Высокоэффективные планарные перовскитные солнечные элементы через последовательные паровые гибридные перовскитные слои

Аннотация

Надежные, высококачественные перовскитные слои критичны для эффективных планарных солнечных элементов. Мы представляем последовательную паровую стратегию обработки, которая сначала осаждает слой PbCl₂ физическим вакуумным испарением, за которым следует контролируемый шаг диффузии MAI пара. Полученные перовскитные пленки компактные, без отверстий и демонстрируют равномерный размер зерна ~320 нм. Используя TiO₂ и spiro-OMeTAD как зарядоносящие слои, мы изготовили n-i-p планарные гетероструктурные устройства, достигающие пикового КПД 11,5% с минимальным устройство-к-устройству вариациями — демонстрируя воспроизводимость этого парового подхода.

Введение

Гибридные перовскиты выступили передовой светопоглощающей материалами для фотоэлектрики следующего поколения благодаря их интенсивному оптичному поглощению, настраиваемым запрещенным зонам, высоким подвижностям носителей, длинным диффузионным длинам и низким дефектным плотностям. Они совместимы как с мезоскопическими, так и с планарными архитектурами устройств. Однако создание безотверстных, равномерно кристаллических перовскитных слоев на планарных подложках остается значительной проблемой. Конвенциональные мокрые техники обработки, такие как анти-растворительное капание, последовательное погружение и двух-источниковое вакуумное испарение, часто борются с равномерностью и воспроизводимостью на больших площадях.

Вакуумная осадка предлагает превосходный контроль над толщиной пленки и равномерностью, в то время как паровая кристаллизация может производить плотно упакованные микроструктуры через тщательно регулируемую диффузию органических предшественников. Строя на этих преимуществах, мы вводим новый последовательный паровой путь обработки, объединяющий вакуум-осажденный PbCl₂ с MAI паровой диффузией, дающий полностью покрытые, высокоравномерные перовскитные слои, подходящие для планарных n-i-p солнечных элементов. Устройства, изготовленные с TiO₂ и spiro-OMeTAD транспортными слоями, достигли КПД до 11,5%, подчеркивая жизнеспособность этого пути для масштабируемого, воспроизводимого производства перовскитных солнечных элементов.

Методы/Экспериментальная процедура

Фабрикация устройств

Все устройства собирали на фторированном оксиде олова (FTO) покрытом стекле. Подложки чистили последовательно в ультразвуковой банне с ацетоном, метанолом, изопропанолом и дионизированной водой, за чем следовало 15 мин УФ-озонной экспозиции. TiO₂ электронно-транспортные слои осаждали спин-коатом 450 мМ и 600 мМ титана диизопропоксидбис(ацетилацетонат) раствора (75 масс.% в изопропаноле) при 2500 об/мин на 20 с, затем отжигали при 500 °C на 30 мин на воздухе для получения компактных TiO₂ пленок.

После TiO₂ осадки подложки помещали в высоковакуумную камеру и 1 Å/с PbCl₂ поток испаряли ~16 мин при комнатной температуре, формируя равномерный PbCl₂ слой. Покрытые подложки затем позиционировали в герметичной стеклянной Петриевой чашке с окружающим MAI порошком. В вакуумной печи систему нагревали до 150 °C на 2–4 ч, позволяя MAI пару диффундировать и реагировать с PbCl₂ слоем, конвертируя его в CH₃NH₃I₃ перовскит. После MAI экспозиции пленки промывали изопропанолом для удаления избыточного MAI и отжигали при 100 °C на 1 ч для завершения кристаллизации.

Для дырочного транспортного слоя раствор spiro-OMeTAD готовили растворением spiro-OMeTAD в хлорбензене и добавлением tert-бутилпиридина и лития бис(трифлуорметансульфонил)имида (LiTFSI) в ацетонитриле. Эта смесь спин-коатировали при 4000 об/мин на 40 с, затем оставляли окисляться на ночь в обычном воздухе. Наконец, золотые электроды термически испаряли для завершения n-i-p устройственной стопки.

Характеристика

Кристаллическая структура изучали рентгеновской дифракцией (XRD, Rigaku Ultima IV). Морфология и микроструктура визуализировали полевой-эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM, Hitachi S-4300). Оптические поглощения спектры записывали УФ-ВИС спектрофотометром (Shimadzu UV-1601PC). Фотоэлектрическая производительность (J-V кривые) измеряли под AM 1.5 G (100 мВт/см²) освещением используя Newport 94021A солнечный симулятор, с апертурой 0,09 см².

Результаты и обсуждение

Последовательный паровой подход доставляет безотверстные, плотно упакованные перовскитные пленки по всей подложке. Рис. 1а иллюстрирует поэтапную фабрикацию: вакуумная осадка PbCl₂, MAI испарение/диффузия, финальный отжиг. PbCl₂ пленки прозрачные и гомогенные, в то время как финальные перовскитные слои темно-коричневые с четким краем поглощения около 785 нм, подтверждая полную кристаллизацию.

а Фабрикационная схема: PbCl₂ испарение → MAI испарение/диффузия → пост-отжиг. б УФ-ВИС спектры PbCl₂ и перовскитных слоев (вставка фотографии).

Оптимизация температуры раскрыла 150 °C как оптимальную MAI обработку температуру, балансирующую MAI испарение и перовскитную кристаллизацию. XRD образцы (рис. 2) показывают появление характерных перовскитных пиков при 2θ ≈ 14°, 28° и 31°, соответствующих тетрагональной фазе. Незначительный пик при 11°–12°, наблюдаемый после 2 ч MAI экспозиции (без отжига), указывает на временные H₂O-включенные комплексы; этот пик исчезает после 100 °C отжига, заменяясь PbI₂ отражением, подтверждая полную конвертацию в CH₃NH₃I₃. Удлинение MAI паровой экспозиции до 4 ч с отжигом дает полную перовскитную трансформацию.

XRD перовскитных пленок после варьирующего MAI экспозиции времени и отжига. Пики помечены для перовскита (δ), PbI₂ (*) и FTO (#).

SEM изображения подтверждают равноморфную, безотверстную морфологию (рис. 3). Низкое увеличение изображение показывает полное покрытие поверхности, в то время как высокое увеличение вид раскрывает плотно упакованные зерна. Анализ распределения размера зерна дает средний размер зерна ~320 нм (рис. 3в). Поперечный вид (рис. 3г) указывает на ~220 нм толщину пленки, слегка тоньше размера зерна, что способствует вертикальному переносу носителей.

SEM 220-нм перовскитного слоя: а низкое увеличение, б высокое увеличение, в гистограмма размера зерна, г поперечный разрез.

Производительность устройства сильно коррелирует с толщиной перовскита (рис. 4а,б). Оптимизированная 220-нм пленка дает средний КПД 11,2% (Таблица 1). Малое стандартное отклонение по трем устройствам указывает на отличную равномерность, даруемую паровым путем. Гистерезис поведение характеризовали по скоростям сканирования; при 300 мВ/с гистерезис пренебрежим и средний КПД 7,5%. Для n-i-p конфигурации более высокий обратный-сканирования КПД отражает эффективный сбор носителей, помагаемый интерфейсным накоплением заряда. Стационарные измерения в точке максимальной мощности дают стабилизированный КПД 7,5% и J_sc 14 мА/см², соответствующий динамическим J-V данным.

а Устройственная стопка. б J-V кривые для различных перовскитных толщин (1000 мВ/с, обратный). в Скорость-сканирования-зависимый гистерезис (220 нм). г Стабилизированный выход в точке максимальной мощности.

Заключение

Мы продемонстрировали надежный последовательный паровой метод обработки, трансформирующий вакуум-осажденный PbCl₂ в высококачественные, безотверстные CH₃NH₃I₃ перовскитные слои с ~320 нм зернами. XRD и оптические данные подтверждают фазовую чистоту и кристалличность, в то время как SEM верифицирует равномерную микроструктуру. Интегрированные в n-i-p планарные гетероструктуры с TiO₂ и spiro-OMeTAD, устройства достигают рекордного КПД 11,5% с минимальной вариабельностью, подчеркивая воспроизводимость парово-выращенных пленок. Будущая работа сосредоточится на дальнейшем уточнении перовскитной морфологии и интерфейсной инженерии для повышения КПД и подавления гистерезиса с сохранением преимуществ масштабируемости этого синтетического пути.