home Technologie de fabrication Équipement de fabrication
Fabrication industrielle
Internet des objets industriel | Matériaux industriels | Entretien et réparation d'équipement | Programmation industrielle |
home  MfgRobots >> Fabrication industrielle >  >> Industrial materials >> Nanomatériaux

Amélioration des performances des cellules solaires pérovskites 2D par cristallisation assistée par l'eau

Résumé

Diriger la cristallisation du film pérovskite bidimensionnel (2D) est une stratégie importante pour améliorer l'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires pérovskites 2D (PVSCs). Dans cet article, l'additif eau déionisée (H2O) est introduit dans la solution précurseur pérovskite pour préparer des films pérovskites 2D de haute qualité. Le film 2D traité avec 3% H2O montre une bonne morphologie de surface, une taille de cristal augmentée, une cristallinité améliorée, une orientation préférentielle et une faible densité de défauts. La PVSC 2D fabriquée avec 3% H2O exhibe un PCE plus élevé comparé à celle sans H2O (12,15% vs 2,29%). De plus, la stabilité de stockage des dispositifs non encapsulés avec 3% H2O sous environnement ambiant est significativement améliorée. Ce travail fournit une méthode simple pour préparer des films pérovskites 2D de haute qualité pour des PVSCs 2D efficaces et stables.

Introduction

Récemment, les pérovskites bidimensionnelles (2D) en couches ont attiré une attention extensive en raison de leur résistance à l'humidité améliorée par rapport à leurs homologues 3D, comme CH3NH3PbI3 (MAPbI3) et HC(NH2)2PbI3 (FAPbI3). La pérovskite 2D de formule A2Bn−1MnX3n+1 (phase Ruddlesden-Popper), où B est MA+, FA+ ou Cs+, M est Pb2+ ou Sn2+, X est l'anion halogène, n le nombre de plans d'octaèdres [MX6]4− partageant des coins, peut être formée en incorporant des ligands organiques à chaîne longue A (phénéthylammonium PEA+ ou butylammonium BA+) dans le cadre inorganique. Ces pérovskites 2D possèdent de nombreuses propriétés optoélectroniques uniques, développées pour cellules solaires et diodes électroluminescentes. Cependant, l'énergie de liaison excitonique de la pérovskite 2D en couches est augmentée du fait de l'effet de confinement diélectrique entre la couche organique et le cadre inorganique, limitant substantiellement la dissociation d'excitons dans le champ électrique. Parallèlement, les ligands organiques volumineux forment des couches d'espacement isolantes et inhibent le transport de charge entre dalles inorganiques voisines. Ainsi, le PCE des PVSCs 2D est bien inférieur à celui de leurs homologues 3D, déjà supérieur à 25%.

Pour obtenir des PVSCs 2D haute performance, de nombreux efforts ont été faits : hot-casting, ingénierie d'additifs, ingénierie de composition, ingénierie de solvant précurseur, ingénierie d'interface, et autres traitements spéciaux. Parmi ces méthodes, l'ingénierie d'additifs est fréquemment utilisée pour sa simplicité et efficacité. Zhang et al. ont trouvé que le film pérovskite 2D à orientation verticale peut être déposé en incorporant l'additif thiocyanate d'ammonium (NH4SCN), augmentant le PCE de 0,56 à 11,01%. Qing et al. ont démontré l'amélioration de la qualité du film par effet synergique de deux additifs, obtenant des PVSCs 2D sans hystérésis avec PCE >12%. Yu et al. ont montré que la morphologie et le transport de charge peuvent être contrôlés en ajoutant chlorure d'ammonium (NH4Cl) et diméthylsulfoxyde (DMSO), atteignant PCE 13,41%. Fu et al. ont rapporté des PVSCs 2D efficaces avec NH4SCN et NH4Cl, PCE optimal 14,1%. Dans notre travail précédent, nous avons trouvé que DMSO et thiosemicarbazide (TSC) ont un effet synergique améliorant morphologie, cristallisation et orientation des films pérovskites 2D, spéculant que DMSO et TSC sont des bases de Lewis régulant la cristallisation par coordination avec les composants précurseurs, obtenant des PVSCs 2D efficaces et stables avec PCE champion 14,15%.

Dans le concept acide-base de Lewis, une molécule d'eau est une base de Lewis donneuse d'oxygène qui peut se lier à l'iodure de plomb (PbI2) acide de Lewis. Par ailleurs, les propriétés physico-chimiques thermodynamiques de l'eau, comme point d'ébullition, solubilité et pression de vapeur, diffèrent du solvant DMF fréquemment utilisé. Des études ont révélé que l'eau ajoutée dans la solution précurseur contrôle la cristallisation pérovskite 3D, menant à de meilleures performances photovoltaïques. Cependant, à notre connaissance, l'utilisation de H2O comme additif dans les PVSCs 2D n'a pas encore été rapportée.

Dans cette étude, les molécules d'eau comme additif ont été introduites dans les solutions précurseurs pérovskites pour contrôler la cristallisation du film pérovskite 2D. Le film 2D (BA2MA3Pb4I13, n = 4) traité avec une quantité appropriée d'eau montre une bonne morphologie, cristallinité améliorée et ordre d'orientation accru. Ce film de haute qualité contribue à une densité d'états pièges plus faible et une meilleure performance photovoltaïque. Le PCE est passé de 2,29% à 12,15%. Plus intéressant, les dispositifs à base d'additif eau exhibent une stabilité de stockage évidemment améliorée.

Méthode

Matériaux

Iodure de méthyl-ammonium (MAI), PbI2, solution aqueuse PEDOT:PSS (4083), iodure de n-butylammonium (BAI), phényl-C61-acide butyrique ester méthylique (PC61BM), spiro-MeOTAD (2,29,7,79-tétrakis(N,N-di-p-méthoxyphénylamine)-9,9-spirobifluorène), 4-tert-butylpyridine, lithium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide, et bathocuproïne (BCP) commandés auprès de Xi'an Polymer Light Technology Cory. DMF, chlorobenzène, acétonitrile achetés chez Sigma-Aldrich. Isopropanol acheté chez You Xuan Tech. Tous réactifs et solvants utilisés directement sans purification supplémentaire.

Solution précurseur

La solution précurseur BA2MA3Pb4I13 pristine (0,85 M) a été préparée en mélangeant BAI, MAI, PbI2 avec rapport molaire 0,5:0,75:1 dans DMF. Les précurseurs avec diverses quantités d'eau déionisée ont été préparés en ajoutant différents rapports de volume d'eau dans la solution précurseur pristine.

Fabrication des dispositifs

Les substrats ITO ont été lavés ultrasons avec détergent, acétone, alcool éthylique absolu et eau déionisée successivement, suivis d'un traitement UV-ozone 15 min. Pour les couches de collecte de trous, solution aqueuse PEDOT:PSS essorée à 4000 tr/min pendant 40 s sur substrats ITO nettoyés. Après essorage, films PEDOT:PSS chauffés à l'air à 150 °C pendant 15 min, puis transférés dans la boîte à gants. Pour les couches de conversion photoélectrique, substrats ITO/PEDOT:PSS préchauffés à 100 °C pendant 3 min, suivis d'essorage de différentes solutions précurseurs pérovskites à 5000 tr/min pendant 25 s puis recuit à 100 °C pendant 10 min. Pour les couches d'extraction d'électrons, solution PC61BM (15 mg/mL dans chlorobenzène) essorée à 2000 tr/min pendant 30 s. Ensuite, BCP dans isopropanol (0,8 mg/ml) essoré à 5000 tr/min pendant 30 s. Finalement, électrodes Ag 70 nm évaporées thermiquement sur couches BCP par masques d'ombre. Surface effective du dispositif 0,04 cm2. Pour dispositifs trous-seulement, couches spiro-OMeTAD déposées sur substrats 2D pérovskite/PEDOT:PSS/ITO par essorage solution spiro-OMeTAD à 4000 tr/min 30 s suivi évaporation électrode or 70 nm. Solution spiro-OMeTAD : 90 mg spiro-OMeTAD, 22 μL solution stock 520 mg/mL lithium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide dans acétonitrile, 36 μL 4-tert-butylpyridine dans 1 mL chlorobenzène.

Mesure et caractérisation

Les courbes densité de courant-tension (J-V) des PVSCs mesurées par unité source Keithley 2400 sous illumination AM 1.5G par simulateur solaire Newport Corp. Vitesse de balayage 0,2 V/s. Mesures MEB sur MEB à émission de champ (FEI-Inspect F50, Hollande). Mesures GIWAXS à la ligne de faisceau BL14B1 au Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai, Chine, faisceau primaire 0,6887 Å, angle incident 0,2°. Spectre d'absorption pérovskite 2D mesuré par spectrophotomètre Shimadzu 1500. Efficacité quantique externe mesurée par QTEST HIFINITY 5 (Crowntech). Spectroscopie photoluminescence résolue en temps réalisée avec Fluo Time 300 (Pico Quant).

Résultats et Discussion

Pour étudier l'influence de l'additif H2O sur la performance des PVSCs 2D, nous avons fabriqué des dispositifs inversés avec configuration ITO/PEDOT:PSS/BA2MA3Pb4I13/PC61BM/BCP/Ag (fig. 1a). L'eau déionisée a été mélangée à la solution précurseur avec rapport de volume variable 0–5%. Les courbes photocourant-tension (J-V) des PVSCs 2D champions basés sur pérovskite avec diverses quantités d'additif eau sous illumination AM 1.5G, 100 mW/cm2 sont montrées figure 1b, paramètres photovoltaïques correspondants tableau 1. Le dispositif témoin sans eau exhibe une faible tension de circuit ouvert (Voc) 0,84 V, densité de courant de court-circuit (Jsc) 5,73 mA/cm2, facteur de forme (FF) 47,63%, résultant en un faible PCE 2,29%. D'après le tableau 1, une quantité appropriée d'H2O améliore dramatiquement la performance photovoltaïque. Pour 3% H2O, le meilleur dispositif montre PCE 12,15%, Voc 1,06 V, Jsc 15,80 mA/cm2, FF 72,56%. L'amélioration significative du PCE est attribuée au film pérovskite traité par additif, montrant cristallinité plus élevée, grains plus grands type brique, morphologie uniforme, et orientation verticale perpendiculaire au substrat. Les détails seront discutés. En augmentant le rapport volumique H2O à 5%, les paramètres photovoltaïques se détériorent. La figure 1c présente la densité de photocourant d'état stable où PCE est fonction du temps au point de puissance maximale (0,84 V). Le PCE du dispositif champion avec 3% H2O se stabilise à 11,78% (noir) avec densité de photocourant 14,02 mA/cm2 (rouge) en 200 s, proche de la valeur extraite de la courbe J-V. Important, la stabilité de stockage est une exigence clé pour l'application pratique des PVSCs. Les dispositifs non encapsulés sans et avec 3% H2O ont été stockés dans l'air avec humidité relative 25±5% à 25 °C pour examiner l'évolution de leur PCE dans le temps. Figure 1d montre que le dispositif avec 3% H2O conserve encore 85,76% de son PCE initial après 720 h, bien plus stable que sans H2O (52,76%). La stabilité significativement améliorée est attribuée aux pérovskites 2D hydratées stables qui peuvent être générées pendant l'essorage et le recuit. Les pérovskites 2D hydratées stables résistent dans une certaine mesure à la décomposition du film pérovskite 2D. Basé sur ces résultats, nous concluons que le dispositif traité avec une teneur optimale en eau non seulement donne une performance photovoltaïque supérieure mais montre aussi une bonne stabilité.

Les données statistiques des paramètres photovoltaïques de 16 PVSCs par cas sont montrées figure 2a–d. Les dispositifs sans et avec 1,5%, 3%, 5% H2O présentent le meilleur PCE 2,29%, 7,63%, 12,15%, 10,38% avec valeurs moyennes 1,85%, 6,59%, 11,38%, 9,02% respectivement (tableau 1). Ces données statistiques montrent les mêmes tendances que les dispositifs champions correspondants, prouvant les améliorations de performance statistiquement significatives avec une quantité appropriée d'eau déionisée.

Le MEB a été conduit pour évaluer les effets de l'additif H2O sur la morphologie et la couverture des films pérovskites 2D. Les images MEB vue de dessus des films BA2MA3Pb4I13 avec diverses quantités d'H2O sont montrées figure 3a-c, images MEB en coupe dans les encadrés. Le film sans H2O (pérovskite-sans H2O) exhibe une morphologie pauvre avec petites fissures et trous d'épingle, tandis que le film avec 3% H2O (pérovskite-3% H2O) montre une surface plus uniforme sans fissures. Une grande quantité de vides et fissures observée avec 5% H2O (pérovskite-5% H2O), principalement due à la décomposition du pérovskite hydraté causée par l'excès d'eau en volume. De plus, comme montré en encadré figure 3a, le film sans additif H2O est construit de petits grains cristallins à orientation aléatoire avec beaucoup de joints de grains. La taille de grain du film pérovskite-3% H2O est plus grande que celle du film pérovskite-5% H2O, bien que les deux exhibent une morphologie type brique orientée verticalement. Les grains plus grands dans le film pérovskite 2D résultent en presque pas de joint de grain le long de la direction verticale. Il a été rapporté que les joints de grains sont les régions où les états pièges sont principalement distribués. Par conséquent, les films pérovskite-3% H2O avec grains cristallins plus grands orientés verticalement contribuent à des PVSCs efficaces.

Les motifs GIWAXS ont été utilisés pour identifier davantage le rôle de l'additif eau dans la croissance cristalline des films pérovskites 2D. Nous spéculons que l'additif eau peut réguler le processus de cristallisation en raison de son point d'ébullition plus bas et pression de vapeur plus haute comparé au DMF. De plus, l'incorporation d'une quantité appropriée d'eau dans le DMF augmente la solubilité du composé ionique pérovskite, menant à une qualité améliorée des films avec cristallinité accrue. Les résultats MEB et GIWAXS de ce travail sont cohérents avec cette spéculation. Figure 3d, le film pérovskite-sans H2O affiche plusieurs anneaux de Bragg à des valeurs q spécifiques, indiquant principalement des grains cristallins à orientation aléatoire dans ce film polycristallin. Cependant, le film pérovskite-3% H2O montre des taches de Bragg nettes et discrètes le long de la même position q (fig. 3e), suggérant des grains cristallins bien alignés avec plans (111) parallèles au substrat. De plus, les taches de Bragg plus sombres dans le film pérovskite-3% H2O alors que les anneaux de diffraction moins apparents dans le film sans H2O démontrent la cristallinité accrue du film avec 3% H2O. Le film pérovskite-3% H2O hautement orienté perpendiculaire au substrat peut former un canal de transport de porteurs efficace, menant à une performance photovoltaïque améliorée.

Pour révéler l'impact des changements morphologiques et cristallographiques résultant de l'ajout d'eau sur les propriétés optiques des films, nous avons effectué des mesures de spectroscopie d'absorption, figure 4a. Les deux films pérovskite-sans H2O et pérovskite-3% H2O exhibent de multiples pics d'absorption excitonique dans les spectres UV-Vis, indiquant l'existence de multiples phases pérovskites avec différentes valeurs n, bien que nominalement préparés comme "n = 4". Cependant, le film pérovskite-3% H2O montre une absorption légèrement accrue dans la gamme 400-600 nm comparé au film sans H2O. D'après les images MEB en coupe (encadrés fig. 3a-c), tous les films 2D montrent presque la même épaisseur. Nous attribuons l'absorption accrue à un film pérovskite uniforme, hautement cristallin et hautement orienté induit par l'additif eau. Les spectres d'efficacité quantique externe (EQE) des PVSC sans additif H2O et avec 3% H2O sont montrés figure 4b, avec les valeurs de courant intégré dérivées tracées sur l'axe y droit. Le Jsc intégré du spectre EQE du PVSC sans H2O et du PVSC avec 3% H2O est 5,16 mA/cm2 et 15,20 mA/cm2 respectivement, proches des résultats mesurés par courbe J-V. Apparemment, les valeurs EQE du dispositif avec 3% H2O dans la plupart du visible sont bien plus élevées que sans additif. Ce phénomène résulte non seulement de l'absorption lumineuse améliorée mais principalement du transport de charge plus efficace dans le film pérovskite 2D hautement orienté avec meilleure cristallinité.

De plus, nous avons mesuré les courbes courant-tension dans le noir des dispositifs trous-seulement (HODs) avec structure ITO/PEDOT:PSS/2D pérovskite/Spiro-OMeTAD/Au pour caractériser la densité d'états pièges (Nt) dans les films pérovskites 2D (fig. 4c). Nt a été déterminé par la tension de limite de remplissage des pièges (VTFL) selon l'équation (1) : Nt = 2ε0εrVTFL / qL2, où ε0 permittivité du vide, εr constante diélectrique relative, q charge élémentaire, L épaisseur du film. Les deux films ont même εr et même épaisseur. Donc Nt est positivement corrélé avec VTFL. Figure 4c montre que la valeur VTFL obtenue du HOD basé pérovskite-3% H2O est évidemment plus basse que celle du HOD basé pérovskite-sans H2O. Cela démontre que la densité d'états pièges dans le film pérovskite-3% H2O a été réduite. Ceci a été confirmé par les spectres de photoluminescence résolue en temps (TRPL) des films déposés sur verre non conducteur. La décroissance temporelle des signaux de fluorescence a été ajustée à deux exponentielles (fig. 4d). Bénéficiant de films de haute qualité avec peu de joints de grains (fig. 2), le film pérovskite-3% H2O a une durée de vie de fluorescence plus longue de 10 ns comparé au film sans H2O (2 ns), démontrant la densité de défauts en volume réduite dans le film pérovskite-3% H2O.

Basé sur tous les résultats ci-dessus, nous prouvons qu'incorporer un additif eau approprié dans la solution précurseur peut contrôler la croissance cristalline du film pérovskite BA2MA3Pb4I13 avec taille de grain agrandie et couverture de film uniforme, menant à une densité d'états pièges réduite. Et ces films pérovskites BA2MA3Pb4I13 hautement cristallins et orientés induits par l'additif eau faciliteraient le transport de charge. Par conséquent, les films pérovskites BA2MA3Pb4I13 de haute qualité apportent une amélioration complète en Voc, Jsc, FF des PVSCs correspondants.

Conclusion

En conclusion, nous avons étudié les effets de l'additif H2O sur les films minces pérovskites 2D BA2MA3Pb4I13 et la performance correspondante des dispositifs. En optimisant la quantité d'additif H2O, la morphologie de surface, la taille de grain et la cristallinité du film BA2MA3Pb4I13 sont évidemment améliorées et une orientation cristalline préférentielle obtenue. Par conséquent, le PVSC 2D basé sur 3% H2O optimisé donne une amélioration significative du PCE de 2,29% à 12,15%. Parallèlement, la stabilité de stockage des dispositifs est aussi améliorée. Nos résultats prouvent que contrôler la cristallisation pérovskite 2D via additif H2O est une voie efficace pour obtenir des PVSCs 2D efficaces et stables.

Nanomatériaux

  • Métal
  • Résine
  • fibre
  • Matériau composite
  • Nanomatériaux
  • Matériaux polymères
  • Produits biologiques
  • Colorant
  • Épices

    1. Nano-arbres de nanofils ZnO boostent l'efficacité des cellules solaires à colorant sensibilisé
    2. Cellules solaires graphène à haut rendement : 9 % de conversion avec dopage TFSA
    3. Nano-hétérojonctions : augmentation du rendement des cellules solaires par points quantiques colloïdaux
    4. Cellules solaires pérovskites à haut rendement et faible coût : progrès, défis et perspectives futures
    5. Performance supérieure des cellules solaires à perovskite inversées utilisant des couches de transport d'électrons à base de points quantiques CdSe et LiF
    6. Cellules solaires pérovskite planaires à haut rendement via des couches pérovskites hybrides cultivées par vapeur séquentielle
    7. Optimisation des précurseurs de titane pour couches compactes TiO₂ haute performance dans les cellules solaires pérovskite
    8. Cellules solaires pérovskites écologiques utilisant la 1,3-diméthyl-2-imidazolidinone comme additif solvant polaire
    9. Micro-réseaux 2D de VO₂ méso-poreux : 265 F/g, 66 % de rétention à 10 A/g, stabilité 3000 cycles pour supercondensateurs haute performance