Óxido de Grafeno Reduzido Tratado com UV-Ozono Melhora Camada de Transporte de Lacunas PEDOT:PSS em Células Solares de Perovskita Invertidas

Resumo

Células solares de perovskita planas invertidas (PSCs) oferecem fabricação de baixa temperatura, baixo custo e histerese reduzida comparadas às arquiteturas n-i-p convencionais. O desempenho das PSCs depende da qualidade da camada de transporte de lacunas (HTL). Aqui demonstramos um tratamento verde com UV-ozono que melhora a hidrofilicidade do óxido de grafeno reduzido (rGO) preservando sua alta condutividade elétrica. O rGO tratado é misturado ao PEDOT:PSS para formar uma HTL modificada. Dispositivos fabricados com esta camada rGO/PEDOT:PSS alcançam eficiência de conversão de potência (PCE) de 10,7%, com densidade de curto-circuito (J_SC) de 16,75 mA cm^–2, tensão de circuito aberto (V_OC) de 0,87 V e fator de preenchimento (FF) de 75%. Isso representa uma melhoria de 27% sobre PSCs usando PEDOT:PSS puro, atribuída à superfície mais lisa e mobilidade de lacunas aprimorada da camada dopada com rGO.

Introdução

Perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas emergiram como material fotovoltaico líder, com PCEs subindo de 3,8% para 22,1% na última década — superando células de silício cristalino. No entanto, o recozimento de alta temperatura requerido para PSCs n-i-p tradicionais limita sua aplicação em substratos flexíveis. A estrutura invertida p-i-n, relatada pela primeira vez por Guo et al. em 2013, coloca um material de transporte de lacunas (HTM) sob a camada de perovskita, seguido por um material de transporte de elétrons (ETM). Esta arquitetura simplifica o processamento, reduz histerese e melhora o fator de preenchimento. Apesar do progresso no desenvolvimento de HTL e ETL, a eficiência de PSCs invertidas ainda fica atrás da de dispositivos convencionais.

Grafeno e seus derivados oferecem condutividade, transparência e estabilidade ambiental excepcionais, tornando-os atrativos para modificação de HTL. Contudo, rGO comercial tende a agregar em meios aquosos devido a grupos hidrofílicos limitados, enquanto óxido de grafeno (GO) sofre de baixa condutividade. Um rGO processável em solução que equilibre dispersibilidade e condutividade é, portanto, desejável. Neste trabalho, apresentamos um protocolo UV-ozono simples e ambientalmente amigável que introduz grupos hidroxila e carboxila no rGO, permitindo dispersão aquosa estável sem comprometer suas propriedades elétricas. A incorporação deste rGO tratado no PEDOT:PSS resulta em HTL de alto desempenho para PSCs invertidas.

Métodos/Experimental

Químicos

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP. Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99%), dimetilformamida anidra (DMF, 99,8%) e clorobenzeno (CB, 99,8%) foram adquiridos da Sigma-Aldrich. [6,6]-Fenil-C₆₁-butírico éster metílico (PC₆₁BM, > 99%) e 2,9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (BCP, > 99%) foram obtidos da Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO foi sintetizado seguindo o protocolo de Y.F. Chen.

Preparação das Soluções

Cinco miligramas de rGO foram colocados em uma placa de Petri de quartzo e submetidos a exposição UV-ozono (270 W) por 2 h. O rGO tratado foi coletado e disperso em água desionizada a 1 mg mL^–1 usando banho ultrassônico. Para preparar a HTL, soluções de rGO (razões de volume 0,1, 0,2 e 0,3 v/v) foram misturadas com PEDOT:PSS em temperatura ambiente, agitadas durante a noite e filtradas através de filtros PTFE de 0,45 µm.

O precursor de perovskita foi preparado dissolvendo MAI e PbI₂ (razão molar 1:1) em DMF (40% em peso) a 60 °C por 24 h, depois filtrado através de filtros PTFE de 0,45 µm.

Fabricação do Dispositivo

PSCs invertidas foram montadas em ITO (1,5 × 1,5 cm²) seguindo sequência de spin-coating: ITO/PEDOT:PSS/rGO/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. Substratos ITO foram limpos com acetona, isopropanol e água. A camada rGO/PEDOT:PSS foi depositada por spin-coating a 4000 rpm por 40 s, depois recozida a 150 °C por 10 min em ar. A camada de perovskita foi depositada via spin-coating em uma etapa da solução DMF 40% (4000 rpm, 40 s), seguida por adição rápida de 70 µL CB 6 s no filme úmido. Os filmes foram recozidos a 110 °C por 30 min sob N₂. PC₆₁BM (20 mg mL^–1 em CB) foi depositado por spin-coating a 3000 rpm por 40 s, depois BCP (solução saturada em IPA) a 2000 rpm por 30 s. Finalmente, 100 nm de Ag foram evaporados.

Caracterização

XPS foi realizado usando espectrômetro ESCALAB 250 para avaliar grupos funcionais. Padrões de XRD de filmes de perovskita foram registrados em difratômetro de alta resolução Bede. AFM (SPI3800) forneceu morfologia de superfície. Características corrente-tensão (J-V) foram medidas com Keithley 2400 sob AM 1.5 G (100 mW cm^–2) de simulador solar ABET SUN 3000.

Resultados e Discussão

A Figura 1 ilustra o contraste óptico entre dispersões de rGO não tratado e tratado com UV-ozono. O rGO tratado dispersa uniformemente, evidenciando a introdução de grupos –OH e –COOH hidrofílicos sem oxidação completa, confirmado pela cor preta preservada versus o marrom do GO.

Espectros XPS (Figura 2) mostram intensidades aumentadas de picos C–O e C–(O)–OH após tratamento UV-ozono, confirmando funcionalização bem-sucedida enquanto mantém a rede sp².

A cristalinidade da perovskita foi sondada por XRD (Figura 3). Ambos os filmes em PEDOT:PSS puro e rGO/PEDOT:PSS exibem picos característicos a 14,14°, 28,08° e 31,86° (planos 110, 220, 310). Os picos mais nítidos para a HTL modificada com rGO indicam cristalinidade aprimorada, correlacionando-se com transporte de carga melhorado.

AFM (Figura 4) revela leve aumento na rugosidade RMS de 1,15 nm (PEDOT:PSS puro) para 1,27 nm (rGO/PEDOT:PSS). Este rugosidade modesta pode promover crescimento de grãos de perovskita, apoiando observações de XRD.

Desempenho do dispositivo (Figura 5) mostra que a HTL rGO/PEDOT:PSS 0,2 v/v entrega as melhores métricas: V_OC = 0,87 V, J_SC = 16,75 mA cm^–2, FF = 75% e PCE = 10,75%. Comparado ao PEDOT:PSS puro (PCE = 8,48%), isso representa aumento de 27%. Medidas J-V no escuro (Figura 5b) confirmam corrente de vazamento reduzida, que melhora tanto V_OC quanto J_SC ao diminuir resistência série e suprimir shunts.

Análise estatística de 60 dispositivos (Figura 6) confirma reprodutibilidade: PCE média de 9,7 ± 1,04% para dispositivos dopados com rGO versus 7,65 ± 0,48% para PEDOT:PSS puro. A melhoria é impulsionada principalmente por J_SC maior (15,25 ± 1,8 mA cm^–2) e FF (72,37 ± 2,03%) em vez de V_OC.

Conclusões

Introduzimos um processo UV-ozono simples e ecológico que produz rGO dispersível em água com condutividade preservada. Quando misturado ao PEDOT:PSS, este rGO atua como aditivo de alta mobilidade, melhorando morfologia de superfície e reduzindo vazamento do dispositivo. PSCs invertidas incorporando 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS alcançam PCE de 10,75%, aumento de 27% sobre HTLs convencionais de PEDOT:PSS. Esta estratégia demonstra rota viável para células solares de perovskita de alta eficiência e processáveis em solução e pode ser estendida a outros dispositivos optoeletrônicos.