Camadas de Transporte de Elétrons SnO₂ Curadas por UV em Baixa Temperatura Entregam 14,4% Eficiência em Células Solares Perovskita Planares

Resumo

Introduzimos protocolo facilitado de tratamento com ozônio ultravioleta (UVO) para camadas de transporte de elétrons (ETLs) de óxido de estanho (SnO₂) fabricadas a temperaturas abaixo de 90 °C. Otimizando a concentração do precursor SnO₂, controlamos espessura do filme, alcançamos alta cristalinidade e removemos resíduos orgânicos, resultando em ETLs com condutividade e transmitância óptica superiores. Quando integradas em arquitetura planar de célula solar perovskita (PSC) (Vidro/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au), os dispositivos atingem eficiência máxima de conversão de potência (PCE) de 14,36% a concentração 20% SnO₂. Esta abordagem de baixa temperatura baseada em UV oferece rota escalável e custo-efetiva para PSCs de alto desempenho.

Introdução

Células solares perovskita (PSCs) progrediram rapidamente de 3,8% para 22,1% PCE nos últimos anos. Em ambas arquiteturas mesoporosa e planar, o absorvedor perovskita é intercalado entre camadas de transporte de elétrons (ETLs) e camadas de transporte de lacunas (HTLs), e a qualidade interfacial dessas camadas influencia diretamente o desempenho do dispositivo. Fabricação convencional de ETLs compactas frequentemente requer recozimento ou sinterização de alta temperatura (até 450 °C para TiO₂ e 180 °C para SnO₂), o que limita produção em larga escala e baixo custo.

Apresentamos protocolo de spin-coating para precursores SnO₂ seguido por tratamento UVO, alcançando ETL totalmente compacta a temperaturas abaixo de 90 °C. Este método elimina necessidade de etapas de alta temperatura, reduz complexidade de processamento e diminui custos de fabricação. Nossas PSCs, baseadas em CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) e fabricadas via abordagem anti-solvente em uma etapa (OSAS), exibem arquitetura heterojunção planar: Vidro/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Dispositivos otimizados atingem PCE de 14,5%.

Métodos

Materiais e Preparação de Precursores

Iodeto de metilamônio (MAI; 99,5%) e iodeto de chumbo (PbI₂; 99,9%) foram obtidos da Xi'an Polymer Light Technology Corp. Óxido de estanho (SnO₂; dispersão coloidal 15% em massa em H₂O com solventes orgânicos traço) foi adquirido da Alfa Aesar. 1,2-Diclorobenzeno (DCB; 99,5%) e outros solventes (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) foram obtidos da Sigma Aldrich. Todos reagentes foram usados como recebidos sem purificação adicional.

Fabricação de Dispositivos

A pilha do dispositivo é ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Substratos vidro/ITO (<15 Ω/□) foram limpos ultrassonicamente com acetona, etanol e água DI (15 min cada) e secos com nitrogênio. Limpeza UVO subsequente (15 min a ~60 °C) removeu orgânicos residuais. Filmes SnO₂ foram depositados por spin-coating de soluções precursoras (10%, 15%, 20%, 30% em volume) a 5000 rpm por 30 s, secos a 50 °C por 5 min e então submetidos a UVO (60 min, ~60 °C). Precursor MAPbI₃ 1-M (MAI:PbI₂ = 1:1 M) foi preparado em mistura 9:1 (v/v) DMF:DMSO, agitado e aquecido a 50 °C durante a noite. Camada perovskita foi depositada por spin-coating a 4000 rpm por 30 s, com gota de éter dietílico adicionada 5 s antes do fim do spin. O filme foi recozido a 90 °C por 10 min em glove-box. A HTL consistiu de 70 mM Spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI e 55 mM TBP em DCB, depositado por spin-coating a 5000 rpm por 20 s. Finalmente, 100 nm Au foi evaporado termicamente a ~5 Å/s sob 5×10⁻⁴ Pa. A área ativa foi 4 mm².

Caracterização e Medidas

Curvas corrente-tensão (J-V) foram registradas com Keithley 2400 sob iluminação AM1.5G (100 mW/cm²) usando simulador solar Newport 94043A, calibrado contra célula de referência de silício. Espectros de transmissão UV-vis foram obtidos com espectrômetro Cary 5000. Morfologia de superfície e estrutura transversal foram examinadas por SEM (JSM-7001F). Difração de raios-X (XRD) foi realizada em difratômetro (DX-2700) para confirmar fase rutilo SnO₂. Espectroscopia de raios-X por energia dispersiva (EDS) avaliou composição elementar.

Resultados e Discussão

UV/ozônio emite fótons a 185 e 254 nm (647 e 472 kJ/mol), suficientes para clivar ligações C-C, C-O e C-H (346-411 kJ/mol). EDS de filme 20% SnO₂ pós-UVO mostra >99% Sn e O, com <1% C residual, confirmando remoção de orgânicos e ETLs de alta pureza (Tabela 1).

XRD dos filmes tratados com UVO revela picos característicos de rutilo a 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6° e 65,9° (planos (110), (101), (200), (211), (301)) correspondendo a JCPDS 41-1445. Análise Debye-Scherrer resulta em tamanho médio de cristalito de 5,5 nm (Fig. 2).

Figura 3a mostra esquema do dispositivo. SEM da camada ativa (Fig. 3b) revela filme MAPbI₃ contínuo (~384 nm espesso) com cristais únicos >1 µm, indicativo de formação perovskita de alta qualidade. Camada SnO₂ (20%) tem ~65 nm de espessura, proporcionando equilíbrio ótimo entre condutividade e transmissão de luz.

Características J-V (Fig. 4) e parâmetros detalhados (Tabela 2) ilustram que J_sc atinge pico de 20,11 mA/cm² para dispositivo 20% SnO₂, enquanto V_oc e fator de preenchimento (FF) também melhoram com aumento de concentração até 20%. A PCE correspondente atinge 14,36% com resistência série (R_s) de 232,8 Ω e resistência shunt (R_sh) de 15.868 Ω. Excesso de SnO₂ (30%) reduz transparência, aumentando recombinação e diminuindo desempenho.

SEM transversal (Fig. 5) confirma espessuras de filme de 34 nm (10%), 48 nm (15%), 66 nm (20%) e 97 nm (30%). Medidas I-V de estruturas ITO/SnO₂/Au revelam que resistência vertical diminui de 98,6 Ω (10%) para 33,7 Ω (20%) antes de aumentar para 50,8 Ω (30%), correlacionando com continuidade e cristalinidade do filme.

SEM de vista superior (Fig. 7) mostra filmes uniformes e lisos em todas concentrações, com tamanhos de cristalito em torno de 6,8 nm — consistente com estimativas XRD. Pequenos defeitos de ilhas aparecem a 10% (Fig. 7a, e), reduzindo condutividade, enquanto 20% proporciona continuidade ótima. A 30% os filmes exibem leve coalescência, aumentando resistência.

Espectros de transmissão UV-vis (Fig. 8) indicam >75% transmitância através de 400-800 nm. Picos deslocam-se para comprimentos de onda maiores com aumento de espessura SnO₂ (10% → 616 nm, 15% → 662 nm, 20% → 718 nm, 30% → >800 nm). Banda de absorção MAPbI₃ (300-760 nm) sobrepõe-se melhor com filmes 10-20% SnO₂, maximizando colheita de luz. Espessura excessiva (30%) reduz transmitância, levando a menor PCE.

Conclusões

Demonstramos que tratamento UVO de baixa temperatura de precursores SnO₂ depositados por spin-coating produz ETLs compactas, de alta pureza, com excelente condutividade e transparência. Otimizando concentração SnO₂ a 20% produz PSCs planares com PCE de 14,36%. O desempenho é governado pelo equilíbrio entre espessura do filme, uniformidade e transparência óptica. Este processo escalável e de baixo custo é bem adequado para fabricação industrial de PSCs.

Abreviações

ETLs:

Camadas de transporte de elétrons

FF:

Fator de preenchimento

HTLs:

Camadas de transporte de lacunas

J_sc:

Fotocorrente de curto-circuito

OSAS:

Anti-solvente em uma etapa

PCE:

Eficiência de conversão de potência

PSCs:

Células solares perovskita

UVO:

Ozônio ultravioleta

V_oc:

Tensão de circuito aberto