Оптимизация морфологии CH₃NH₃PbI₃ для повышения эффективности перовскитных солнечных элементов

Аннотация

Исследовано влияние концентрации йодида метиламмония (MAI) в двухступенчатом влажном процессе на морфологию и фотовольтаические характеристики перовскитных пленок CH₃NH₃PbI₃. Архитектура устройства — стекло/FTO/мезопористый TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/spiro-OMeTAD/Ag — изготавливалась на подложках FTO 1,5 × 1,5 см². Систематически варьируя скорость центрифугирования и температуру отжига, оптимизировали качество пленки и достигли рекордной эффективности преобразования (PCE) 17,42%, с открытым напряжением (Voc) 0,97 В, током короткого замыкания (Jsc) 24,06 мА/см² и коэффициентом заполнения (FF) 0,747.

Обзор литературы

Органико-неорганические перовскиты стали лидерами для тонкопленочных фотовольтаических элементов следующего поколения, достигнув PCE от 3,8% до >22% за десяток лет. Двухступенчатая фабрикация — сначала осаждение PbI₂, затем превращение в CH₃NH₃PbI₃ под действием MAI — предпочтительна благодаря лучшей однородности пленки и масштабируемости.

Хотя обширная работа по оптимизации химии прекурсоров и параметров осаждения, конкретное влияние концентрации MAI на рост зерен, покрытие поверхности и итоговую производительность устройства остается недостаточно изученным. Здесь мы систематически варируем уровни MAI (10 мг/мл против 40 мг/мл) и характеризуем полученную морфологию, кристалличность и оптоэлектронные свойства для выяснения их влияния на PCE.

Методы

Стекло FTO (1,5 × 1,5 см²) последовательно очищали ацетоном, этанолом и деионизированной водой, сушили под азотом. Компактный слой TiO₂ 50 нм осаждали спреевым пиролизом при 500 °C, затем мезопористый TiO₂ (Dyesol 18NR-T) центрифугировали и отжигали при 450 °C. PbI₂ (1 М в DMF, 70 °C) центрифугировали при 7000 об/мин; пленку затем окунали в 10 или 40 мг/мл MAI/IPA на 30 с, сушили и отжигали (100–120 °C) 20 мин.

Слой переноса дыр (spiro-OMeTAD, 0,170 М) легировали LiTFSI (60 мМ) и TBP (200 мМ), центрифугировали при 4000 об/мин. Электрод Ag 100 нм термически испаряли через шадовую маску, определяющую активную площадь 2 × 5 мм². J-V измерения под AM1.5G (100 мВт/см²) с Keithley 2400. SEM, XRD, UV-vis, PL (стационарная и TRPL) для морфологии, кристалличности, оптического поглощения и носительной динамики.

Результаты и обсуждение

SEM-изображения (рис. 2) показывают, что пленки с низким MAI образуют крупные тетрагональные зерна с умеренным покрытием поверхности, тогда как высокий MAI дает плотные, гладкие кристаллы ~200–600 нм (рис. 3). XRD (рис. 4) подтверждает, что оптимальный отжиг (>80 °C для высокого MAI) дает однопазовый CH₃NH₃PbI₃, тогда как более низкие температуры оставляют остаточный PbI₂, снижая эффективность.

Фотолюминесценция (рис. 5): пленки с низким MAI имеют пик излучения 768 нм (время жизни 25 нс), высокий MAI смещает пик к 773 нм с более коротким временем жизни 14 нс — указывает на эффективное извлечение носителей на границе TiO₂.

Характеристики устройств (рис. 8): ячейки с высоким MAI дают более высокий Jsc (~2 мА/см² выше низкого MAI) благодаря улучшенному поглощению и переносу заряда, в то время как низкий MAI дает немного более высокий Voc, вероятно, из-за остаточного PbI₂. По 50 устройствам высокий MAI процесс дает среднюю PCE 13,7% (σ = 1,28%) с >75% устройств превышающих 13% под односолнечным освещением. Оптимальная ячейка достигает 17,42% эффективности, 0,97 В Voc, 24,06 мА/см² Jsc, 0,747 FF.

Заключения

Регулировка концентрации MAI в двухступенчатом осаждении перовскита эффективно управляет размером зерен и поверхностной морфологией, напрямую влияя на фотовольтаические метрики. Обработка с высоким MAI дает компактные, бездефектные пленки, обеспечивающие воспроизводимые перовскитные солнечные элементы с эффективностью 17,42%. Работа подчеркивает критическую роль стехиометрии прекурсоров и термической обработки в масштабировании высокопроизводительной перовскитной фотовольтаики.

Аббревиатуры

FTO

Фторированный оловянный оксид

J-V

Вольт-амперная характеристика (плотность тока – напряжение)

MAI

CH₃NH₃I

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PCE

Коэффициент преобразования энергии

PL

Фотолюминесценция

SEM

Растровый электронный микроскоп

TRPL

Вреmennо-разрешенная фотолюминесценция

XRD

Рентгеновская дифракция