Effet de l'électrode ITO pulvérisée à angle oblique dans les structures de cellules solaires en pérovskite MAPbI3

Contexte

L'oxyde d'indium et d'étain (ITO) est un matériau conducteur transparent qui comprend de l'oxyde d'indium (In₂ O₃ ) et l'oxyde d'étain (SnO₂ ). Il est largement utilisé dans les écrans à cristaux liquides, les diodes électroluminescentes et les cellules solaires en raison de sa transparence visible d'environ 96% et une conductivité d'environ 10 Ω/sq [1,2,3,4,5]. Plusieurs méthodes pour améliorer la résistance et la transmittance des films ITO ont été étudiées, y compris le recuit et la pulvérisation cathodique avec divers rapports de gaz et pressions de fonctionnement [5,6,7,8]. Les propriétés optoélectroniques des films ITO à pulvérisation oblique ont été rapportées sur [9, 10]. Lorsqu'un film d'ITO est déposé, il se développe sous la forme d'un film avec une structure colonnaire inclinée à un angle sur un substrat, en raison de l'effet d'ombre. Le film d'ITO en colonne présente une morphologie, des propriétés optiques anisotropes et une résistivité anisotropes différentes [10].

Récemment, les cellules solaires avec des matériaux pérovskites, tels que CH₃ NH₃ PbI₃ , en tant que couche active ont suscité beaucoup d'intérêt en raison de leur efficacité de conversion de puissance favorable [11,12,13,14,15,16,17,18]. La plupart des cellules solaires à pérovskite ont comme substrat du verre à oxyde conducteur transparent (TCO), tel que l'ITO ou le FTO (oxyde d'étain dopé au fluor). Cependant, les propriétés optoélectroniques d'un film TCO isotrope diffèrent de celles d'un film TCO anisotrope. Par conséquent, ce travail développe des cellules solaires planaires à pérovskite en utilisant CH₃ NH₃ PbI₃ (MAPbI₃ ) des pérovskites sur des substrats d'ITO obliques qui sont préparés par dépôt à angle oblique (GLAD). Cette enquête examine les propriétés optiques, structurelles et de surface de MAPbI₃ des films de pérovskite sur des substrats d'ITO obliques qui ont été recuits à différentes températures et pulvérisés pendant plusieurs durées. Les relations entre les performances de la cellule solaire à pérovskite et les propriétés des films de pérovskite sont discutées.

Méthodes

Dans cette enquête, le verre ITO a été découpé en petits morceaux de 1,5 × 1,5 cm ² être utilisés comme substrats. Les substrats en verre ITO ont été soigneusement nettoyés à l'aide d'acétone, d'éthanol et d'eau déminéralisée (DI) dans un oscillateur à ultrasons pendant 5 minutes et séchés à l'azote. Un film d'ITO a été déposé sur le substrat de verre d'ITO par pulvérisation à divers angles obliques à l'aide de cibles d'ITO, comme le montre la figure 1a. Le gaz de travail et la pression étaient respectivement de l'argon pur et 5 mTorr. Après dépôt, les films ont été recuits à 300 °C pendant 30 min.

un Coupe transversale schématique de la structure terminée et du système de pulvérisation oblique. b Image FESEM en coupe d'un échantillon avec ITO oblique pulvérisé incliné à 30°

Des substrats de verre recouverts de films ITO pulvérisés obliquement ont été utilisés pour les cellules solaires à pérovskite. Des films PEDOT:PSS ont été préparés en enduisant par centrifugation les substrats de verre ITO obliques à 5 000 tr/min pendant 30 s. Après revêtement par centrifugation, le film a été recuit à 110 °C pendant 10 minutes. La couche de pérovskite a été déposée par spin-coating en deux étapes sur le substrat de verre PEDOT:PSS/oblique ITO à 1000 rpm pendant 10 s et à 5000 rpm pendant 20 s. Au cours de l'étape à 5000 tr/min pendant 20 s, le film de filage humide a été trempé en laissant tomber 100 μl de toluène anhydre dessus. Les solutions de précurseur de pérovskite ont été préparées en utilisant 1,25 mmol de bromure de méthylammonium et 1,25 mmol de PbI₂ (avec une pureté de 99,999 %) qui a été dissous dans 1 mL de cosolvant. Le rapport volumique du diméthylsulfoxyde (DMSO) à la -butyrolactone (GBL) était de 1:1. Après revêtement par centrifugation, le film a été recuit à 100 °C pendant 10 min. Puis [6,6]-phényl-C₆₁ L'ester méthylique d'acide butyrique (PCBM) a été dissous dans du chlorobenzène (20 mg/mL) et déposé par centrifugation sur des couches de pérovskite à 3000 tr/min pendant 30 s, formant un film de 50 nm d'épaisseur en tant que couche de transport d'électrons. Enfin, une électrode en Ag d'une épaisseur de 20 nm a été déposée par évaporation thermique pour compléter la structure du dispositif. L'échantillon a été recouvert d'un masque d'ombre qui a défini une zone active de 0,5 cm × 0,2 cm pendant le dépôt. La figure 1a représente schématiquement la structure complète. La figure 1b montre l'image FESEM en coupe transversale de l'échantillon avec l'ITO à pulvérisation oblique incliné à 30°.

Résultats et discussion

Les microstructures cristallines des films ont été observées à l'aide d'un diffractomètre à rayons X. Un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM) a été utilisé pour observer la morphologie de surface des échantillons. Le courant densité-tension (J –V ) les caractéristiques des cellules solaires ont été mesurées à l'aide d'un compteur à source programmable Keithley 2420 sous irradiation par une lampe au xénon de 1000 W. La densité de puissance d'irradiation à la surface de la cellule a été calibrée à 1 000 W/m ² .

La figure 2 montre les modèles XRD du MAPbI₃ films de pérovskite sur PEDOT:PSS/couche ITO oblique/verre à divers angles obliques. Les quatre pics moyens à 14,28°, 28,5°, 30,61° et 31,93° correspondent à la (110) pérovskite, (220) pérovskite, (110) SnO₂ , et (222) Dans₂ O₃ avions, respectivement. Lorsque l'angle de pulvérisation augmente de 0° à 60°, le (110) SnO₂ est formé par l'incorporation d'atomes de Sn. La taille du domaine cristallin peut être calculée en utilisant l'équation de Scherrer [19]. Les tailles des domaines cristallins du MAPbI₃ les films de pérovskite dans les échantillons sont d'environ 71,8 nm. Par conséquent, les tailles des domaines cristallins du MAPbI₃ les pérovskites ne sont pas affectées par la couche d'ITO oblique.

Modèles XRD de MAPbI₃ films de pérovskite sur PEDOT:PSS/couche ITO oblique/verre pour divers angles obliques

La figure 3 montre des images SEM de MAPbI₃ films de pérovskite sur une couche/verre d'ITO oblique pour divers angles obliques. La taille du grain (ou particule) du MAPbI₃ Les films de pérovskite augmentent avec l'angle de pulvérisation oblique de 0° à 80°, révélant que les propriétés de surface de l'ITO influencent le nombre de sites de nucléation de pérovskite. Étant donné que l'ITO n'est pas en contact direct avec le film mince de pérovskite et qu'un film mince PEDOT:PSS est inséré entre l'ITO et la pérovskite, les propriétés de surface de l'ITO ne devraient pas influencer directement les propriétés des films minces de pérovskite. Par conséquent, la mouillabilité des films minces PEDOT:PSS [20] est liée aux propriétés de surface de l'ITO. Par conséquent, les différentes tailles de grains dans le MAPbI₃ les films de pérovskite peuvent être liés à la mouillabilité du substrat [21, 22]. Des expériences sur l'angle de contact d'une goutte d'eau ont été menées pour évaluer la mouillabilité des films minces PEDOT:PSS sur les différents échantillons d'ITO/verre, comme le montre la Fig. 4. L'angle de contact est proportionnel à la taille des grains dans le MAPbI₃ film mince, indiquant que la nucléation et la croissance cristalline d'un MAPbI₃ le film mince peut être contrôlé en faisant varier la mouillabilité de la surface du PEDOT:PSS/ITO oblique/verre. Des images d'angle de contact des échantillons obliques ITO/verre ont été obtenues pour comprendre la variation de la mouillabilité de surface des échantillons PEDOT:PSS/oblique ITO/verre, comme illustré à la Fig. 5. La mouillabilité du PEDOT:PSS/oblique ITO/ échantillons de verre est inversement proportionnel à la mouillabilité des échantillons obliques ITO/verre, de sorte que les distributions verticales des polymères PSS hydrophiles et des polymères PEDOT hydrophobes peuvent être manipulées en faisant varier la mouillabilité de surface de l'échantillon oblique ITO/verre. Il est suggéré que les polymères PSS soient distribués principalement dans la surface supérieure du film mince PEDOT:PSS lorsque le substrat a une surface hydrophobe (Fig. 5a), ce qui entraîne un petit angle de contact des gouttelettes d'eau sur le film mince PEDOT:PSS (Fig. 4a). Les résultats expérimentaux (XRD et SEM) démontrent que le MAPbI₃ les grains sont multicristallins MAPbI₃ particules [23].

un –d Images SEM de MAPbI₃ films de pérovskite sur PEDOT:PSS/couche ITO oblique/verre pour divers angles obliques

un –d Images qui montrent l'angle de contact de l'eau sur PEDOT:PSS/couche ITO oblique/verre pour divers angles obliques. Angle de contact CA

un –d Images montrant l'angle de contact de l'eau sur une couche/verre d'ITO oblique pour divers angles obliques

La figure 6 présente les spectres de photoluminescence (PL) du MAPbI₃ films de pérovskite sur PEDOT:PSS/ITO oblique/verre pour divers angles obliques. Un pic principal est observé à 768 nm, correspondant à l'émission par MAPbI₃ . La conclusion est appuyée par les résultats de la DRX. L'énergie d'émission PL du MAPbI₃ la pérovskite n'est pas affectée par le dessous de la couche oblique d'ITO. De plus, les différentes intensités PL des films MAPbI3 sur des ITO pulvérisés avec divers angles obliques ont été obtenues à la suite de la séparation de l'exciton induit par la lumière. Une meilleure interface entre le PEDOT:PSS et la pérovskite a permis une meilleure séparation des excitons, induisant un effet de trempe PL plus fort. Par conséquent, l'ITO à un angle oblique de 80° présentait la meilleure séparation d'excitons de la couche de pérovskite au PEDOT:PSS, en raison de la mouillabilité de surface favorable du PEDOT:PSS/ITO oblique, comme le montre la Fig. 4.

Spectres PL de MAPbI₃ films de pérovskite sur PEDOT:PSS/couche ITO oblique/verre pour divers angles obliques

La figure 7 trace la densité de courant-tension (J –V ) courbe des cellules solaires basées sur MAPbI₃ pérovskite avec une couche oblique d'ITO qui est pulvérisée à divers angles obliques et subit un traitement thermique à une température de recuit de 300 °C. Le temps de pulvérisation est de 15 min. Le tableau 1 présente l'efficacité de conversion de puissance résultante (Eff), la densité de courant de court-circuit (J _sc ), tension en circuit ouvert (V _oc ), et le facteur de remplissage (FF) du MAPbI₃ cellules solaires. Les performances de l'appareil se dégradent à mesure que l'angle de pulvérisation de la couche oblique d'ITO augmente, car la teneur en oxygène dans les couches obliques d'ITO et leur résistance augmentent avec l'angle de pulvérisation [10]. Une efficacité maximale peut être obtenue après dépôt à un angle oblique de 30° grâce à la conductivité favorable.

Densité de courant-tension (J –V ) de cellules solaires basées sur MAPbI₃ pérovskite avec couche d'ITO oblique pulvérisée à divers angles obliques

La figure 8 trace la densité de courant-tension (J –V ) courbes des cellules solaires basées sur MAPbI₃ pérovskite avec la couche oblique d'ITO pulvérisée pendant différentes durées de pulvérisation, avant de subir un traitement thermique à une température de recuit de 300 °C. Le tableau 2 présente l'efficacité de conversion de puissance correspondante (Eff), la densité de courant de court-circuit (J _sc ), tension en circuit ouvert (V _oc ), et le facteur de remplissage (FF) du MAPbI₃ cellules solaires. L'efficacité optimale est atteinte lorsque le temps de pulvérisation de la couche oblique d'ITO est de 15 min en raison de l'épaisseur de la couche et de sa bonne conductivité. Le meilleur dispositif est obtenu en utilisant cet angle de dépôt, avec J _SC = 20,46 mA/cm ² , V _OC  = 0,92 V, FF = 60,00 % et Eff = 11,30 %.

Densité de courant-tension (J –V ) de cellules solaires basées sur MAPbI₃ pérovskite avec couche d'ITO oblique pulvérisée pour différents temps de pulvérisation

Conclusions

En résumé, ce travail a démontré les caractéristiques de MAPbI₃ films de pérovskite sur les substrats PEDOT:PSS/ITO/verre à pulvérisation oblique qui ont été fabriqués en utilisant divers temps de pulvérisation et angles de pulvérisation. Les performances de l'appareil ont été optimisées à l'aide d'une couche d'ITO oblique préparée par pulvérisation cathodique à 30° pendant 15 min, avec une densité de courant de court-circuit (J _SC ) = 20,46 mA/cm ² , tension en circuit ouvert (V _OC ) = 0,92 V, facteur de remplissage (FF) = 66,0 % et efficacité de conversion de puissance (Eff) = 11,3 %. Les performances du dispositif se dégradent lorsque l'angle de pulvérisation de la couche oblique d'ITO augmente de 30° à 80° car la résistance du dispositif augmente avec l'angle de pulvérisation. Bien que les couches d'ITO obliques améliorent la diffusion de la lumière incidente, la résistivité élevée dégrade les performances du dispositif. Par conséquent, une efficacité optimale peut être obtenue par dépôt à un angle oblique de 30° en raison de la conductivité.

Abréviations

FESEM :

Microscope électronique à balayage à émission de champ

BON :

Dépôt à angle de vue

ITO :

Oxyde d'indium-étain

J –V :

Densité de courant–tension

MAPbI₃ :

CH₃ NH₃ PbI₃

PEDOT : PSS :

Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate

TCO :

Oxyde conducteur transparent

XRD :

Diffractomètre à rayons X