность PEDOT:PSS (при больших углах) способствует крупным зернам.

Фоtolюминесценция показывает доминирующую эмиссию 768 нм, не зависящую от ITO. Кенчание PL усиливается с углом, свидетельствуя об улучшенном разделении экзитонов на границе PEDOT:PSS/перовскит — наиболее выражено при 80° из-за оптимальной смачиваемости.

Характеристики устройств пик при 30°. Осаждение 15 мин дало лучшую проводимость при сохранении рассеяния света. Ключевые параметры: Jsc = 20,46 мА/см², Voc = 0,92 В, FF = 60 %, Eff = 11,30 %. Углы >30° повышают поверхностное сопротивление и снижают эффективность, иллюстрируя компромисс между оптическим и электрическим свойствами.

Вариация времени распыления дальше оптимизировала производительность. 15 мин дали оптимальную толщину и проводимость, повторив 11,3 % эффективность.

Заключение

Демонстрировано, что косоугольно распыленный ITO модулирует морфологию MAPbI₃ и характеристики PSC. Оптимальная конфигурация — 30° и 15 мин — дает 11,3 % эффективность, балансируя проводимость и рассеяние света. При углах >30° рост поверхностного сопротивления перевешивает оптические выгоды, снижая выход. Результаты подчеркивают важность адаптации микроструктуры TCO для повышения эффективности перовскитных фотоэлементов.

Аббревиатуры

FESEM

Полемиссионная развертывающая электронная микроскопия

GLAD

Осаждение под glancing angle

ITO

Оксид индия-олова

J-V

Вольт-амперная характеристика

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

Поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат

TCO

Прозрачный проводящий оксид

XRD

Рентгеновская дифракция