Células solares de perovskita fabricadas con un aditivo polar aprótico respetuoso con el medio ambiente de 1,3-dimetil-2-imidazolidinona

Resultados y discusión

La Figura 1a, b muestra los espectros de transmitancia FTIR de los disolventes DMF y DMI puros y sus correspondientes aductos de Lewis. La vibración de estiramiento de los enlaces C =O se encuentra en 1670 y 1697 cm ⁻¹ para los disolventes DMF y DMI, respectivamente. Cuando se forman aductos de Lewis, los picos de C =O se desplazan hacia abajo por separado a 1658 y 1668 cm ⁻¹ . Indica que tanto el DMI como el DMF pueden interactuar con PbI ₂ a través de enlaces dativos Pb-O, que forman por separado aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI y PbI ₂ ∙ DMF [26, 27]. La Figura 1c muestra las curvas TGA de PbI ₂ polvo y sus aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI y PbI ₂ ∙ DMF. El PbI ₂ · DMF se descompone completamente en PbI ₂ a 120 ° C, mientras que PbI ₂ · DMI se descompone completamente a 200 ° C. Indica que el PbI ₂ · El aducto DMI es más estable que el PbI ₂ · DMF debido a la interacción molecular más fuerte entre DMI y PbI ₂ . Por lo tanto, se inclina a formar PbI ₂ ∙ DMI cuando existen DMI en el PbI ₂ / Solución precursora de DMF. La Figura 1d muestra las curvas XRD de los aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI y PbI ₂ ∙ DMF, que se preparan a partir de PbI ₂ / Solución DMF añadiendo con y sin 10% vol de DMI. El PbI ₂ · DMI tiene dos picos de difracción característicos a 7,97 ° y 9,21 °, que son más pequeños que los del PbI ₂ ∙ DMF (9,12 ° y 9,72 °).

un Espectros de transmitancia infrarroja por transformada de Fourier de DMF y PbI ₂ ∙ DMF. b Espectros de transmitancia infrarroja por transformada de Fourier de DMI y PbI ₂ ∙ DMI. c Análisis gravimétrico térmico del PbI ₂ Lewis aduce. d Curvas XRD de los aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI y PbI ₂ ∙ DMF

Cuando se sumergen en una solución de MAI / 2-propanol, los aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI se convierte en perovskita a través del intercambio molecular entre DMI y MAI basándose en la siguiente fórmula:

Archivo adicional 1:La Figura S2 muestra las curvas XRD de las películas de perovskita recocidas preparadas sumergiendo aductos de Lewis de PbI ₂ ∙ DMI en la solución MAI / 2-propanol para diferentes tiempos. Los picos XRD a 12,7 ° y 14,2 ° se asignan a (001) del PbI ₂ y (110) de la perovskita, respectivamente [11, 28]. Muestra que el PbI ₂ ∙ DMI se convierte completamente en perovskita en 2 min. Hay algunos PbI ₂ residuales en las películas de perovskita cuando el tiempo de reacción es inferior a 120 s.

La Figura 2 muestra imágenes SEM del PbI ₂ películas y películas de perovskita correspondientes preparadas a partir de PbI ₂ / Solución DMF añadiendo diferentes cantidades de DMI. Todas las muestras se templan a 100 ° C durante 30 min antes de la caracterización SEM. Comparado con DMF, DMI tiene un punto de ebullición más alto y una interacción más fuerte con PbI ₂ . Por tanto, la morfología del PbI ₂ las películas cambian evidentemente con la concentración de DMI. El PbI ₂ los granos cambian de ramiformes a placas cuando se agrega 10% en volumen de DMI al PbI ₂ / Solución precursora de DMF (ver Fig. 2a, b). Sin embargo, el PbI ₂ las películas cambian a porosas e incluso discontinuas, cuando la concentración de DMI aumenta al 20% en volumen (Fig. 2c). El MAPbI ₃ resultante las películas se ven afectadas por el PbI ₂ películas de manera significativa. Por lo tanto, la película de perovskita tiene un grano uniforme y una superficie lisa para la muestra preparada a partir de la solución agregada con 10% en volumen de DMI (ver Fig. 2e), que es mejor que sin DMI. Sin embargo, una DMI excesiva podría dar lugar a películas discontinuas (consulte la Fig. 2f), que son desventajosas para el rendimiento fotovoltaico de las PSC.

Imágenes SEM del PbI ₂ películas (arriba) y películas de perovskita (abajo) a , d sin DMI, b , e 10% DMI y c , f 20% DMI

A pesar del grano uniforme y la superficie lisa, el tamaño de grano de MAPbI ₃ fabricado a partir de PbI ₂ / La solución de DMF con 10% de DMI y recocida a 100 ° C no es lo suficientemente grande. De acuerdo con las curvas de TGA en la Fig. 1c, el DMI escapa de los aductos de Lewis a una temperatura más alta que el DMF. Aquí, aumentamos la temperatura de recocido. La Figura 3a, b muestra imágenes SEM vistas desde arriba de las películas de perovskita preparadas por recocido a 100 y 130 ° C a partir de la solución que se agrega con 10% en volumen de DMI durante 10 min. Está claro que el tamaño de grano aumenta a medida que aumenta la temperatura de recocido. Los tamaños de grano promedio son 216 y 375 nm para las muestras preparadas a partir de una temperatura de recocido de 100 y 130 ° C, respectivamente (consulte el archivo adicional 1:Figura S3). La Figura 3c, d muestra imágenes SEM en sección transversal de las células solares de perovskita. Muestra que las células solares de perovskita tienen capas de perovskita de aproximadamente 250 nm de espesor. Contiene solo un grano en la mayor parte del área para las muestras recocidas a alta temperatura (130 ° C), lo que se atribuye a un tamaño de grano mayor que el espesor de la película. Al aumentar la temperatura de recocido a 160 ° C, quedan algunos residuos de PbI ₂ en las películas de perovskita (ver archivo adicional 1:Figura S4), lo que da como resultado un rendimiento fotovoltaico deficiente (ver archivo adicional 1:Figura S5 el mejor PCE =8.53%).

Imágenes SEM de MAPbI ₃ películas (arriba) y las correspondientes células solares de perovskita (abajo). un , c Las películas de perovskita se preparan a partir de PbI ₂ / Solución precursora de DMF añadida con 10% en volumen de DMI y recocido a 100 ° C y b , d a 130 ° C

La figura 4a muestra J - V curvas de las mejores celdas fabricadas a partir de la solución añadiendo diferentes aditivos DMI. Los parámetros fotovoltaicos correspondientes se enumeran en la Tabla 1. Los PSC exhiben el mejor rendimiento fotovoltaico con un PCE del 14.54%, una densidad de corriente corta ( J _sc ) de 21,05 mA / cm ² , un voltaje abierto ( V _oc ) de 1.02 V, y un factor de llenado (FF) de 67.72% para las muestras fabricadas a partir de una solución de DMF que se agrega con un 10% en volumen de DMI y se recoce a 130 ° C. Para los PSC fabricados a partir de la misma solución precursora y recocido a 100 ° C, el mejor PCE es solo del 12,84%. Los PSC fabricados a partir de la solución con aditivo DMI tienen mejores rendimientos fotovoltaicos que los de la solución sin DMI (el mejor PCE =10,72%, J _sc =20,14 mA / cm ² , V _oc =0,97 V, FF =55,14%). Una serie de parámetros fotovoltaicos para los PSC fabricados a partir de diferentes condiciones exhiben una tendencia similar a los mejores PSC como se muestra en la Fig. 4c-f. Los dispositivos fabricados a partir de la solución con 10% en volumen de DMI y recocido a 130 ° C exhiben un PCE más alto que el de DMF puro. La Figura 4b muestra un resultado de eficiencia de fotón a corriente incidente (IPCE) de un PSC fabricado a partir de una solución de DMF que se agrega con un 10% en volumen de DMI, que presenta un buen rendimiento cuántico. Se observa que el J integrado _sc es aproximadamente un 10% más baja que la obtenida del escaneo inverso. Esta discrepancia podría deberse al desajuste espectral entre la fuente de luz IPCE y el simulador solar y al decaimiento de los dispositivos durante la medición en el aire [29]. Para verificar el punto de estabilización o saturación de la fotocorriente para los PSC fabricados a partir de la solución con 10% en volumen de DMI y recocido a 130 ° C, medimos la corriente de estado estable de un PSC típico a un voltaje de polarización cercano al punto de máxima potencia ( 0,78 V), como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S6a. El PSC muestra una salida estable. El dispositivo muestra un fenómeno de histéresis evidente en el archivo adicional 1:Figura S6b.

un J - V curvas de los mejores PSC fabricados a partir de diferentes condiciones. b Espectro IPCE de los mejores PSC fabricados a partir de la solución de precursores que se agrega con un 10% de DMI y se recoce a 130 ° C. Diagramas de caja de parámetros fotovoltaicos obtenidos de la luz J - V curvas de una serie de PSC. c J _sc , d V _oc , e FF, f PCE

La figura 5a muestra los espectros de impedancia de los PSC medidos en la oscuridad con una polarización directa de 0,9 V. El recuadro de la figura 5a es un circuito equivalente compuesto de resistencia en serie ( R _s ), resistencia a la recombinación ( R _rec ) y la resistencia al transporte ( R _HTM ) [30]. La R _s de los PSC se reduce de 26,16 a 14,30 Ω mediante la adición de un 10% de DMI en DMF y el recocido a 130 ° C en comparación con sin DMI. La pequeña R _s facilita el transporte del transportista, lo que genera una alta J _sc [31]. Por el contrario, la R _rec aumenta de 46,49 a 2778 Ω añadiendo 10% en volumen de DMI en DMF y recociendo a 130 ° C en comparación con DMF puro. La alta R _rec suprime eficazmente la recombinación de carga para mejorar el rendimiento del dispositivo.

un Gráficos de Nyquist de las células solares de perovskita en la oscuridad con un sesgo de 0,9 V. b Espectros de PL estable de las películas de perovskita. c Espectros PL resueltos en el tiempo basados ​​en la función de desintegración biexponencial fabricada a partir de tres condiciones diferentes

La Figura 5b muestra los espectros PL de estado estable de MAPbI ₃ películas depositadas en TiO ₂ mesoporoso sustrato. Los espectros PL se apagan para las películas de perovskita fabricadas a partir de la solución con 10% de DMI y se recogen a 130 ° C, lo que indica que las cargas se transfieren de manera efectiva desde MAPbI ₃ en un TiO ₂ película antes de que se recombinen en la interfaz de la muestra. En comparación con los fabricados con DMF puro, agregar algún aditivo DMI puede mejorar la transferencia de carga. Para obtener más información sobre la transferencia de carga, PL resuelto en el tiempo de MAPbI ₃ películas depositadas en el mesoporoso TiO ₂ también se llevan a cabo sustrato (ver Fig. 5c). Los espectros están bien equipados con una función de decaimiento biexponencial:

donde τ ₁ y τ ₂ son el tiempo de desintegración de los dos procesos de desintegración, respectivamente. Indica que hay un ayuno ( τ ₁ ) y una lenta ( τ ₂ ) decaimiento en los PSC. El proceso de desintegración rápida se considera un efecto de extinción de los portadores libres en la película de perovskita a la capa de transporte de electrones (ETL) o HTM, mientras que el proceso de desintegración lenta se considera la desintegración radiativa [32, 33]. El τ ₁ se reduce de 3,71 a 2,80 ns cuando se añade un 10% de DMI y se recoce a 100 ° C. Además, el τ ₁ se reduce a 1,90 ns al agregar 10% de DMI y recocido a 130 ° C, lo que demuestra que los electrones se transfieren más rápido desde la película de perovskita al TiO ₂ Capa ETL, como lo demuestra un enfriamiento PL en estado estable más fuerte. Creemos que la tasa de transferencia de carga mejorada se atribuye al aumento de granos grandes y la reducción del límite de grano en las películas de perovskita al agregar DMI.