UV-озонная обработка восстановленного оксида графена улучшает PEDOT:PSS как дырочный транспортный слой в инвертированных перовскитных солнечных элементах

Аннотация

Инвертированные планарные перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) предлагают низкотемпературное, дешевое производство и уменьшенную гистерезис по сравнению с обычной n-i-p архитектурой. Производительность ПСЭ зависит от качества дырочного транспортного слоя (ДТС). Мы демонстрируем экологичную UV-озонную обработку, улучшающую гидрофильность восстановленного оксида графена (вОГ) при сохранении его высокой электрической проводимости. Обработанный вОГ смешивают с PEDOT:PSS для формирования модифицированного ДТС. Элементы с таким вОГ/PEDOT:PSS слоем достигают КПД 10,7 %, с током короткого замыкания (J_SC) 16,75 мА/см², напряжением холостого хода (V_OC) 0,87 В и коэффициентом заполнения (FF) 75 %. Это 27 % улучшение по сравнению с ПСЭ на чистом PEDOT:PSS, обусловлено более гладкой поверхностью и повышенной подвижностью дыр в вОГ-смешанном слое.

Введение

Гибридные органико-неорганические перовскиты стали ведущим фотоэлектрическим материалом, с ростом КПД с 3,8 % до 22,1 % за десятилетие — превосходя кремниевые элементы. Однако высокотемпературное отжиг, требуемое для традиционных n-i-p ПСЭ, ограничивает применение на гибких подложках. Инвертированная p-i-n структура, впервые предложенная Guo et al. в 2013 г., размещает дырочно-транспортирующий материал (ДТМ) под перовскитным слоем, за которым следует электронно-транспортирующий материал (ЭТМ). Эта архитектура упрощает процесс, снижает гистерезис и улучшает коэффициент заполнения. Несмотря на прогресс в ДТС и ЭТС, КПД инвертированных ПСЭ все еще уступает обычным.

Графен и его производные обладают исключительной проводимостью, прозрачностью и экологической устойчивостью, делая их привлекательными для модификации ДТС. Однако коммерческий вОГ склонен к агрегации в водных средах из-за ограниченного числа гидрофильных групп, тогда как оксид графена (ОГ) страдает от низкой проводимости. Желательно растворимый вОГ, балансирующий диспергируемость и проводимость. Мы представляем простой, экологичный UV-озонный протокол, вводящий гидроксильные и карбоксильные группы на вОГ, обеспечивающий стабильную водную дисперсию без ущерба для электрических свойств. Включение такого вОГ в PEDOT:PSS дает высокопроизводительный ДТС для инвертированных ПСЭ.

Методы/Эксперимент

Реактивы

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP. Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99 %), безводный N,N-диметилформамид (DMF, 99,8 %) и хлорбензол (CB, 99,8 %) приобретены в Sigma-Aldrich. [6,6]-Фенил-C₆₁-бутировый метиловый эфир (PC₆₁BM, > 99 %) и 2,9-диметил-4,7-дифенил-1,10-фenantролин (BCP, > 99 %) получены из Xi'an Polymer Light Technology Corp. вОГ синтезировали по протоколу Y.F. Chen.

Подготовка растворов

Пять миллиграммов вОГ поместили в кварцевую чашку Петри и подвергли UV-озонному воздействию (270 Вт) в течение 2 ч. Обработанный вОГ собрали и диспергировали в деионизированной воде до концентрации 1 мг/мл в ультразвуковой ванне. Для приготовления ДТС растворы вОГ (объемные соотношения 0,1; 0,2 и 0,3 v/v) смешивали с PEDOT:PSS при комнатной температуре, перемешивалиovernight и фильтровали через ПТФЕ-фильтры 0,45 мкм.

Перовскитный предшественник готовили растворением MAI и PbI₂ (молярное соотношение 1:1) в DMF (40 м.%) при 60 °C в течение 24 ч, затем фильтровали через ПТФЕ-фильтры 0,45 мкм.

Фабрикация элементов

Инвертированные ПСЭ собирали на ИТО (1,5 × 1,5 см²) последовательным центрифугированием: ИТО/PEDOT:PSS/вОГ/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. Подложки ИТО очищали ацетоном, изопропанолом и водой. Слой вОГ/PEDOT:PSS наносили центрифугированием при 4000 об/мин 40 с, затем отжигали при 150 °C 10 мин в воздухе. Перовскитный слой наносили одношаговым центрифугированием 40 м.% DMF раствора (4000 об/мин, 40 с), затем быстрой каплей 70 мкл CB через 6 с в мокрую пленку. Пленки отжигали при 110 °C 30 мин под N₂. PC₆₁BM (20 мг/мл в CB) центрифугировали при 3000 об/мин 40 с, затем BCP (насыщенный раствор в ИПА) при 2000 об/мин 30 с. Наконец, испаряли 100 нм Ag.

Характеризация

XPS выполняли на спектрометре ESCALAB 250 для оценки функциональных групп. XRD-паттерны перовскитных пленок регистрировали на высокоразрешающем дифрактометре Bede. AFM (SPI3800) давал поверхностную морфологию. Вольт-амперные характеристики (J-V) измеряли на Keithley 2400 под AM 1.5 G (100 мВт/см²) от солнечного симулятора ABET SUN 3000.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 иллюстрирует оптический контраст между необработанными и UV-озонно обработанными дисперсиями вОГ. Обработанный вОГ диспергируется равномерно, свидетельствуя о введении гидрофильных –OH и –COOH групп без полного окисления, что подтверждается сохраненным черным цветом против бурого ОГ.

XPS-спектры (рис. 2) показывают увеличение интенсивности пиков C–O и C–(O)–OH после UV-озонной обработки, подтверждая успешную функционализацию с сохранением sp² сети.

Кристалличность перовскита изучали XRD (рис. 3). Обе пленки на чистом PEDOT:PSS и вОГ/PEDOT:PSS показывают характерные пики при 14,14°; 28,08° и 31,86° (плоскости 110, 220, 310). Более острые пики для вОГ-модифицированного ДТС указывают на повышенную кристалличность, коррелирующую с улучшенным зарядовым транспортом.

AFM (рис. 4) показывает незначительный рост RMS-шероховатости с 1,15 нм (чистый PEDOT:PSS) до 1,27 нм (вОГ/PEDOT:PSS). Это умеренное увеличение может способствовать росту зерен перовскита, дополнительно подтверждая XRD-наблюдения.

Характеристики элементов (рис. 5) показывают, что 0,2 v/v вОГ/PEDOT:PSS ДТС дает лучшие метрики: V_OC = 0,87 В, J_SC = 16,75 мА/см², FF = 75 %, КПД = 10,75 %. По сравнению с чистым PEDOT:PSS (КПД = 8,48 %) это 27 % прирост. Темновые J-V измерения (рис. 5б) подтверждают снижение утеточного тока, повышающего V_OC и J_SC за счет понижения последовательного сопротивления и подавления шунтов.

Статистический анализ 60 элементов (рис. 6) подтверждает воспроизводимость: средний КПД 9,7 ± 1,04 % для вОГ-добавленных против 7,65 ± 0,48 % для чистого PEDOT:PSS. Улучшение в основном за счет более высокого J_SC (15,25 ± 1,8 мА/см²) и FF (72,37 ± 2,03 %), а не V_OC.

Заключение

Мы предложили простой, экологичный UV-озонный процесс, дающий водорастворимый вОГ с сохраненной проводимостью. При смешивании с PEDOT:PSS этот вОГ действует как высокоподвижный добавка, улучшающая поверхностную морфологию и снижающая утеточный ток элементов. Инвертированные ПСЭ с 0,2 v/v вОГ/PEDOT:PSS достигают КПД 10,75 %, на 27 % выше обычных PEDOT:PSS ДТС. Эта стратегия демонстрирует жизнеспособный путь к высокоэффективным растворимым перовскитным солнечным элементам и может быть расширена на другие оптоэлектронные приборы.