L'oxyde de graphène réduit traité par UV-ozone améliore la couche de transport de trous PEDOT:PSS dans les cellules solaires pérovskites inversées

Résumé

Les cellules solaires pérovskites à structure plane inversée offrent une fabrication à basse température, à faible coût et une hystérésis réduite par rapport aux architectures conventionnelles n-i-p. La performance des cellules repose sur la qualité de la couche de transport de trous (HTL). Nous démontrons ici un traitement vert par UV-ozone qui améliore l'hydrophilie de l'oxyde de graphène réduit (rGO) tout en préservant sa conductivité électrique élevée. Le rGO traité est mélangé au PEDOT:PSS pour former une HTL modifiée. Les dispositifs fabriqués avec cette couche rGO/PEDOT:PSS atteignent un rendement de conversion de puissance (PCE) de 10,7 %, avec une densité de courant de court-circuit (J_SC) de 16,75 mA cm^–2, une tension de circuit ouvert (V_OC) de 0,87 V et un facteur de remplissage (FF) de 75 %. Cela représente une amélioration de 27 % par rapport aux cellules utilisant du PEDOT:PSS pur, attribuée à la surface plus lisse et à la mobilité des trous améliorée de la couche dopée au rGO.

Contexte

Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont devenues un matériau photovoltaïque de premier plan, avec des PCE passant de 3,8 % à 22,1 % en une décennie, surpassant les cellules au silicium cristallin. Cependant, le recuit à haute température requis pour les cellules n-i-p traditionnelles limite leur application sur substrats flexibles. La structure inversée p-i-n, rapportée pour la première fois par Guo et al. en 2013, place un matériau de transport de trous (HTM) sous la couche pérovskite, suivi d'un matériau de transport d'électrons (ETM). Cette architecture simplifie le traitement, réduit l'hystérésis et améliore le facteur de remplissage. Malgré les progrès dans le développement des HTL et ETL, l'efficacité des cellules inversées reste inférieure à celle des dispositifs conventionnels.

Le graphène et ses dérivés offrent une conductivité, une transparence et une stabilité environnementale exceptionnelles, les rendant attractifs pour la modification des HTL. Pourtant, le rGO commercial a tendance à s'agglomérer dans les milieux aqueux en raison de groupes hydrophiles limités, tandis que l'oxyde de graphène (GO) souffre d'une faible conductivité. Un rGO traitables en solution qui équilibre dispersibilité et conductivité est donc souhaitable. Dans ce travail, nous présentons un protocole UV-ozone facile et respectueux de l'environnement qui introduit des groupes hydroxyle et carboxyle sur le rGO, permettant une dispersion aqueuse stable sans compromettre ses propriétés électriques. L'incorporation de ce rGO traité dans le PEDOT:PSS produit une HTL haute performance pour les cellules pérovskites inversées.

Méthodes/Expérimental

Produits chimiques

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99 %), DMF anhydre (99,8 %), chlorobenzène (CB, 99,8 %) ont été achetés chez Sigma-Aldrich. PC₆₁BM (> 99 %) et BCP (> 99 %) ont été obtenus auprès de Xi'an Polymer Light Technology Corp. Le rGO a été synthétisé selon le protocole de Y.F. Chen.

Préparation des solutions

Cinq milligrammes de rGO ont été placés dans une boîte de Pétri en quartz et soumis à une exposition UV-ozone (270 W) pendant 2 h. Le rGO traité a été récupéré et dispersé dans l'eau déionisée à une concentration de 1 mg mL^–1 par ultrasons. Pour préparer la HTL, des solutions de rGO (rapports volumiques 0,1, 0,2 et 0,3 v/v) ont été mélangées au PEDOT:PSS à température ambiante, agitées toute la nuit et filtrées à travers des filtres PTFE de 0,45 µm.

Le précurseur pérovskite a été préparé en dissolvant MAI et PbI₂ (rapport molaire 1:1) dans le DMF (40 % en poids) à 60 °C pendant 24 h, puis filtré à travers des filtres PTFE de 0,45 µm.

Fabrication des dispositifs

Les cellules inversées ont été assemblées sur ITO (1,5 × 1,5 cm²) selon une séquence de centrifugage : ITO/PEDOT:PSS/rGO/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. Les substrats ITO ont été nettoyés à l'acétone, à l'isopropanol et à l'eau. La couche rGO/PEDOT:PSS a été centrifugée à 4000 tr/min pendant 40 s, puis recuite à 150 °C pendant 10 min dans l'air. La couche pérovskite a été déposée par centrifugage en une étape de la solution DMF à 40 % (4000 tr/min, 40 s), suivi d'un dépôt rapide de 70 µL de CB 6 s dans le film humide. Les films ont été recuits à 110 °C pendant 30 min sous N₂. PC₆₁BM (20 mg mL^–1 dans CB) a été centrifugé à 3000 tr/min pendant 40 s, puis BCP (solution saturée dans IPA) à 2000 tr/min pendant 30 s. Finalement, 100 nm d'Ag ont été évaporés.

Caractérisation

La XPS a été réalisée sur un spectromètre ESCALAB 250 pour évaluer les groupes fonctionnels. Les diagrammes XRD des films pérovskite ont été enregistrés sur un diffractomètre haute résolution Bede. L'AFM (SPI3800) a fourni la morphologie de surface. Les caractéristiques courant-tension (J-V) ont été mesurées avec un Keithley 2400 sous illumination AM 1.5 G (100 mW cm^–2) d'un simulateur solaire ABET SUN 3000.

Résultats et discussion

La figure 1 illustre le contraste optique entre les dispersions de rGO non traité et traité UV-ozone. Le rGO traité se disperse uniformément, témoignant de l'introduction de groupes –OH et –COOH hydrophiles sans oxydation complète, comme le confirme la couleur noire préservée versus le brun du GO.

Les spectres XPS (figure 2) montrent une intensité accrue des pics C–O et C–(O)–OH après le traitement UV-ozone, confirmant la fonctionnalisation réussie tout en maintenant le réseau sp².

La cristallinité de la pérovskite a été sondée par XRD (figure 3). Les deux films sur PEDOT:PSS pur et rGO/PEDOT:PSS affichent des pics caractéristiques à 14,14°, 28,08° et 31,86° (plans 110, 220, 310). Les pics plus nets pour la HTL modifiée au rGO indiquent une cristallinité accrue, corrélée à un meilleur transport de charge.

L'AFM (figure 4) révèle une légère augmentation de la rugosité RMS de 1,15 nm (PEDOT:PSS pur) à 1,27 nm (rGO/PEDOT:PSS). Ce léger rugueux peut favoriser la croissance des grains de pérovskite, soutenant les observations XRD.

La performance des dispositifs (figure 5) montre que la HTL rGO/PEDOT:PSS à 0,2 v/v offre les meilleures métriques : V_OC = 0,87 V, J_SC = 16,75 mA cm^–2, FF = 75 %, PCE = 10,75 %. Comparé au PEDOT:PSS pur (PCE = 8,48 %), cela représente une augmentation de 27 %. Les mesures J-V dans le noir (figure 5b) confirment un courant de fuite réduit, ce qui améliore à la fois V_OC et J_SC en diminuant la résistance série et en supprimant les shunts.

L'analyse statistique de 60 dispositifs (figure 6) confirme la reproductibilité : PCE moyen de 9,7 ± 1,04 % pour les dispositifs dopés au rGO versus 7,65 ± 0,48 % pour le PEDOT:PSS pur. L'amélioration est principalement due à un J_SC plus élevé (15,25 ± 1,8 mA cm^–2) et un FF plus élevé (72,37 ± 2,03 %) plutôt qu'à V_OC.

Conclusions

Nous avons introduit un procédé UV-ozone simple et écologique qui produit un rGO dispersible dans l'eau avec conductivité préservée. Lorsqu'il est mélangé au PEDOT:PSS, ce rGO agit comme un additif à haute mobilité, améliorant la morphologie de surface et réduisant la fuite des dispositifs. Les cellules pérovskites inversées incorporant 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS atteignent un PCE de 10,75 %, une augmentation de 27 % par rapport aux HTL conventionnelles en PEDOT:PSS. Cette stratégie démontre une voie viable vers des cellules solaires pérovskites à haut rendement, traitables en solution, et pourrait être étendue à d'autres dispositifs optoélectroniques.