Efeito do eletrodo ITO pulverizado em ângulo oblíquo nas estruturas de células solares de MAPbI3 perovskita

Resumo

Esta investigação relata as características do MAPbI ₃ filmes de perovskita em substratos de vidro / ITO sputtered obliquamente que são fabricados com vários tempos de sputtering e ângulos de sputtering. O tamanho do grão de um MAPbI ₃ O filme de perovskita aumenta com o ângulo de pulverização oblíqua de filmes finos de ITO de 0 ° a 80 °, indicando que as propriedades da superfície do ITO afetam a molhabilidade do filme fino PEDOT:PSS e, portanto, domina o número de locais de nucleação de perovskita. A eficiência ótima de conversão de energia (Eff) é alcançada em 11,3% em uma célula com uma camada de ITO oblíqua que foi preparada usando um ângulo de pulverização catódica de 30 ° por um tempo de pulverização catódica de 15 min.

Histórico

Óxido de índio e estanho (ITO) é um material condutor transparente que compreende óxido de índio (In ₂ O ₃ ) e óxido de estanho (SnO ₂ ) É amplamente utilizado em telas de cristal líquido, diodos emissores de luz e células solares devido à sua transparência visível de aproximadamente 96 % e condutividade de cerca de 10 Ω / sq [1,2,3,4,5]. Vários métodos para melhorar a resistência e a transmitância de filmes de ITO foram estudados, incluindo recozimento e pulverização catódica com várias proporções de gás e pressões de operação [5,6,7,8]. As propriedades optoeletrônicas de filmes de ITO pulverizados obliquamente foram relatadas em [9, 10]. Conforme um filme ITO é depositado, ele cresce como um filme com uma estrutura colunar inclinada em um ângulo em um substrato, devido ao efeito de sombra. O filme de ITO colunar exibe uma morfologia diferente, propriedades ópticas anisotrópicas e resistividade anisotrópica [10].

Recentemente, células solares com materiais perovskita, como CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , como uma camada ativa tem recebido muito interesse devido às suas eficiências de conversão de energia favoráveis [11,12,13,14,15,16,17,18]. A maioria das células solares de perovskita tem vidro de óxido condutor transparente (TCO), como ITO ou FTO (óxido de estanho dopado com flúor), como substrato. No entanto, as propriedades optoeletrônicas de um filme de TCO isotrópico diferem daquelas de um filme de TCO anisotrópico. Portanto, este trabalho desenvolve células solares de perovskita planar usando CH ₃ NH ₃ PbI ₃ (MAPbI ₃ ) perovskitas em substratos ITO oblíquos que são preparados de deposição em ângulo de visão (GLAD). Esta investigação examina as propriedades ópticas, estruturais e de superfície do MAPbI ₃ películas de perovskita em substratos ITO oblíquos que foram recozidos em várias temperaturas e pulverizados várias vezes. As relações entre o desempenho da célula solar de perovskita e as propriedades dos filmes de perovskita são discutidas.

Métodos

Nesta investigação, o vidro ITO foi cortado em pequenos pedaços de 1,5 × 1,5 cm ² ser usado como substratos. Os substratos de vidro ITO foram cuidadosamente limpos usando acetona, etanol e água desionizada (DI) em um oscilador ultrassônico por 5 min e secos com nitrogênio. Um filme de ITO foi depositado no substrato de vidro de ITO por pulverização catódica em vários ângulos oblíquos usando alvos ITO, conforme apresentado na Fig. 1a. O gás de trabalho e a pressão foram argônio puro e 5 mTorr, respectivamente. Após a deposição, os filmes foram recozidos a 300 ° C por 30 min.

a Seção transversal esquemática da estrutura concluída e sistema de pulverização catódica oblíqua. b Imagem FESEM em corte transversal da amostra com ITO oblíquo pulverizado com 30 ° de inclinação

Substratos de vidro que foram revestidos com os filmes de ITO pulverizados obliquamente foram usados para as células solares de perovskita. PEDOT:filmes PSS foram preparados por spin-coating dos substratos de vidro oblíquo ITO a 5000 rpm por 30 s. Após o revestimento por rotação, o filme foi recozido a 110 ° C durante 10 min. A camada de perovskita foi depositada usando revestimento por rotação de duas etapas sobre o substrato de vidro PEDOT:PSS / ITO oblíquo a 1000 rpm por 10 se 5000 rpm por 20 s. Durante a etapa a 5.000 rpm por 20 s, o filme de fiação úmida foi extinto com a queda de 100 μl de tolueno anidro sobre ele. As soluções precursoras de perovskita foram preparadas usando 1,25 mmol de brometo de metilamônio e 1,25 mmol de PbI ₂ (com uma pureza de 99,999%) que foi dissolvido em 1 mL de co-solvente. A proporção em volume de dimetilsulfóxido (DMSO) para γ-butirolactona (GBL) foi de 1:1. Após o revestimento por rotação, o filme foi recozido a 100 ° C durante 10 min. Então [6,6] -fenil-C ₆₁ O éster metílico do ácido butírico (PCBM) foi dissolvido em clorobenzeno (20 mg / mL) e revestido por spin em camadas de perovskita a 3000 rpm por 30 s, formando um filme de 50 nm de espessura como uma camada de transporte de elétrons. Por fim, um eletrodo de Ag com espessura de 20 nm foi depositado por evaporação térmica para completar a estrutura do dispositivo. A amostra foi coberta com uma máscara de sombra que definiu uma área ativa de 0,5 cm x 0,2 cm durante a deposição. A Figura 1a representa esquematicamente a estrutura completa. A Figura 1b mostra a imagem FESEM em seção transversal da amostra com o ITO disparado obliquamente 30 ° inclinado.

Resultados e discussão

As microestruturas cristalinas dos filmes foram observadas por meio de um difratômetro de raios-X. Um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM) foi usado para observar a morfologia da superfície das amostras. A tensão-densidade de corrente ( J - V ) características das células solares foram medidas usando um medidor de fonte programável Keithley 2420 sob irradiação por uma lâmpada de xenônio de 1000 W. A densidade de potência de irradiação na superfície da célula foi calibrada para 1000 W / m ² .

A Figura 2 mostra os padrões de XRD do MAPbI ₃ películas de perovskita em PEDOT:PSS / camada de ITO oblíqua / vidro em vários ângulos oblíquos. Os quatro picos médios em 14,28 °, 28,5 °, 30,61 ° e 31,93 ° correspondem a (110) perovskita, (220) perovskita, (110) SnO ₂ , e (222) em ₂ O ₃ aviões, respectivamente. Conforme o ângulo de pulverização aumenta de 0 ° a 60 °, o (110) SnO ₂ é formado pela incorporação de átomos de Sn. O tamanho do domínio do cristal pode ser calculado usando a equação de Scherrer [19]. Os tamanhos dos domínios de cristal do MAPbI ₃ os filmes de perovskita nas amostras têm aproximadamente 71,8 nm. Portanto, os tamanhos dos domínios de cristal do MAPbI ₃ as perovskitas não são afetadas pela camada ITO oblíqua.

Padrões de XRD de MAPbI ₃ filmes de perovskita em PEDOT:PSS / camada ITO oblíqua / vidro para vários ângulos oblíquos

A Figura 3 mostra imagens SEM de MAPbI ₃ películas de perovskita em uma camada oblíqua de ITO / vidro para vários ângulos oblíquos. O tamanho do grão (ou partícula) do MAPbI ₃ Os filmes de perovskita aumentam com o ângulo de pulverização oblíqua de 0 ° a 80 °, revelando que as propriedades da superfície do ITO influenciam o número de locais de nucleação de perovskita. Uma vez que o ITO não está em contato direto com o filme fino de perovskita e um filme fino PEDOT:PSS é inserido entre o ITO e a perovskita, as propriedades da superfície do ITO não devem influenciar diretamente as propriedades dos filmes finos de perovskita. Portanto, a molhabilidade dos filmes finos PEDOT:PSS [20] está relacionada às propriedades de superfície do ITO. Portanto, os diferentes tamanhos de grãos no MAPbI ₃ filmes de perovskita podem estar relacionados à molhabilidade do substrato [21, 22]. Experimentos no ângulo de contato de uma gota de água foram realizados para avaliar a molhabilidade dos filmes finos PEDOT:PSS nas diferentes amostras de ITO / vidro, como mostrado na Fig. 4. O ângulo de contato é proporcional ao tamanho dos grãos em o MAPbI ₃ filme fino, indicando que a nucleação e crescimento de cristal de um MAPbI ₃ a película fina pode ser controlada variando a molhabilidade da superfície do PEDOT:PSS / ITO oblíquo / vidro. Imagens do ângulo de contato das amostras de ITO oblíquas / vidro foram obtidas para entender a variação da molhabilidade da superfície do PEDOT:PSS / ITO oblíqua / amostras de vidro, conforme ilustrado na Fig. 5. A molhabilidade do PEDOT:PSS / ITO oblíqua / as amostras de vidro é inversamente proporcional à molhabilidade das amostras oblíquas de ITO / vidro, de modo que as distribuições verticais dos polímeros PSS hidrofílicos e polímeros PEDOT hidrofóbicos podem ser manipuladas variando a molhabilidade da superfície da amostra oblíqua de ITO / vidro. Polímeros PSS são sugeridos para serem distribuídos principalmente na superfície superior do filme fino PEDOT:PSS quando o substrato tem uma superfície hidrofóbica (Fig. 5a), resultando em um pequeno ângulo de contato de gota de água no filme fino PEDOT:PSS (Fig. 4a). Os resultados experimentais (XRD e SEM) demonstram que o MAPbI ₃ grãos são MAPbI multicristalinos ₃ partículas [23].

a - d Imagens SEM de MAPbI ₃ filmes de perovskita em PEDOT:PSS / camada ITO oblíqua / vidro para vários ângulos oblíquos

a - d Imagens que mostram o ângulo de contato da água no PEDOT:PSS / camada ITO oblíqua / vidro para vários ângulos oblíquos. Ângulo de contato CA

a - d Imagens que mostram o ângulo de contato da água na camada oblíqua de ITO / vidro para vários ângulos oblíquos

A Figura 6 apresenta os espectros de fotoluminescência (PL) do MAPbI ₃ películas de perovskita em PEDOT:PSS / ITO oblíqua / vidro para vários ângulos oblíquos. Um pico principal é observado em 768 nm, correspondendo à emissão por MAPbI ₃ . A descoberta é apoiada pelos resultados de XRD. A energia de emissão PL da MAPbI ₃ a perovskita não é afetada por baixo da camada ITO oblíqua. Além disso, as diferentes intensidades de PL dos filmes MAPbI3 em ITOs sputtered com vários ângulos oblíquos foram obtidas como resultado da separação do exciton induzido pela luz. Uma interface melhor entre PEDOT:PSS e perovskita proporcionou melhor separação de excitons, induzindo um efeito de têmpera PL mais forte. Portanto, ITO em um ângulo oblíquo de 80 ° exibiu a melhor separação de excitons da camada de perovskita para PEDOT:PSS, devido à molhabilidade de superfície favorável do PEDOT:PSS / ITO oblíquo, como mostrado na Fig. 4.

Espectros PL de MAPbI ₃ filmes de perovskita em PEDOT:PSS / camada ITO oblíqua / vidro para vários ângulos oblíquos

A Figura 7 representa a tensão-densidade de corrente ( J - V ) curva das células solares que são baseadas em MAPbI ₃ perovskita com uma camada oblíqua de ITO que é pulverizada em vários ângulos oblíquos e é submetida a tratamento térmico a uma temperatura de recozimento de 300 ° C. O tempo de pulverização catódica é de 15 min. A Tabela 1 apresenta a eficiência de conversão de energia resultante (Eff), densidade de corrente de curto-circuito ( J _sc ), tensão de circuito aberto ( V _oc ), e fator de preenchimento (FF) do MAPbI ₃ células solares. O desempenho do dispositivo degrada conforme o ângulo de pulverização da camada oblíqua de ITO aumenta, porque o conteúdo de oxigênio nas camadas oblíquas de ITO e sua resistência aumentam com o ângulo de pulverização [10]. A eficiência máxima pode ser alcançada após a deposição em um ângulo oblíquo de 30 ° devido à condutividade favorável.

Densidade de corrente - tensão ( J - V ) de células solares com base em MAPbI ₃ perovskita com camada oblíqua de ITO pulverizada em vários ângulos oblíquos

A Figura 8 representa graficamente a tensão-densidade de corrente ( J - V ) curvas das células solares baseadas em MAPbI ₃ perovskita com a camada oblíqua de ITO pulverizada por vários tempos de pulverização catódica, antes de ser submetida a tratamento térmico a uma temperatura de recozimento de 300 ° C. A Tabela 2 apresenta a correspondente eficiência de conversão de energia (Eff), densidade de corrente de curto-circuito ( J _sc ), tensão de circuito aberto ( V _oc ), e fator de preenchimento (FF) do MAPbI ₃ células solares. A eficiência ideal é alcançada quando o tempo de pulverização catódica da camada ITO oblíqua é de 15 min, devido à espessura da camada e sua boa condutividade. O melhor dispositivo é obtido usando este ângulo de deposição, com J _SC =20,46 mA / cm ² , V _OC =0,92 V, FF =60,00% e Eff =11,30%.

Densidade de corrente - tensão ( J - V ) de células solares com base em MAPbI ₃ perovskita com camada oblíqua de ITO pulverizada por vários tempos de pulverização catódica

Conclusões

Em resumo, este trabalho demonstrou as características do MAPbI ₃ filmes de perovskita no PEDOT:substratos PSS / ITO oblíquo sputtered / vidro que foram fabricados usando vários tempos de sputtering e ângulos de sputtering. O desempenho do dispositivo foi otimizado usando uma camada de ITO oblíqua que foi preparada por pulverização catódica a 30 ° por 15 min, com uma densidade de corrente de curto-circuito ( J _SC ) =20,46 mA / cm ² , tensão de circuito aberto ( V _OC ) =0,92 V, fator de preenchimento (FF) =66,0% e eficiência de conversão de energia (Eff) =11,3%. O desempenho do dispositivo degrada à medida que o ângulo de pulverização catódica da camada ITO oblíqua aumenta de 30 ° para 80 ° porque a resistência do dispositivo aumenta com o ângulo de pulverização catódica. Embora as camadas ITO oblíquas melhorem a dispersão da luz incidente, a alta resistividade degrada o desempenho do dispositivo. Portanto, a eficiência ideal pode ser alcançada pela deposição em um ângulo oblíquo de 30 ° devido à condutividade.

Abreviações

FESEM:: Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo
GLAD:: Deposição de ângulo de visão
ITO:: Óxido de índio estanho
J - V :: Densidade de corrente - tensão
MAPbI ₃ :: CH ₃ NH ₃ PbI ₃
PEDOT:PSS:: Sulfonato de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno
TCO:: Óxido condutor transparente
XRD:: Difratômetro de raios x

Biocompatibilidade aprimorada em TaO anódico x arranjos de nanotubos Composto de MoS2 / Acetileno com poucas camadas como um ânodo eficiente para baterias de íon-lítio

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias