Preparação de células solares de perovskita processadas no ambiente com melhores propriedades eletrônicas por meio do método de deposição em uma etapa assistida por pré-aquecimento

Resumo

Embora a eficiência de conversão de energia (PCE) das células solares de perovskita (PSCs) aumente rapidamente, ainda existem alguns problemas que limitam sua comercialização. A perovskita é sensível às moléculas de água, aumentando a dificuldade na preparação de filmes de perovskita em condições ambientais. A maioria dos PSCs de alto desempenho baseados no método convencional devem ser preparados em condições de atmosfera inerte, o que aumenta o custo de fabricação. Para fabricar a perovskita de alta qualidade em condições ambientais, pré-aquecemos os substratos e selecionamos o antissolvente adequado. Como resultado, os filmes de perovskita alvo mostram uma cristalinidade melhor em comparação com o filme de perovskita preparado através do método convencional de deposição de uma etapa em condição ambiente. Os PSCs preparados em condições ambientais rendem o PCE melhorado de 16,89% de um PCE de 11,59%. Em comparação com os dispositivos de referência, a estabilidade de desempenho dos PSCs de destino é muito melhor do que a dos PSCs de referência.

Introdução

As células solares de perovskita (PSCs) vêm atraindo muita atenção desde que o híbrido orgânico-inorgânico perovskita foi usado como coletor de luz de células solares [1,2,3,4,5]. O filme de perovskita mostra inúmeras propriedades fotoelétricas excelentes, como alto coeficiente de absorção de luz, bandgap adequado e bom transporte de carga. A mais recente eficiência certificada de conversão de energia (PCE) mais recente atingiu 25,2% (https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200311.pdf).

A estrutura convencional dos PSCs contém camadas de transporte de carga, camada do coletor de luz e eletrodos [6,7,8,9,10,11]. A camada do coletor de luz inserida entre as camadas de transporte de carga é vital para o desempenho fotovoltaico dos PSCs. Os filmes de perovskita são compostos de numerosos grãos de cristal de tamanho submicrônico, e o tamanho desses grãos está relacionado ao processo de preparação dos filmes de perovskita. A maioria dos filmes de perovskita foi preparada em ar seco ou gás inerte para evitar o comprometimento das moléculas de água no processo de cristalização dos filmes de perovskita. No entanto, a preparação de filmes de perovskita na condição de gás inerte ou ar seco aumentaria o custo de fabricação, o que é desfavorável para a comercialização de PSCs. A partir de 2014, alguns grupos de pesquisa passaram a estudar o método de preparo das unidades de atendimento em condição ambiental [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Eles fabricaram os PSCs usando o método de duas etapas e otimizaram o ingrediente e o processo de deposição dos filmes de perovskita. O PCE mais alto atingiu 16%. O grupo Miyasaka fabricou PSCs do tipo mesoporoso com base em CH ₃ NH ₃ PbI ₃ sob a condição com uma umidade relativa de 30% a 25 ° C [22]. Os aparelhos renderam um PCE de 15,3% e tiveram uma boa reprodutibilidade. Os dispositivos armazenados em ar seco e escuro por 1 mês retiveram 80% do PCE inicial. Em 2015, Mori et al., Do Aichi Institute of Technology, usou o método de auxílio de fluxo de gás para depositar os filmes de perovskita em ar condicionado (umidade relativa de 42-48% a 25 ° C) [24]. Os PSCs do tipo planar baseados nesses filmes de perovskita têm um PCE de 16,32% e 13,31% na direção de varredura reversa e direta, respectivamente. Ko et al. fabricado mesoporoso tipo CH ₃ NH ₃ PbI ₃ PSCs baseados na condição com umidade diferente, e os dispositivos preparados sob a condição com umidade relativa de 50% a 23,1 ° C apresentam o melhor desempenho fotovoltaico com o maior PCE de 15,76% [14]. Eles usaram o método de deposição de reboque e os substratos foram pré-aquecidos antes do revestimento por rotação de PbI ₂ solução cujo solvente foi dimetilformamida (DMF). O PbI obtido ₂ teve uma transparência aprimorada e o PCE dos dispositivos foi aumentado de 10% para 15%. O aumento da temperatura de pré-aquecimento induziu o aumento nos tamanhos de grão dos filmes de perovskita, mas o PbI residual ₂ tornou-se mais. Portanto, é importante encontrar a temperatura de pré-aquecimento adequada para equilibrar o tamanho do cristal e a eficiência de transferência do PbI ₂ . Em 2017, Cheng et al. aumentou a pressão de vapor do solvente para reduzir a entrada de moléculas de oxigênio e água durante o PbI ₂ deposição através do pré-aquecimento do substrato antes da deposição de PbI ₂ filmes [12]. Eles obtiveram PSCs processados a ar fabricados sob uma umidade de 70% UR, e o PCE atingiu 18,11%. Existem alguns relatos de que as moléculas de água podem melhorar a qualidade de cristalização dos filmes de perovskita durante a etapa de recozimento dos filmes de perovskita quando o método de uma etapa é usado para preparar os filmes de perovskita. Em 2014, You et al. descobriram que o PCE de PSCs do tipo planar com base em CH ₃ NH ₃ PbI _3-X Cl _x melhorou sob a umidade particular [23]. Os filmes de perovskita foram recozidos por 1 h sob umidade relativa de 30 ± 5% em temperatura ambiente, o que elevou o PCE para 16,6%. O resultado também esclareceu que a umidade adequada foi benéfica para a formação da perovskita mais compacta. Muitos estudos demonstraram que a umidade relativa do ar deve ser inferior a 80% durante o preparo da perovskita. Em 2015, Lv et al. da Universidade de Changzhou usou dimetilacetamida como solvente da perovskita [15]. Este solvente pode acelerar a cristalização do CH ₃ NH ₃ PbI ₃ perovskita para que o efeito da umidade em filmes de perovskita diminuísse drasticamente. Portanto, os dispositivos com o campeão PCE de 16,15% foram obtidos na condição com umidade relativa de 28% em temperatura ambiente. Em 2016, Sveinbjornsson et al. também pré-aqueceu o substrato e otimizou a temperatura entre 20 e 100 ° C em condição ambiente [19]. Os PSCs baseados em (FAPbI ₃ ) _1-x (MAPbBr ₃ ) _x com uma temperatura de pré-aquecimento de 50 ° C rendeu um PCE médio de 17,6%. Em 2019, Li et al. otimizou a temperatura de pré-aquecimento e o tempo de queda do antissolvente para fabricar o CH ₃ NH ₃ PbI ₃ à base de PSCs sob a condição de umidade relativa de 90% em temperatura ambiente [25]. Eles obtiveram os dispositivos com uma saída PCE de 19,5%.

A engenharia do antissolvente é outra maneira eficaz de melhorar o desempenho fotovoltaico de PSCs preparados em condições ambientais. Para evitar o efeito da umidade na formação da perovskita, a seleção do antissolvente é muito importante. O anti-solvente comumente usado inclui clorobenzeno, éter dietílico e acetato de etila. Troughton et al. Pensei que o acetato de etila agia tanto como um antissolvente quanto como um material absorvente de umidade, o que reduz o afeto das moléculas de água, então o solvente de acetato de etila é superior em comparação com outro antissolvente, como o clorobenzeno e o éter dietílico.

Aqui, usamos o método de pré-aquecimento no processo de deposição de uma etapa ao preparar filmes de perovskita em condições ambientais (umidade relativa de 25-30% a 20 ° C). Também usamos o solvente de acetato de etila como antissolvente, em substituição ao éter dietílico. O substrato pré-aquecido pode acelerar a evaporação do solvente, o que pode reduzir a entrada de oxigênio e umidade. Além disso, o éter dietílico pode não apenas extrair o solvente da perovskita, mas também absorver as moléculas de água. Os PSCs alvo produzem um melhor PCE de 16,89% em comparação com os PSCs de referência. Comparado com outros métodos de fabricação, este método é mais econômico e mais simples. Não precisa de um processo complicado.

Métodos

Materiais

Todos os materiais foram adquiridos da Ying Kou You Xuan Trade Co. Ltd, se não especificado. DMF e dimetilsulfóxido (DMSO) foram adquiridos da Sigma-Aldrich Corp. The SnO ₂ a solução coloidal de nanopartículas foi adquirida na Alfa Aesar. O CH ₃ NH ₃ PbI ₃ solução foi preparada misturando PbI ₂ , CH ₃ NH ₃ I e DMSO em DMF de acordo com a ref. [26]. A solução HTL foi preparada dissolvendo 72,3 mg (2,29,7,79-tetraquis (N, N-di-p-metoxifenilamina) -9,9-espirobifluoreno) (espiro-MeOTAD), 28,8 μL 4-terc-butilpiridina , 17,5 μL de uma solução estoque de 520 mg / mL de bis (trifluorometilsulfonil) imida em acetonitrila e 29 μL de uma solução de 300 mg / mL FK209 em acetonitrila em 1 mL de clorobenzeno.

Preparação

Os vidros ITO foram limpos sequencialmente em acetona, álcool etílico absoluto e banho ultrassônico de água deionizada por 15 min, respectivamente. Depois que os óculos ITO foram limpos pelo tratamento UV-Ozônio por 20 min, um SnO ₂ o filme foi depositado por SnO diluído por spin-coating ₂ solução coloidal de nanopartículas (Alfa Aesar (óxido de estanho (IV), 15% em H ₂ O dispersão coloidal)) de acordo com a ref. [27]. Após o revestimento giratório, o SnO ₂ o filme foi aquecido a 165 ° C durante 0,5 h. Em seguida, os substratos foram tratados com o UV-Ozônio novamente e transferidos para o porta-luvas. Filmes de perovskita foram preparados de acordo com a Fig. 1. O HTL foi preparado por spin-coating da solução de HTL a 5000 rpm por 30 s. Finalmente, 100 nm de eletrodo de topo de Au foi evaporado termicamente no HTL.

a Método de revestimento por rotação anti-solvente de filme de perovskita, b método de revestimento por rotação anti-solvente por calor de filme de perovskita, c fotografia de perovskita depositada com diferentes métodos

Caracterização

As curvas de densidade-voltagem de corrente (J-V) de PSCs foram registradas pela unidade de fonte Keithley 2400 sob iluminação de intensidade solar AM 1.54G por um silmulador solar da Newport Corp. Os padrões de difração de raios-X foram registrados com Bruker D8 ADVANCE A25X. O microscópio eletrônico de varredura (SEM) foi conduzido em um ajuste de emissão de campo SEM (FE-Inspect F50, Holanda). A absorção de perovskita foi medida usando espectrofotômetro Shimadzu 1500. Os dados estatísticos são plotados usando gráfico de caixa.

Resultado e discussão

O processo do método de revestimento por rotação anti-solvente convencional (AS) e método de revestimento por rotação anti-solvente por calor (HS) é mostrado na Fig. 1 a e b, respectivamente. Em comparação com o AS, os substratos e a montagem para revestimento por rotação precisam ser pré-aquecidos antes que a solução de perovskita caia sobre os substratos. O antissolvente é deixado cair na superfície da amostra durante o processo de revestimento por rotação. Após o spin-coating, as amostras são transferidas para uma placa de aquecimento à temperatura de 165 ° C. O gotejamento do antissolvente é finalizado antes que o filme fique turvo. As fotografias de filmes de perovskita preparados com diferentes métodos são mostradas na Fig. 1c. Aqui, o éter dietílico e o acetato de etilo são usados como anti-solvente. Comparado com o éter dietílico, o acetato de etila é mais adequado para a deposição de perovskita em condições ambientais. O acetato de etila pode absorver as moléculas de água e proteger o filme de perovskita da penetração da água. Aqui, os filmes de perovskita preparados com o método AS e HS são referidos como AS-perovskita e HS-perovskita, respectivamente.

Aqui, fabricamos PSCs baseados em HS-perovskita e AS-perovskita. Os PSCs baseados em AS-perovskite (AS-PSCs) foram usados como dispositivos de referência. Havia dois anti-solventes diferentes, incluindo éter dietílico e acetato de etila, usados no processo de preparação de HS-perovskita. Apenas acetato de etila foi usado como anti-solvente no processo de preparação de AS-perovskita. As curvas de densidade de corrente versus tensão (JV) para os dispositivos de melhor desempenho em cada grupo são mostradas na Fig. 2a, e os parâmetros fotovoltaicos estão listados na Tabela 1. Os dados estatísticos dos parâmetros fotovoltaicos para mais de 15 dispositivos em cada grupo são mostrado na Fig. 3. Os PSCs baseados em HS-perovskite (HS-PSCs) produzem um desempenho fotovoltaico muito melhor em comparação com AS-PSCs. Os PSCs baseados em filmes de perovskita preparados com método HS e acetato de etila (HS-EA-PSCs) têm a maior eficiência de conversão de energia (PCE) de 16,89% com uma tensão de circuito aberto (V _OC ) de 1,06 V, densidade de corrente de curto-circuito (J _SC ) de 22,98 mA / cm ² e fator de preenchimento (FF) de 69,25%. A histerese do campeão HS-EA-PSCs é mostrada na Fig. 2b. Os PSCs baseados em filmes de perovskita preparados com o método HS e éter dietílico (HS-DE-PSCs) rendem um PCE de 15,99%. O PCE para PSCs de referência é 11,59%, o que é muito menor do que PCEs de HS-PSCs. Pelas curvas J-V e dados estatísticos, a principal razão para a melhoria do desempenho fotovoltaico em HS-PSCs é a densidade de corrente obviamente aumentada. Para explorar o mecanismo de melhoria do desempenho fotovoltaico, várias caracterizações foram realizadas nos filmes de perovskita.

a Curas JV de PSCs com base em diferentes perovskita (linha preta:HS EA, linha vermelha:HS DE, linha azul:AS EA) (HS EA significa PSCs com base em perovskita preparada através do método de pré-aquecimento com um antissolvente de acetato de etila, HS DE significa PSCs com base em perovskita preparada através do método de pré-aquecimento com um antissolvente de éter dietílico, AS EA significa PSCs com base em perovskita preparada através de método convencional com um anti-solvente de acetato de etila), b Curvas J-V de PSCs com base em HS EA sob diferentes direções de varredura, c Variação PCE com o tempo e d variação normalizada de PCE com o tempo

Dados estatísticos de parâmetros fotovoltaicos incluindo V _OC ( a ), J _SC ( b ), FF ( c ) e PCE ( d )

A estabilidade de PSCs com base em diferentes filmes de perovskita também foi caracterizada. Os aparelhos eram armazenados com ar condicionado e o desempenho fotovoltaico medido todos os dias. A alteração do PCE com o tempo é mostrada na Fig. 2b. Após 1 semana, o PCE de HS-PSCs diminuiu para 14,25% do PCE inicial de 16,89%, e o valor reteve 84,3% do PCE inicial. No entanto, o PCE dos AS-PSCs caiu de 12,09% para 6,99%, e o valor permaneceu apenas 57,8% do valor inicial do PCE. As alterações normalizadas de PCE de diferentes dispositivos são mostradas na Fig. 2c. Os resultados de estabilidade esclarecem que os HS-PSCs têm uma estabilidade de desempenho muito melhor. A razão para a melhor estabilidade será discutida nas próximas partes.

A cristalinidade e a topografia da perovskita afetam o desempenho fotovoltaico das PSCs. Um filme de perovskita compacto e uniforme é essencial para o excelente desempenho do dispositivo. A camada compacta de absorção de luz pode evitar o contato direto entre a camada de transporte de elétrons e a camada de transporte de lacunas (HTL), e a superfície uniforme é benéfica para a cobertura completa do HTL, reduzindo os loops de curto-circuito dentro dos dispositivos. As imagens do microscópio eletrônico de varredura (SEM) de perovskita preparadas com diferentes métodos são mostradas na Fig. 4. A partir das imagens de SEM, os filmes de perovskita são compactos e uniformes e os limites do cristal são claros. O filme de perovskita preparado com o método HS mostra um tamanho médio de grão muito maior, induzindo a menos contorno e menor densidade de defeito. As distribuições do tamanho do cristal de perovskita são mostradas na Fig. 5. O tamanho médio da perovskita preparada com o método AS e o método HS é de 280 nm e 360 nm, respectivamente. Na Fig. 3, a proporção de grãos de cristal com um tamanho superior a 400 nm em HS-perovskita é muito maior do que em AS-perovskita, o que é consistente com o resultado da imagem SEM de superfície. O tamanho do cristal maior resulta em uma melhor estabilidade à umidade dos filmes de perovskita.

Imagens SEM de perovskita preparadas com método AS ( a ) e método HS ( b )

Distribuição do tamanho do grão de filmes de perovskita preparados com o método AS ( a ) e método HS ( b )

A cristalinidade dos filmes de perovskita é caracterizada por meio de medições de difração de raios-X (XRD). Os padrões de XRD são mostrados na Fig. 6. O pico localizado a 14,1 °, 28,4 ° e 31,3 ° corresponde ao plano (110), (220) e (310) dos filmes de perovskita, respectivamente. Não há picos aparentes em torno de 12 ° no padrão de XRD, indicando que quase não há PbI ₂ resíduo em ambos os filmes de perovskita. O filme de perovskita baseado no método AS com o antissolvente de EA possui um pico de DRX maior, esclarecendo uma melhor cristalinidade.

a Padrão de XRD de HS-perovskita e AS-perovskita. b Curvas de absorção de luz UV-visível de diferentes filmes de perovskita

A medição da absorção de luz UV-visível é realizada para caracterizar a capacidade de absorção de luz da perovskita preparada por diferentes métodos. A perovskita filma a absorção aparente quando o comprimento de onda da luz incidente está abaixo de 770 nm. As bordas de absorção dos filmes de perovskita preparados com diferentes métodos se sobrepõem, demonstrando que todos os filmes de perovskita têm um bandgap semelhante e o ingrediente dos filmes de perovskita não é afetado pelos métodos de preparação. A absorção dos filmes de perovskita HS é maior do que os filmes de perovskita AS na faixa de comprimento de onda de 450–700 nm. A maior absorção de filmes de perovskita HS resulta em maior densidade de portador foto-induzida, levando a uma densidade de corrente mais alta em dispositivos operados sob iluminação solar.

Conclusão

Em resumo, usamos o método de uma etapa assistida por pré-aquecimento para fabricar filmes de perovskita de alta qualidade em condições ambientais. Também comparamos os diferentes anti-solventes para preparar os filmes de perovskita. Os PSCs alvo baseados no método HS preparado por perovskita com um antissolvente de EA mostraram o melhor desempenho fotovoltaico com um PCE melhorado de 16,89% em comparação com os PSCs de referência. O desempenho fotovoltaico aprimorado resulta da melhor cristalinidade dos filmes de perovskita HS-EA. A melhor cristalinidade da perovskita também resulta em uma estabilidade de desempenho superior. Este trabalho esclareceu que o método de pré-aquecimento assistido em uma etapa é uma forma eficaz de preparar filmes de perovskita em condições ambientais.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrições.

Abreviações

PSCs:: Células solares perovskita
PCE:: Eficiência de conversão de energia
Spiro-MeOTAD:: (2,29,7,79-tetraquis (N, N-di-p-metoxifenilamina) -9,9-espirobifluoreno)
DMSO:: Dimetilsulfóxido
DMF:: Dimetilformamida
J-V:: Densidade-tensão de corrente
SnO ₂ :: Dióxido de estanho
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
ITO:: Óxido de índio estanho
MA:: CH ₃ NH ₃
FA:: HC (NH ₂ ) ₂
V _OC :: Voltagem de circuito aberto
J _SC :: Densidade de corrente de curto-circuito
FF:: Fator de preenchimento
XRD:: Difração de raios X
HTL:: Camada de transporte de furo
AS:: Método convencional de revestimento por rotação anti-solvente
HS:: Método de revestimento por centrifugação anti-solvente de calor
FK209:: Tris (2- (1H-pirazol-1-il) -4-terc-butilpiridina) -cobalt (III) bis (trifluorometilsulfonil) imida

Síntese de MoIn2S4 @ CNTs Contador Eletrodo Composto para Células Solares Sensibilizadas com Corante MicroRNA-133a-3p restaurado ou PSAT1 esgotado restringe o aneurisma intracraniano induzido por danos às células endoteliais por meio da supressão da via GSK3β / β-catenina

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias