Effet de différentes morphologies de CH3NH3PbI3 sur les propriétés photovoltaïques des cellules solaires à pérovskite

Contexte

Les films de pérovskite organique ont attiré beaucoup d'attention pour une meilleure efficacité de conversion de puissance dans les cellules solaires de type film mince [1,2,3]. De nombreuses méthodes de croissance ont été développées pour préparer des films de pérovskite. Parmi eux, une méthode en deux étapes est largement utilisée en raison de sa haute qualité de film et de la fiabilité des films résultants [4, 5]. La pérovskite est un matériau polyvalent préparé à partir de composés abondants et peu coûteux, possédant également des propriétés optiques et excitoniques longues uniques, ainsi qu'une bonne conductivité électrique. L'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires à pérovskite est passée de 3,8 à 22,1 % ces dernières années.

Il existe deux méthodes pour préparer les films de pérovskite :les méthodes en une étape et en deux étapes pour CH₃ NH₃ PbI₃ cinéma; la méthode en une étape est que le PbI₂ et CH₃ NH₃ I (MAI) sont mélangés dans un solvant pour former CH₃ NH₃ PbI₃ films, tels que les procédés de solution assistée par flash sous vide, [5] l'ingénierie des solvants, [6] le contrôle de l'humidité, [7, 8] et les précurseurs mixtes [9]. Bien que la méthode en une étape soit la méthode la plus largement utilisée pour préparer les cellules solaires à pérovskite, elle doit dissoudre à la fois les précurseurs organiques et inorganiques, ce qui réduit le contrôle des propriétés du film, notamment l'épaisseur, l'uniformité et la morphologie. La méthode en deux étapes est que le PbI₂ les films ont d'abord été préparés et ont ensuite réagi avec MAI pour former CH₃ NH₃ PbI₃ cinéma. En 2013, Bi et al. [10] ont d'abord montré le PCE de 9,5% en utilisant la méthode en deux étapes. Ils préparent PbI₂ films sur TiO₂ mésoporeux filme le par centrifugation a PbI₂ solution dans le diméthylformamide (DMF). Après séchage, les films ont été plongés dans une solution de MAI dans du 2-propanol pour former du CH₃ de haute qualité. NH₃ PbI₃ films pour les cellules solaires à pérovskite. La même année, Burschka et al. [11] ont montré la certification des cellules solaires à pérovskite préparées par la méthode en deux étapes et ont confirmé une efficacité de conversion de puissance de 14,14 % mesurée dans les conditions de rapport AM1.5G standard. Après cela, de nombreuses études utilisant la méthode en deux étapes pour améliorer le PCE des cellules solaires à pérovskite ont été rapportées [12,13,14,15,16,17,18]. De plus, la stabilité à long terme est importante pour l'application future des dispositifs à pérovskite. Plusieurs nanostructures, comme la couche de carbone [19] et le PEDOT:PSS modifié à l'oxyde de graphène [20], ont été utilisées pour supprimer la dégradation dans le dispositif et améliorer ses performances. Cependant, peu d'études discutent de l'effet de différentes morphologies de surface sur les propriétés photovoltaïques des cellules solaires à pérovskite.

Dans cette étude, nous avons contrôlé la taille des grains et la morphologie de CH₃ NH₃ PbI₃ par différentes concentrations de MAI, recuit et en deux étapes. De plus, il a été trouvé que la morphologie de surface de CH₃ NH₃ PbI₃ les films utilisant de faibles concentrations de MAI ont montré de gros grains de pérovskite, mais la morphologie de CH₃ NH₃ PbI₃ les films utilisant des concentrations élevées de MAI ont montré des grains denses et lisses. L'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules résultantes sur la base des différentes morphologies de pérovskite a été analysée à l'aide de spectres XRD, SEM, spectroscopie d'absorption UV-vis et de photoluminescence (PL). En conséquence, l'efficacité de conversion de puissance de la meilleure cellule a atteint 17,42 %.

Méthodes

Dans cette étude, du verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) en tant que substrat a été découpé en petits morceaux d'une taille de 1,5   × 1,5 cm ² . Les substrats en verre FTO ont été soigneusement nettoyés avec de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau déminéralisée (DI) dans un oscillateur à ultrasons pendant 5 minutes, respectivement, et séchés avec de l'azote. Un TiO₂ compact 50 nm La couche de blocage a d'abord été déposée sur la surface du substrat FTO prénettoyé par la méthode de pyrolyse par pulvérisation à une température de 500 °C, en utilisant une solution d'isopropoxyde de Ti 0,2 M et d'acétylacétone 2 M dans de l'isopropanol. La couche mésoporeuse TiO₂ a été déposé par centrifugation d'une pâte diluée (Dyesol 18NR-T), suivi d'un chauffage à 450 °C. Ensuite, la méthode en deux étapes a été utilisée pour déposer une couche de pérovskite. PbI₂ (Alfa Aesar, pureté 99,9985 %) a été déposé par centrifugation à partir d'une solution à 1 mol/L de PbI₂ dans du diméthylformamide (DMF) qui a été chauffé à 70 °C, avec une vitesse de dépôt par centrifugation de 7000 tr/min. MAPbI₃ a été formé en plongeant la lame dans une solution de 10 mg/mL de MAII dans de l'isopropanol (IPA) avec différentes concentrations pendant 30 s. Après avoir retiré l'excès d'IPA, les films de pérovskite ont ensuite été placés sur une plaque chauffante réglée à 100 °C pendant 20 min. La composition du matériau de transport des trous était de 0,170 M 2,2′,7,7′-tetrakis(N ,N -di-p-méthoxyphényl-amine)-9,99-spirobifluorène (spiro-OMeTAD, Lumtec), avec l'ajout de sel de lithium bis(trifluorométhane)sulfonimide 60 mM (LiTFSI, 99,95 %, Aldrich) et 200 mM 4-tert -butylpyridine (TBP, 99%, Aldrich). Le CH₃ NH₃ PbI₃ /TiO₂ les films ont été recouverts d'une solution de spiro-OMeTAD en utilisant la méthode de revêtement par centrifugation à 4000 tr/min. Pour le contact électrique, un film d'Ag de 100 nm a été déposé sur la cellule solaire par évaporation thermique. Le dispositif résultant était composé d'argent/spiro-OMeTAD/MAPbI₃ /TiO₂ couche mésoporeuse/TiO₂ couche compacte/FTO/verre. La figure 1 représente schématiquement la structure complète. Les courbes densité-tension (J-V) de courant des cellules solaires ont été obtenues à l'aide d'une unité de mesure de source (Keithly 2400). Les spectres de photoluminescence du CN₃ NH₃ PbI₃ Les échantillons de /verre ont été mesurés à l'aide d'un spectromètre à base de microscope. La zone active des appareils est de 2 × 5 mm ² par un masque d'ombre. Les diagrammes de diffraction des rayons X du CN₃ NH₃ PbI₃ /les échantillons de verre ont été enregistrés en utilisant un mode thêta-2thêta.

Schéma de la structure complète

Résultats et discussion

La figure 2 montre les images SEM en vue de dessus (colonne de gauche) et en coupe (colonne de droite) du MAPbI₃ films de pérovskite préparés par MAI à faible concentration (10 mg/mL) et ont subi un traitement de recuit à différentes températures. Il a été constaté qu'il y a une grande quantité de particules de pérovskite à la surface et qu'elles ont une morphologie tétragonale, comme le montre la figure 2a. La taille des particules et la morphologie de surface des films de pérovskite préparés par MAI à faible concentration sont similaires pour tous les échantillons.

Images SEM vues de dessus du MAPbI₃ films de pérovskite préparés par MAI à faible concentration (10 mg/mL) avec a-d différentes vitesses d'enduction centrifuge et e-h traitements de recuit

La figure 3 montre les images SEM en vue de dessus (colonne de gauche) et en coupe transversale (colonne de droite) du MAPbI₃ films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration (40 mg/mL) et ont subi un traitement de recuit à différentes températures. La pérovskite préparée par MAI à haute concentration montre des cristaux tétragonaux, le MAPbI moyen₃ taille du domaine d'environ 200 nm à environ 600 nm, comme le montre la figure 3. La morphologie est différente de celle de la pérovskite préparée par MAI à faible concentration. Il a été constaté qu'il existe des PbI₂ grains à la surface du MAPbI₃ film de pérovskite avec recuit à 60 °C. Ce sont des résidus causés par la réaction incomplète. La taille du domaine et la morphologie de surface des films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration sont similaires pour tous les échantillons.

Images SEM vues de dessus du MAPbI₃ films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration (10 mg/mL) avec a-d différentes vitesses d'enduction centrifuge et e-h traitements de recuit

La figure 4 montre les modèles XRD du MAPbI₃ films préparés par (a) MAI à faible et (b) concentration élevée avec différentes températures de recuit. Comme le montre la Fig. 4a, deux pics de diffraction principaux sont observés à 12,6° et 14,4°, correspondant à PbI₂ (001) et MAPbI₃ (110) phases, respectivement. L'intensité du PbI₂ (001) pic est supérieur à celui du MAPbI₃ (110) pic lorsque la température de recuit du MAPbI₃ le film augmente jusqu'à 120 °C. Le MAPbI₃ le film est décomposé en un film biphasé de MAI et PbI₂ , conduisant à un faible rendement des cellules solaires à pérovskite. De même, comme le montre la Fig. 4b, comme la température de recuit est de 60 °C, deux pics principaux de diffraction sont observés à 12,8° et 14,3°, correspondant à PbI₂ (001) et MAPbI₃ (110) phases, respectivement. Cependant, le pic unique correspondant au MAPbI₃ (110) phase est observée lorsque la température de recuit du MAPbI₃ le film augmente jusqu'à plus de 80 °C. L'AMI et le PbI₂ sont formés dans le MAPbI₃ filmer, complètement.

Modèles XRD du MAPbI₃ films avec a faible et b AMI à haute concentration

L'intensité du spectre de photoluminescence (PL) est liée à la durée de vie d'un exciton dans le film de pérovskite et dans l'interface entre TiO₂ et les films pérovskites. La durée de vie de l'exciton est plus longue et l'intensité du spectre PL est plus forte; la vitesse de décomposition d'un exciton dans l'interface entre TiO₂ et les films de pérovskite sont plus rapides et l'intensité du spectre PL est plus faible. La figure 5 représente les spectres PL du MAPbI₃ préparé par MAI à faible et à haute concentration avec différentes vitesses de revêtement par centrifugation et températures de recuit. Comme le montrent les Fig. 5a, b, la vitesse de revêtement par centrifugation et la température de recuit optimales pour le MAPbI₃ préparées par MAI à faible concentration sont respectivement de 2000 rpm et 100 °C. D'autre part, comme le montrent les Fig. 5c, d, la vitesse de revêtement par centrifugation et la température de recuit optimales pour le MAPbI₃ préparées par MAI à haute concentration sont respectivement de 4000 tr/min et 120 °C.

Spectres PL de MAPbI₃ préparé par MAI à faible concentration avec a différentes vitesses d'enduction centrifuge et b températures de recuit et préparé par MAI à haute concentration avec c différentes vitesses d'enduction centrifuge et d températures de recuit

La figure 6 montre les images SEM du MAPbI₃ films de pérovskite avec une solution MAI à faible et à haute concentration dans des conditions optimales, respectivement. La morphologie de surface du MAPbI₃ les films de pérovskite à faible concentration MAI sont plus rugueux que celui du MAPbI₃ films de pérovskite à haute concentration MAI. Le grain de cette dernière est compact et lisse. Aussi, le taux de couverture de la surface de ce dernier est meilleur que celui du premier.

Images SEM du MAPbI₃ films pérovskites avec a faible et b solution MAI à haute concentration dans des conditions optimales, respectivement

La figure 7a montre les spectres PL du MAPbI₃ films avec différentes concentrations de MAI. La position maximale du spectre PL augmente de 768 à 773 nm lorsque la concentration en MAI augmente de 10 à 40 mg/mL. Le redshift peut être associé à la réaction de PbI₂ et AMI [21]. En tant que PbI₂ le film réagit avec la solution MAI et forme le MAPbI₃ film de pérovskite, la bande interdite est décalée vers 1,55 eV. Aussi, l'intensité du spectre PL du MAPbI₃ le film de pérovskite utilisant une concentration élevée en MAI est la pourriture. Pour explorer la cause initiale, la photoluminescence à résolution temporelle (TRPL) a été utilisée pour étudier la durée de vie des excitons. Par conséquent, les excitons peuvent être rapidement extraits vers le substrat FTO, pour le MAPbI₃ film de pérovskite utilisant une concentration élevée en MAI. Selon les spectres TRPL illustrés à la figure 7b, la durée de vie des films de pérovskite MAI préparés par concentration faible et élevée est de 25 et 14 ns, respectivement. On peut clairement voir que la durée de vie des excitons des films de pérovskite MAI préparés par une concentration élevée en MAI est relativement courte, ce qui peut être utilisé pour expliquer pourquoi la vitesse de décomposition des excitons est plus rapide. L'interface entre de TiO₂ et la pérovskite préparée par une concentration élevée de MAI est lisse, de sorte que les excitons sont séparés et extraits rapidement vers le substrat FTO, comme le montre la figure 7b. De plus, il est possible d'améliorer la qualité du film, entraînant une augmentation de la vitesse de décomposition des électrons.

un PL et b Spectres TRPL de MAPbI₃ films avec différentes concentrations

La figure 8a, b trace les courbes J-V des cellules solaires à pérovskite préparées par MAI à faible et à haute concentration avec différentes températures de recuit, respectivement. Pour comparer la densité de courant de court-circuit Jsc, les cellules solaires à pérovskite préparées par MAI à haute concentration sont plus élevées autour de 2 mA/cm ² que celle des cellules préparées par l'AMI à faible concentration. Cela peut être dû à une meilleure qualité des films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration, de sorte qu'il a une absorbance plus élevée, ce qui entraîne un photocourant plus élevé. En outre, la résistance au transfert de charge dans les films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration est faible en raison de la morphologie lisse. Les films à morphologie lisse peuvent non seulement augmenter la surface de contact entre le film de pérovskite et le film de spiro-MeTAD, mais également améliorer l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires [22, 23]. D'autre part, les cellules préparées par MAI à faible concentration présentent une teneur élevée en Voc. Cela peut être causé par PbI₂ résidus dans le film mince de pérovskite [22, 23]. Pour vérifier la reproductibilité des performances, l'efficacité de conversion de puissance (PCE) est comparée à l'aide d'histogrammes obtenus à partir de 50 dispositifs à pérovskite préparés par MAI à faible et à haute concentration, comme le montre la figure 8c. Comme le montrent les résultats, les appareils ont extrêmement bien fonctionné. Le PCE moyen des cellules solaires à pérovskite préparées par MAI à faible et à haute concentration est de 13 et 13,7% avec un écart type de 1,293 et ​​1,275%, respectivement. Comme le montre la figure 8c, plus de 75 % des cellules présentent un PCE supérieur à 13 % dans des conditions d'ensoleillement, pour les cellules solaires à pérovskite préparées par MAI à haute concentration. Cela indique une bonne reproductibilité. Les résultats optimaux montrent une efficacité de conversion de puissance de 17,42 %, une tension en circuit ouvert de 0,97 V, une densité de courant de 24,06 mA/cm ² , et un facteur de remplissage de 0,747.

Courbes J-V des cellules solaires à pérovskite préparées à l'aide de a MAI à faible concentration et b MAI à haute concentration avec différentes températures de recuit. c Histogrammes de PCE des cellules solaires à pérovskite préparés par MAI à haute concentration dans les conditions de traitement optimales pour 50 appareils

Conclusions

Dans cette étude, les films de pérovskite préparés par MAI à haute concentration ont été utilisés pour former des cellules solaires. Les effets de différentes morphologies des films sur les cellules solaires ont été étudiés. La courbe caractéristique J-V des cellules solaires à pérovskite a été utilisée pour améliorer l'efficacité de la conversion photoélectrique. Les résultats montrent que l'efficacité de conversion de puissance atteignait 17,42 %, tension en circuit ouvert de 0,97 V, densité de courant de 24,06 mA/cm ² , et un facteur de remplissage de 74,66 % était la meilleure caractéristique.

Abréviations

FTO :

Oxyde d'étain dopé au fluor

J-V :

Densité-tension actuelle

MAI :

CH₃ NH₃ Je

MAPbI₃ :

CH₃ NH₃ PbI₃

PCE :

Efficacité de conversion de puissance

PL :

Photoluminescence

SEM :

Microscope électronique à balayage

TRPL :

Photoluminescence résolue en temps

XRD :

Diffractomètre à rayons X