Низкотемпературные UV-отвержденные SnO₂ электронно-транспортные слои дают 14,4% КПД в планарных перовскитных солнечных элементах

Аннотация

Мы представляем простой протокол ультraviolet-озонной (UVO) обработки для оксида олова (SnO₂) электронно-транспортных слоев (ETL), фабрикуемых при температурах ниже 90 °C. Оптимизируя концентрацию SnO₂ предшественника, мы контролируем толщину пленки, достигаем высокой кристалличности и удаляем органические остатки, получая ETL с превосходной проводимостью и оптической пропускной способностью. При интеграции в планарную архитектуру перовскитного солнечного элемента (PSC) (Стекло/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au) устройства достигают максимального КПД 14,36% при 20% концентрации SnO₂. Этот низкотемпературный UV-подход предлагает масштабируемый, экономичный путь к высокопроизводительным PSC.

Введение

Перовскитные солнечные элементы (PSC) быстро прогрессировали от 3,8% до 22,1% КПД за последние годы. В мезопористых и планарных архитектурах перовскитный поглотитель находится между электронно-транспортными (ETL) и дырочно-транспортными (HTL) слоями, и качество этих интерфейсов напрямую влияет на производительность. Традиционное фабрикация компактных ETL часто требует высокотемпературного отжига или спекания (до 450 °C для TiO₂ и 180 °C для SnO₂), что ограничивает крупномасштабное, низкозатратное производство.

Мы представляем протокол центрифугирования SnO₂ предшественников с последующей UVO-обработкой, достигая полностью компактного ETL при температурах ниже 90 °C. Этот метод исключает высокотемпературные этапы, снижает сложность процесса и издержки производства. Наши PSC, основанные на CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) и фабрикованные через одноступенчатый анти-растворительный метод (OSAS), имеют планарную гетероструктуру: Стекло/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Оптимизированные устройства достигают КПД 14,5%.

Методы

Материалы и подготовка предшественников

Метиламмоний йодид (MAI; 99,5%) и йодид свинца (PbI₂; 99,9%) получены от Xi'an Polymer Light Technology Corp. Оксид олова (SnO₂; 15% массы в водной коллоидной дисперсии с следами органических растворителей) куплен у Alfa Aesar. 1,2-дихлорбензол (DCB; 99,5%) и другие растворители (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) от Sigma Aldrich. Все реактивы использовались как получено без дополнительной очистки.

Фабрикация устройств

Стек устройства: ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. ITO стекло (<15 Ом/кв) ультразвуково очищали ацетоном, этанолом и ДИ водой (по 15 мин) и сушили азототехническим. Последующая UVO-очистка (15 мин при ~60 °C) удаляла остаточные органики. SnO₂ пленки центрифугировали из предшественников (10%, 15%, 20%, 30% по объему) при 5000 об/мин 30 с, сушили при 50 °C 5 мин, затем подвергали UVO (60 мин, ~60 °C). 1-М MAPbI₃ предшественник (MAI:PbI₂ = 1:1 М) готовили в 9:1 (об/об) DMF:DMSO смеси, перемешивали и нагревали при 50 °C сутки. Перовскитный слой центрифугировали при 4000 об/мин 30 с, с каплей диэтилового эфира за 5 с до конца. Пленку отжигали при 90 °C 10 мин в глюкбоксе. HTL состоял из 70 мМ Spiro-OMeTAD, 28,8 мМ Li-TFSI и 55 мМ TBP в DCB, центрифугированный при 5000 об/мин 20 с. Наконец, 100 нм Au термически испаряли при ~5 Å/с под 5×10⁻⁴ Па. Активная площадь 4 мм².

Характеризация и измерения

Вольт-амперные характеристики (J-V) записывали на Keithley 2400 под AM1.5G освещением (100 мВт/см²) с солнечным симулятором Newport 94043A, откалиброванным по эталонному Si элементу. UV-Vis передаточные спектры получали на Cary 5000. Поверхностная морфология и поперечные сечения изучали РЭМ (JSM-7001F). Рентгеновская дифракция (РД) на дифрактометре (DX-2700) подтверждала рутиловый SnO₂ фазу. ЭДС оценивала элементный состав.

Результаты и обсуждение

UV/озон излучает фотоны 185 и 254 нм (647 и 472 кДж/моль), достаточно для разрыва C-C, C-O, C-H связей (346–411 кДж/моль). ЭДС 20% SnO₂ пленки после UVO показывает >99% Sn и O, с <1% остаточного C, подтверждая удаление органик и высокочистый ETL (таблица 1).

РД UVO-обработанных пленок показывает характерные рутиловые пики при 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6°, 65,9° (плоскости (110), (101), (200), (211), (301)), соответствующие JCPDS 41-1445. Дебае-Шеррер анализ дает средний кристаллит 5,5 нм (рис. 2).

РЭМ поверхности SnO₂ (а) и соответствующие ЭДС спектры ITO/SnO₂ пленки.

РД-паттерн SnO₂ после UV-обработки.

Рис. 3а показывает схему устройства. РЭМ активного слоя (рис. 3b) показывает непрерывную MAPbI₃ пленку (~384 нм) с монокристаллами >1 мкм, указывающей на высокое качество перовскита. SnO₂ (20%) слой ~65 нм толщиной обеспечивает оптимальный баланс проводимости и светопропускания.

Структурная схема PSC (а) и РЭМ активного слоя (b).

J-V характеристики (рис. 4) и детальные параметры (таблица 2) показывают, что J_sc пик 20,11 мА/см² для 20% SnO₂ устройства, в то время как V_oc и заполняющий фактор (FF) также улучшаются с ростом концентрации до 20%. Соответствующий КПД достигает 14,36% с последовательным сопротивлением (R_s) 232,8 Ом и шунтирующим (R_sh) 15 868 Ом. Избыточный SnO₂ (30%) снижает прозрачность, увеличивая рекомбинацию и понижая производительность.

J-V характеристики устройства. Вставка показывает соответствующую КПД-V_oc кривую.

Поперечное РЭМ (рис. 5) подтверждает толщины пленок 34 нм (10%), 48 нм (15%), 66 нм (20%), 97 нм (30%). I-V измерения ITO/SnO₂/Au структур показывают, что вертикальное сопротивление падает от 98,6 Ом (10%) до 33,7 Ом (20%) перед ростом до 50,8 Ом (30%), коррелируя с непрерывностью пленки и кристалличностью.

Поперечные РЭМ изображения а ITO/SnO₂ (10%), b ITO/SnO₂ (15%), c ITO/SnO₂ (20%), d ITO/SnO₂ (30%).

I-V кривые ITO/SnO₂(x)/Au, x = 10, 15, 20, 30%.

Вид сверху РЭМ (рис. 7) показывает равномерные, гладкие пленки по всем концентрациях, с размерами кристаллитов ~6,8 нм — в согласии с РД оценками. Небольшие островчатые дефекты при 10% (рис. 7a, e) снижают проводимость, в то время как 20% дает оптимальную непрерывность. При 30% пленки демонстрируют легкое слияние, увеличивая сопротивление.

Вид сверху РЭМ а-d ITO/SnO₂(x) пленок при ×50 000, и e-h при ×200 000.

UV-Vis передаточные спектры (рис. 8) показывают >75% пропускания по 400–800 нм. Пики смещаются к большим длинам волн с ростом толщины SnO₂ (10% → 616 нм, 15% → 662 нм, 20% → 718 нм, 30% → >800 нм). Полоса поглощения MAPbI₃ (300–760 нм) лучше перекрывается с 10–20% SnO₂ пленками, максимизируя сбор света. Избыточная толщина (30%) снижает пропускание, ведуя к низкому КПД.

UV-Vis передаточные спектры ITO/SnO₂(x) пленок.

Заключение

Мы продемонстрировали, что низкотемпературная UVO-обработка центрифугированных SnO₂ предшественников дает компактные, высокочистые ETL с отличной проводимостью и прозрачностью. Оптимизация концентрации SnO₂ до 20% производит планарные PSC с КПД 14,36%. Производительность определяется балансом между толщиной пленки, однородностью и оптической прозрачностью. Этот масштабируемый, низкозатратный процесс хорошо подходит для промышленного производства PSC.

Аббревиатуры

ETL:

Электронно-транспортный слой

FF:

Заполняющий фактор

HTL:

Дырочно-транспортный слой

J_sc:

Короткозамкнутый фотоконтакт

OSAS:

Одноступенчатый анти-растворительный метод

PCE:

Коэффициент преобразования мощности

PSC:

Перовскитный солнечный элемент

UVO:

Ультraviolet-озон

V_oc:

Разомкнутое напряжение