Izboljšana življenjska doba nosilca naboja v planarnih sončnih celicah s perovskitom z bromovim dopingom | znanstvena poročila

Izboljšana življenjska doba nosilca naboja v planarnih sončnih celicah s perovskitom z bromovim dopingom | znanstvena poročila

Anonim

Predmeti

  • Naprave za pridobivanje energije
  • Sončne celice

Izvleček

Življenjska doba nosilca naboja je pomemben parameter v sončnih celicah, saj skupaj z mobilnostjo določa difuzijsko dolžino nosilcev naboja, s čimer neposredno določa optimalno debelino debele plasti naprave. V tem poročilu poročamo o življenjski dobi nosilca naboja v solarnih celicah, napolnjenih z bromom, ravnim metilamonijevim jodidom (MAPbI 3 ), določenimi s prehodno fotonapetostjo. Ustrezna gostota nosilca naboja je bila pridobljena iz ekstrakcije nosilca naboja. Ugotovili smo, da se v sončnih celicah z bromom v primerjavi s čistim MAPbI 3 poveča faktor življenjske dobe s faktorjem ~ 2, 75 pri intenzivnosti osvetlitve, ki ustreza 1 soncu. V sončnih celicah, ki vsebujejo brom, poleg tega opazujemo nenavadno veliko vrednost ekstrahiranega naboja, za katerega sklepamo, da izvira iz mobilnih ionov.

Uvod

Orgometalne halogenidne perovskitne sončne celice imajo izredno dobre vrednosti učinkovitosti pretvorbe energije (PCE), ki v laboratoriju 1 že presegajo 20%. Ker so po naravi kristalni absorbtorji perovskita, imajo prednosti vrhunskih transportnih lastnosti nosilca naboja, ki vodijo do visoke mobilnosti nosilca naboja, kot tudi impresivne dolžine difuzije 2, 3, 4, 175 µm v enotnih kristalih CH3NH3PbI3, gojenih z raztopino. Science 347, 967–970 (2015). "Href =" / Članki / srep39333 # ref5 "aria-label =" Referenca 5 "> 5. Kljub temu lahko njegova zapletena kristalna zgradba in sestava kristalne enote celice povzroči rešetke. izkrivljanje in meje zrn, kar na koncu privede do raztresenja in ujemanja. Življenjska doba nosilca naboja je eden najpomembnejših ključnih parametrov v sončni celici. V kombinaciji z mobilnostjo nosilca naboja določa difuzijsko dolžino in s tem verjetnost fotogeneracije nosilec naboja doseže do ustrezne elektrode Na splošno naj bi okvare v kristalni strukturi skrajšale življenjsko dobo fotogeneriranih nosilcev naboja v absorberju, ker dodatne poti rekombinacije pospešijo izgubo odvečnih nosilcev. Zadnje publikacije kažejo, da so takšne okvare večinoma ki se nahaja na mejah zrn 6, 7 ali na površini kristala perovskita 8, zato lahko oblikovanje morfologije s predelavo filma in kemično sestavo vpliva na t rekombinacijo nosilca napolnil v absorberju, kar je pripomoglo k doseganju visoko zmogljivih perovskitnih sončnih celic 9, 10, 11 . Večina doslej predstavljenih rekombinacijskih študij se je osredotočala na perovskitne filme ali kristale z uporabo fotoluminiscenčne (PL) 7, 12, 13, Terahertz (THz) spektroskopije 14 ali mikrovalovne fotoprevodljivosti (TRMC) 14, 15, 16, le nekaj pa jih ima preučevane življenjske dobe nepopolnih naprav s sončnimi celicami 17, 18 . Pomembno je opozoriti, da niso vse eksperimentalne tehnike sondirajo enake življenjske procese. V časovno razrešenih PL meritvah na filmih je sevalna rekombinacija fotogeneriranih nosilcev naboja pogosto sondirana pri visokih gostotah vzbujanja, TRMC je občutljiv na nosilce hitrih polnjenj, ki jih poganjajo visokofrekvenčna električna polja in tudi tehniko na osnovi laserskega impulza, medtem ko pri prehodni fotonapetosti ( TPV) se neposredno spremlja ustrezna življenjska doba fotogeneriranih nosilcev, ki definirajo fotonapetost sončne celice.

Tu poročamo o kinetiki rekombinacije nosilca naboja v planarnih organometalnih halogenidnih perovskitnih sončnih celicah z različno stopnjo vsebnosti broma. Kinetika nosilca polnjenja se preizkusi s kombiniranjem TPV, identificiranjem življenjske dobe nosilca polnjenja in odvzemom nosilca polnjenja (CE), določitvijo gostote nosilca naboja v napravi pod enakimi in sončnimi pogoji. Eksperimentalne tehnike TPV in CE so bile uporabljene že prej, da bi določili kinetiko rekombinacije nosilca naboja v tanko filmskih sončnih celicah, kot so sončno celice, občutljive na barvilo 19, organske sončne celice 20, 21, 22, 23, 24 in nedavno v mezoporoznih sončnih celicah s perovskitom 18 . V tej raziskavi se osredotočamo na vpliv vsebnosti broma na življenjsko dobo in gostoto nosilcev naboja v planarnih halogenidskih sončnih celicah. Razkrivamo neposredno povezavo med količino broma in življenjsko dobo naboja. Poskusi CE so na daljših časovnih razredih v sončni celici z največ vsebnostjo broma dali anomalijsko velik signal, kar je privedlo do rekombinacijskega toka J rec , ki je večji od toka kratkega stika J sc na 1 soncu. To predhodno dodelimo morebitnemu prispevku mobilnih ionov.

Rezultati in razprava

Za preučevanje vpliva različnih razmerij brom-jod smo spreminjali predhodnike v dobro uveljavljenem interdifuzijskem pristopu. Izhajajoč iz PbI2 in metilamonijevega joda (MAI), je bil v perovskitno rešetko vnesen brom z nadomeščanjem soli z MABr ali PbBr 2 (MAPb (I 1- x Br x ) 3 ). Več podrobnosti o konfiguraciji vzorca in pripravi je na voljo v poskusnem delu. Vpliv različnih predhodnih raztopin na topografijo filma in površinsko kristalnost je bil najprej analiziran s skeniranjem elektronskega mikroskopa (SEM). Slika 1a-c) prikazuje površine MAPbI 3 (a), MAPb (I 1- x Br x ) 3 (MABr) (b) in MAPb (I 1- x Br x ) 3 (PbBr 2 ) (c). Slike prikazujejo gladke plasti perovskita, sestavljene iz posameznih kristalov s premerom med pod µm in 500 µm , kar naredi film, ki ni skoraj brez luknjic. Z meritvami rentgenske difrakcije (XRD) (dopolnilne informacije, slika S1) smo razjasnili vpliv različnih raztopin predhodnikov na vsebnost broma. V primerjavi s čistim MAPbI 3 se razdalja rešetke zmanjša z uporabo MABr in PbBr 2 . S tem pristop s predhodnikom PbBr 2 vsebuje najvišje razmerje med bromom in jodom 25 . Po navedbah Noh et al . in Gil-Escrig in sod . vsebnost broma v mešanih halogenidnih perovskitih smo ugotovili z določitvijo pasovne reže plasti z optičnimi absorpcijskimi meritvami (dopolnilne informacije, slika S2) 26, 27 . V primeru MAPb (I 1 - x Br x ) 3 (MABr) x je bilo izračunano na 0, 29, medtem ko je bilo pri MAPb (I 1 - x Br x ) 3 (PbBr 2 ) x določeno kot 0, 54. Zato bomo te plasti skrajšali kot MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 in MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 . Fotovoltaično delovanje vsake sestave smo analizirali z merjenjem značilnosti J – V. Perovskitna plast je bila zasuta med ravninskimi transportnimi materiali, in sicer PEDOT: PSS, ki deluje kot luknjač za izbiro lukenj, in kombinacijo PC 60 BM, C 60 in BCP, ki deluje kot zaporedje elektronskih selektivnih plasti in Au kot zgornja elektroda. Slika 1d) prikazuje krivulje J – V za najučinkovitejše naprave, merjene s hitrostjo skeniranja 463 mV / s pri osvetlitvi AM1.5 G. Vse sončne celice kažejo zelo majhno histerezo, zato so PCE pregledi naprej in nazaj primerljivi in ​​kažejo spodobno zmogljivost s PCE med 8–13% za vse raziskane naprave. Vpliv dopinga broma je očiten v povečanem V oc od 0, 882 V do 1, 113 V, ki se večinoma lahko dodeli povečani vrzeli celic, ki vsebujejo brom 28 . Ko se je J sc hkrati zmanjšal z 18, 3 mA / cm 2 (MAPbI 3 ) na 12, 1 mA / cm 2 (MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 ) (parametri iz povratnega skeniranja), se skupni PCE rahlo zmanjša. Upoštevajte, da lahko nadaljnja optimizacija ustrezne debeline sloja perovskita povzroči povečanje J sc . Tu smo namenoma uporabili iste parametre za pripravo celic.

Image

SEM slike ( a – c ) in fotovoltaična zmogljivost ( d ) različnih plasti perovskita. ( a ) Prikaže MAPbI 3, ( b ) predstavlja MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3, narejen prek predhodnika MABr. V ( c ) se je vsebnost broma povečala z uporabo PbBr 2 namesto MABr.

Slika v polni velikosti

Za preučevanje dinamike rekombinacije nosilca naboja se tehnike TPV in CE uporabljajo v skladu s predhodno opisano metodologijo 22 . Normalizirani prehodni prehodi za tri naprave so prikazani na sliki 2a), izmerjeni v osvetlitvenih pogojih, enakovrednih 1 soncu. Za določitev življenjske dobe razpadanja motenj je bil signal opremljen z eno samo eksponentno funkcijo. Vendar pa se trenutno razpravlja o tem, ali je en sam kristal 175 μm v raztopini, gojenih z raztopino CH3NH3PbI3. Science 347, 967–970 (2015). "Href =" / članki / srep39333 # ref5 "aria-label =" Referenca 5 "> 5, 10, 29 ali dvojno 18, 30, 31, 32, 33, 34 eksponentno prileganje je treba uporabiti v sončnih celicah s perovskitom. Opozarjamo, da so skoraj vse skupine, ki uporabljajo dvojno eksponencialno funkcijo, preiskovale razporeditev mezoporoznih naprav, ki so imele skupni titanov dioksid (TiO 2 ). To bi lahko bil znak, da izvor razpada s dve značilni življenjski dobi je treba dodeliti prisotnost TiO 2. ogrodja in ne nujno samega perovskita, Lee in sodelavci pa so hitro komponento pripisali rekombinaciji v aktivni plasti in počasni komponenti rekombinaciji poti v TiO 2 33 . prav tako je mogoče predvideti, da je prevoz naboja v sloju TiO 2 odgovoren za počasen značilni čas 32, saj je dokazano, da se transport zgodi hitreje v perovskitu v primerjavi s TiO 2 35. Pri naših meritvah na ravninskih sončnih celicah perovskita brez odrov TiO 2, nismo opazovali e dve časovni komponenti v dveh zaporedjih napetosti in podatki so lahko vedno opremljeni z eno samo eksponentno funkcijo (rdeče črtkane črte na sliki 2a)). V primeru MAPbI 3 lahko življenjsko dobo pod 1 sončno osvetlitvijo ozadja izračunamo na 0, 39 μ s, za MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 pa 0, 56 μ s, za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 pa 1, 07 μ s. Vstavljanje slike 2a) prikazuje temni tok za tri naprave v pol-logaritmični ploskvi. Jasno je, da naprava MAPbI 3 posluša najvišjo odpornost proti ranžiru od vseh preiskovanih sončnih celic s prehodom iz šanta v eksponentni režim okoli 500 mV. Pomembno je opozoriti, da je treba eksperimentalne preskuse TPV izvajati v režimu eksponentne diode sončne celice, da se pravilno preuči lastnosti razsutega materiala aktivne plasti, namesto da se izgube rekombinacije prek parazitskih preusmeritvenih poti 36 . Tu smo izvedli meritve v območju od 0, 0056 do 2 sonca s tem, da smo spremenili tok LED in uporabili različne filtre nevtralne gostote. Ta razpon svetlobne jakosti je privedel do ustreznih vrednosti V oc v razponu od 692 mV do 856 mV za napravo MAPbI 3, očitno v režimu eksponentne diode. Nasprotno pa smo za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 dobili tudi napetosti v odprtem krogu, na katere je že vplival režim premera (<800 mV) v območju spodnje intenzitete osvetlitve in jih zato izključili iz ocenjevanja. Slika 2b) prikazuje izračunane vrednosti življenjske dobe τ v odvisnosti od uporabljene intenzitete osvetlitve. Po pričakovanju povečanje gostote nosilca naboja n vodi do zmanjšanja τ . To velja za vse tri raziskane vrste sončnih celic. Za MAPbI 3 je τ ugotovljeno, da je v območju 0, 2–43, 2 µs. Preučevanje sončnih celic MAPbI 3, Xiao in sod . poročali o življenjski dobi 1, 7 µs pri 0, 3 osvetlitvi sonca 29, kar je zelo blizu vrednosti, pridobljenim v tem delu za MAPbI 3 pod enakimi pogoji. Z dopingom broma absorbatorja perovskita se življenjska doba nosilca naboja poveča v preučenem območju intenzitete osvetlitve: 0, 36–72, 5 μ s za MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 in 0, 53–35, 02 µ s za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 napravo.

Image

( a ) TPV razpade pri intenzivnosti osvetlitve ozadja 1 sonca za tri različne naprave, merjene pri 300 K. Enojni eksponencialni prilepi so prikazani kot črtkane črte. Vstavitev: temni tok ustreznih sončnih celic, prikazan v dnevniku. zaplet. Prehodi od območja, ki je omejeno s šantom, do diodnega eksponentnega vedenja so označeni s črtkanimi črtami. ( b ) Izračunana življenjska doba TPV kot funkcija intenzitete osvetlitve.

Slika v polni velikosti

Za oceno možnega vpliva velikosti domene na τ so bile izvedene dodatne meritve z uporabo amonijevega klorida (NH 4 Cl) in 1, 8-diiodooktana (DIO) kot dodatkov v raztopini PbI 2 37, 38 za upočasnitev kemijske reakcije z MAI in povečajte velikost domene. V tem primeru se poveča samo velikost domene MAPbI 3, ne da bi spremenili strukturo rešetke. Slika SEM, ki jo dobite v zgornjem delu, je navedena v dopolnilnih informacijah (slika S3), ki prikazuje povečano velikost kristalnih domen. Rezultati meritev TPV na teh napravah so povzeti na sliki S4 v dodatnih informacijah, ki prikazujejo povečanje τ s kristalno velikostjo domene s faktorjem ~ 1, 18 na 1 sonce. Kot je prikazano na sliki 1a-c), razmerje med bromom in jodom vodi do majhnega povečanja velikosti kristalne domene. Z dodajanjem broma perovskitni rešetki z uporabo PbBr 2 se življenjska doba na 1 soncu poveča za faktor ~ 2, 75, kar je bistveno večje od vpliva samo na velikost kristalne domene. Možni sta dve razlagi za podaljšano življenjsko dobo nosilca polnjenja. Zaradi dopinga broma v MAPbI 3 se število naraščajočih globinskih stanj, ki delujejo kot rekombinacijski centri, zmanjšuje s povečanjem vsebnosti broma. V tem primeru se življenjska doba učinkovitega nosilca naboja, ki je vsota vseh obstoječih mehanizmov rekombinacije, poveča zaradi zmanjšanja rekombinacije Shockley-Read-Hall (SRH). Drugič, kar je bolj verjetno, da se zaradi vključitve broma v rešetko MAPbI 3 ustvari več napak, ki so po naravi plitve in delujejo kot pomožne snovi za rešetko MAPbI 3 . V nasprotju s stanji globokih lovilcev na sredini vrzeli plitke pasti blizu prevodnega ali valenčnega pasu polprevodniških delno nosilcev polnjenja, ki jih je treba nato sprostiti nazaj v pas, preden se lahko ponovno sestavijo. V tem primeru bi se življenjska doba učinkovitega nosilca napolnjenosti podaljšala, saj bo dogodek zapiranja in sproščanja upočasnil dejanski postopek rekombinacije, kar vodi do zmanjšane rekombinacije drugega reda. Vendar pa upoštevamo, da iz danega niza eksperimentov ne moremo ugotoviti resničnega izvora podaljšane življenjske dobe naboja. Pred kratkim sta Yang in sod . dokazali so, da zdravljenje z MABr s filmom MAPbI 3 s slabo kakovostjo privede do izboljšanja kristalnosti in celotnega PCE 39 . Sončne celice, ki so bile obdelane z MABr, so se izpopolnile v izboljšanih lastnostih nabiranja in površinske pasivizacije, ki so bile morda povezane z zmanjšanim stanjem okvar. To močno podpira naša eksperimentalna opazovanja.

Izvedba poskusov CE v enakih pogojih kot TPV nam omogoča, da določimo ustrezno gostoto nosilca naboja n pri vsaki intenzivnosti osvetlitve ozadja in ga nato povežemo z življenjsko dobo nosilca naboja τ . To je mogoče, saj so meritve potekale pri enaki intenzivnosti osvetlitve in gostota nosilca naboja je neposredno povezana z V oc 17 . Slika 3a) povzema signale toka CE (trdne črte) in njihove ustrezne integrale (črtkane črte) za preučene sončne celice. Naprave so bile določen čas (<1 s) osvetljene z enim soncem, da so dosegle enakomerno stanje, preden izvlečemo fotogenerirane nosilce naboja. Dobljene življenjske dobe nosilca naboja iz TPV, narisane glede na gostoto nosilca iz CE, so prikazane za tri perovskite na sliki 3b). Življenjska doba se zmanjšuje z naraščanjem n, kot je bilo pričakovano za rekombinacijo drugega reda, o čemer pogosto poročajo v literaturi pri visoki intenzivnosti osvetlitve 14, 30 . Pri 1 sončni osvetlitvi je bila izračunana gostota nosilnosti naboja 9, 4 ⋅ 10 21 m −3 v primeru MAPbI 3, 2, 4 ⋅ 10 22 m −3 za MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 in 5, 9 ⋅ 10 22 m −3 za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 . Nedavno sta O'Regan in sod . poročali o nenavadni gostoti nosilca naboja, dobljeni s tehniko CE v mezoporoznih solarnih celicah MAPbI 3 18 . Avtorji so identificirali velik ekstrakcijski tok v časovnih lestvicah, ki traja nekaj sekund, kar bi ustrezalo zelo visoki količini nabojev, shranjenih v napravi, in jo pripisali morebitnemu prispevku mobilnih ionov. Tu nismo opazili takšnega vedenja niti za našo ravninsko konfiguracijo naprave MAPbI 3 ali MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 . Odstranjevanje polnjenja za te naprave je končano že po 10 - 5 s do 10 - 4 s, nadaljnja integracija pa ne povzroči nobenega povečanja količine izvlečenih pristojbin. Vendar MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 prikazuje veliko daljši signal in ustrezni naklon integralne vrednosti postane približno konstanten v več zaporedjih velikosti v času (glej sliko 3a)). Poleg tega se s povečanjem vsebnosti broma hitrost odvajanja naboja zmanjšuje, saj se višina vrha zmanjša in sesanje upočasni. Po O'Regan in sod . Smo naknadno izračunali rekombinacijski tok J rec , pri čemer smo upoštevali izvlečen naboj Q (V oc ), ustrezno življenjsko dobo τ (V oc ) iz TPV in naklon s od τ (V oc ) nasproti n (V oc ) ploskve (slika 3b)) 18 . Pri V oc je stopnja ustvarjanja naboja enaka stopnji rekombinacije. Ker iz V oče iz naprave ne teče noben zunanji tok, mora biti rekombinacijski tok J rec enak fototoku J ph , ki je najbolje približen toku kratkega stika J sc . Za napravo MAPbI 3 je mogoče vse podatkovne točke namestiti s konstantnim naklonom 3.1. Nasprotno pa je za mešane halogenidne perovskite sama odvisna od gostote naboja. Tako se za perovskite, ki vsebujejo brom, namesto tega osredotočimo izključno na višjo intenzivnost osvetlitve, da lahko sklepamo vsaj pri približno dejanskih delovnih pogojih. Tu dobimo pobočja nad 5 za MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 in MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 . Izračun J rec iz sedanjih podatkov nas na koncu pripelje do naslednjih zaključkov: za MAPbI 3 J rec je primerljiv z J sc, kot je pričakovati v pogojih odprtega kroga 18 . V primeru MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 in MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 je določen J rec 50% večji od J sc za 1 sonce, kar se zdi precej nefizično. Intenzivnost osvetlitve pod 1 sončno energijo se izloči po 1 ms za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 (ki se ne popravi s prostornino celice), kar ustreza kapacitivnosti celice), kar ustreza anomalijsko veliki gostoti nosilca naboja okoli 2 ⋅ 10 23 m −3 . To je že približno 7-krat večje kot pri napravi MAPbI 3 . Za nadaljnjo analizo tega nepričakovanega vedenja podrobneje pogledamo dejanski signal CE. Slika 3c) povzema CE-signale za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 za več intenzitete osvetlitve od 0, 0056–2 sonca. Opažamo, da se vrh ekstrakcije nahaja na istem položaju za vse intenzitete. Po prvem hitrem začetnem razpadu (3 ⋅ 10 −7 s – 2 ⋅ 10 − 6 s) pa se začne očitati druga počasnejša ekstrakcija. Izračunali smo čas, ki je potreben za dokončanje pridobivanja polnjenja, da bi zadostili zahtevi J sc ≈ J rec . Ta čas je na sliki 3c označen s črno črtkano črto. Zanimivo je, da zadene točno časovni razpon, v katerem je počasna komponenta začela biti vidna. Nadalje, ob upoštevanju slike 3a) postane očitno, da ustreza tudi časovnemu razponu, ko je ekstrakcija končana za napravo MAPbI 3 . Dolg časovni razpon drugega ekstrakcijskega dela torej kaže na prispevek, ki se razlikuje od elektronov in lukenj. Za pregled njegovega izvora smo izvedli meritve CE v temi s povratno pristranskostjo v območju od –0, 35 V do – 0, 05 V in napolnili naboj s prehodom na J sc . Pri teh napetostih skozi napravo teče zanemarljiv tok. Dobljeni CE signal, prikazan na sliki 3d), je posledica nabojev, shranjenih na elektrodi, zaradi uporabljenih povratnih pristranskosti. Po prvem začetnem vrhuncu začne počasi komponenta prevladati v signalu pri ~ 2 μs. Dejstvo, da se to dogaja istočasno kot pri signalih CE ob osvetlitvi, pomeni, da ima isti izvor. Odkrili smo tudi, da je rep signala CE viden v celotnem območju intenzitete osvetlitve in temnega, zato ga ne povzročajo sami fotogenerirani nosilci naboja. Iz teh raziskav sklepamo, da so fotogenerirani elektroni in luknje odgovorni za signal CE pred 2 µs, medtem ko drugi postopek povzroča rep signala CE na daljših časovnih lestvicah. Tu želimo izključiti učinek dipolne preusmeritve, ki vodi do tega repa. Chen in sod . pokazali, da so značilni sprostitveni časi vrtenja organskega kationa v vrstnem redu pikosekund, kar je v nasprotju s opaženimi časovnimi lestvicami v CE (> 10 -7 s) 40 . Verjetnejša razlaga tega vedenja pa je lahko migracija mobilnih ionov. Dokazali so jo Eames et al . da lahko prosta delovna mesta z jodidnimi ioni povzročijo ionski transport v perovskitu, kar ima za posledico pojave, kot je pogosto opazovana histereza napetosti 41 . Vključitev signala CE, ki izvira iz fotogeneriranega elektrona in lukenj, lahko privede do precenjevanja gostote ekstrahiranega naboja, kot so opazili O'Regan in sodelavci 18 . Poudarjamo, da tudi v napravi MAPbI 3 ne izključujemo komponente počasnega časa, vendar je njen vpliv v primerjavi z napravami za brom veliko manjši.

Image

( a ) CE signal (leva os) in integral (desna os) za tri raziskane naprave po osvetlitvi z 1 soncem. ( b ) Načrtovana življenjska doba TPV glede na gostoto nosilnosti naboja, določeno s CE. ( c ) CE signal MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 za različne intenzivnosti osvetlitve. ( d ) CE signal v temi, realiziran z uporabo negativnih napetosti pred prehodom na pogoje kratkega stika.

Slika v polni velikosti

Zaključek

Za zaključek smo izvedli TPV in CE meritve na ploščatih organometalnih halogenidnih perovskitnih sončnih celicah z različnim dopingom broma z uporabo različnih materialov predhodnika med interdifuzijskim pristopom. Pri intenzivnosti osvetlitve 1 sonce smo opazili povečano življenjsko dobo nosilca naboja z 0, 39 μs za napravo MAPbI 3 na 1, 07 μs za MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 . Navajamo dve možni razlagi povečanja življenjske dobe. Prvič, zmanjšanje števila stanj globokih pasti, kar vodi do manj rekombinacijskih centrov SRH. Drugič, kar je bolj verjetno, brom deluje kot pomožno sredstvo, ki na rešetko MAPbI 3 vnese plitve napake, kar lahko pripelje do zmanjšane rekombinacije drugega reda in s tem podaljša življenjsko dobo nosilca zaradi dogodkov zapiranja in sproščanja nosilca. Pri meritvah CE smo opazili odstopanje med rekombinacijskim tokom J rec in J sc sončne celice z največjo vsebnostjo broma. Medtem ko čista sončna celica MAPbI 3 prikazuje signal CE, ki je nasičen po 0, 1 ms, kar vodi do primerjave J rec z J sc , naprava z največjo vsebnostjo broma kaže na nenavadno vedenje. Pridobljeni naboj še vedno narašča po 1 ms, kar vodi do nenavadno velike vrednosti gostote ekstrahiranega polnjenja, ki se po J sc ne strinja s pričakovano vrednostjo. Odkrili smo, da je ta nenehno rastoči signal CE viden tudi v temi ob vzvratni pristranskosti. V tem primeru solarna naprava deluje kot kondenzator in zaznajo samo nosilce naboja, shranjene na elektrodah. To dodelimo migraciji ionov zaradi zunanje uporabljenega električnega polja, ki prispeva k iztisnjenemu signalu polnjenja, česar v čisti napravi MAPbI 3 ni mogoče opaziti.

Metode

Sončne celice so izdelane na steklenih podlagah, prekritih z indijskim kositrom (ITO). Poli (3, 4-etilendiokstiofen): poli (stirenesulfonat) (PEDOT: PSS) je bil spiralno prevlečen, da nastane plast za transport lukenj (HTL) z debelino približno 35 nm. Perovskitni filmi so bili sintetizirani po znanem dvostopenjskem interdifuzijskem postopku 42 . V primeru MAPbI 3 smo uporabili PbI 2 (400 mg / ml), raztopljenega v N, N-dimetilformamidu (DMF) in CH3NH3I (MAI) (40 mg / ml), raztopljenem v 2-Propanolu (2-Prop .). Po vrtenju prevleke z raztopino svinčeve soli se je substrat 15 minut žaril pri 70 ° C. Nato smo MAI prevleko zavrteli in segrevali pri 100 ° C 90 minut, da je nastala aktivna plast. Za vnos broma v kristal perovskita smo uporabili MABr in PbBr 2 . Kulkarni in sod . že dokazali možnost nastavitve pasovne vrzeli z različnimi predhodniki predhodnikov 43 . Da bi spremenili razmerje med bromom in jodom v filmu, smo sintetizirali dve različni seriji sončnih celic: Najprej zmes 1: 1 (molsko razmerje) MAI / MABr (20 mg / ml v 2-prop.) nanesli namesto čistega MAI na posušeni sloj PbI 2 . Takšne naprave so označene kot MAPb (I 0, 71 Br 0, 29 ) 3 (razmerje med bromom in jodom je bilo določeno z optičnimi absorpcijskimi meritvami. Dodatne informacije Slika S2). Za povečanje vsebnosti broma smo namesto PbI 2 uporabili PbBr 2 (400 mg / ml v dimetilsulfoksidu, DMSO). Nato je bil drugi korak izveden analogno kot pri MAPbI 3 . Sončne celice, izdelane s tem pristopom, so okrajšano kot MAPb (I 0, 46 Br 0, 54 ) 3 . Po tvorbi perovskitne plasti je bil PC 60 BM predenje iz raztopine 1, 2-diklorbenzena (DCB) (20 mg / ml) in 60 minutno žarjenje pri 100 ° C. V zadnjem koraku smo podlage prenesli v uparjalno komoro, da bi nanesli plasti C60, Bathocuproin (BCP) in zlato (Au).

Karakterizacija toka in napetosti je bila izvedena v inertni atmosferi z uporabo enote za merjenje virov Keithley 237 (SMU) in solarnega simulatorja AM1, 5 G (LOT-Oriel), ki je umerjeno na 100 mW / cm 2 (1 sonce).

Meritve prehodne fotonapetostne napetosti (TPV) so bile izvedene v zaprtem kriostatu s kontaktnim helijem brez izpostavljenosti zunanjemu zraku z uporabo 10 W bele LED luči za osvetlitev pristranske svetlobe. Sončne celice smo hranili v odprtem krogu z impedanco 1, 5 GΩ. Impulzni Nd: YAG laser ( λ = 532 nm vzbujevalni impulz, 80 ps) zagotavlja majhno optično vznemirjenje, ki ustvarja dodatne nosilce naboja v napravi. Napetostni prehod je bil nato zabeležen z digitalnim osciloskopom za shranjevanje (Agilent Infinium DSO90254A).

Meritve ekstrakcije polnila (CE) so bile izvedene v istem kriostatu neposredno po TPV. Vnaprej izmerjena napetost v odprtem vezju se na sončno celico uporablja z dvojnim impulznim generatorjem (Agilent 81150 A) pod stalno LED osvetlitvijo. Sprožen z generatorjem dvojnih impulzov se je LED ugasnila s skrajšanjem vira konstantnega toka (Keithley 2602) s tranzistorjem velike moči. Nastali prehodni tok smo spremljali z zgoraj omenjenim digitalnim osciloskopom. Integrirani naboj je bil nato popravljen z učinkom kapacitivnosti. Za izračun gostote nosilca naboja je bil uporabljen Veeco Dektak 150 Profilometer za določanje debeline aktivne plasti. Da bi spremenili intenzivnost osvetlitve ozadja za tri vrstne širine (0, 0056 sonca –2 sonca), smo LED-tok nadzirali v kombinaciji z različnimi filtri nevtralne gostote. 1 sončni ekvivalent je opredeljen s svetlobnim tokom, ki ustreza isti gostoti kratkega stika Jsc sončne celice, kot je bila predhodno izmerjena s sončnim simulatorjem.

Dodatne informacije

Datoteke PDF

  1. 1.

    Dodatne informacije

Pripombe

Z oddajo komentarja se strinjate, da se boste držali naših pogojev in smernic skupnosti. Če se vam zdi nekaj zlorabe ali ne ustreza našim pogojem ali smernicam, označite to kot neprimerno.