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
Наноматериалы
- Солнечные ячейки: от ранних экспериментов к современной фотовольтаике — технологии, производство и перспекти…
- Высокоэффективные, низкозатратные перовскитные солнечные батареи: прогресс, вызовы и будущие направления
- Оптимизированный анти-растворительный процесс дает полностью покрытые, стабильные перовские пленки FASnI₃ и CsS…
- Высокая эффективность инвертированных перовскитных солнечных элементов на основе квантовых точек CdSe и слое…
- Высокоэффективные планарные перовскитные солнечные элементы через последовательные паровые гибридные перо…
- Оптимизация титановых предшественников для высокопроизводительных компактных слоев TiO₂ в перовскитных солн…
- Экологичные перовскитные солнечные элементы с полярным растворителем-добавкой 1,3-диметил-2-имидазолидон
- Кристаллические Si солнечные элементы с черным кремнием на задней стороне: повышение КПД через градиентную ин…
- Значительное повышение эффективности солнечных элементов на основе гибридных массивов нанопроводов GaAs/InAs к…
- Тунгстеновое нанослойное покрытие повышает производительность кремниевого анода в литий-ионных батареях