Efecto del electrodo ITO pulverizado de ángulo oblicuo en estructuras de células solares de perovskita MAPbI3
Resumen
Esta investigación informa sobre las características de MAPbI 3 películas de perovskita sobre sustratos de vidrio / ITO pulverizados oblicuamente que se fabrican con varios tiempos de pulverización catódica y ángulos de pulverización catódica. El tamaño de grano de un MAPbI 3 La película de perovskita aumenta con el ángulo de pulverización oblicua de las películas delgadas de ITO de 0 ° a 80 °, lo que indica que las propiedades superficiales de la ITO afectan la humectabilidad de la película fina de PEDOT:PSS y, por lo tanto, domina el número de sitios de nucleación de perovskita. La eficiencia óptima de conversión de energía (Eff) se logra en un 11,3% en una celda con una capa de ITO oblicua que se preparó utilizando un ángulo de pulverización catódica de 30 ° para un tiempo de pulverización catódica de 15 min.
Antecedentes
El óxido de indio y estaño (ITO) es un material conductor transparente que comprende óxido de indio (In 2 O 3 ) y óxido de estaño (SnO 2 ). Se usa ampliamente en pantallas de cristal líquido, diodos emisores de luz y células solares debido a su transparencia visible de aproximadamente 96 % y conductividad de alrededor de 10 Ω / sq [1,2,3,4,5]. Se han estudiado varios métodos para mejorar la resistencia y la transmitancia de las películas ITO, incluido el recocido y la pulverización catódica con diversas relaciones de gas y presiones de funcionamiento [5,6,7,8]. Se ha informado sobre las propiedades optoelectrónicas de las películas ITO pulverizadas oblicuamente [9, 10]. A medida que se deposita una película de ITO, crece como una película con una estructura columnar inclinada en ángulo sobre un sustrato, debido al efecto de sombra. La película de ITO columnar exhibe una morfología diferente, propiedades ópticas anisotrópicas y resistividad anisotrópica [10].
Recientemente, las células solares con materiales de perovskita, como CH 3 NH 3 PbI 3 , como capa activa han recibido mucho interés debido a sus eficiencias de conversión de energía favorables [11,12,13,14,15,16,17,18]. La mayoría de las células solares de perovskita tienen vidrio de óxido conductor transparente (TCO), como ITO o FTO (óxido de estaño dopado con flúor), como sustrato. Sin embargo, las propiedades optoelectrónicas de una película de TCO isótropa difieren de las de una película de TCO anisótropa. Por lo tanto, este trabajo desarrolla células solares planas de perovskita utilizando CH 3 NH 3 PbI 3 (MAPbI 3 ) perovskitas sobre sustratos ITO oblicuos que se preparan por deposición en ángulo de mirada (GLAD). Esta investigación examina las propiedades ópticas, estructurales y de superficie de MAPbI 3 películas de perovskita sobre sustratos de ITO oblicuos que se han recocido a varias temperaturas y se han pulverizado varias veces. Se discuten las relaciones entre el rendimiento de la célula solar de perovskita y las propiedades de las películas de perovskita.
Métodos
En esta investigación, el vidrio ITO se cortó en pequeños trozos de 1,5 × 1,5 cm 2 utilizarse como sustratos. Los sustratos de vidrio ITO se limpiaron a fondo usando acetona, etanol y agua desionizada (DI) en un oscilador ultrasónico durante 5 min y se secaron con nitrógeno. Se depositó una película de ITO sobre el sustrato de vidrio de ITO mediante pulverización catódica en varios ángulos oblicuos utilizando objetivos de ITO, como se presenta en la Fig. 1a. El gas de trabajo y la presión fueron argón puro y 5 mTorr, respectivamente. Después de la deposición, las películas se recocieron a 300 ° C durante 30 minutos.
un Sección transversal esquemática de la estructura terminada y el sistema de pulverización catódica oblicua. b Imagen FESEM de sección transversal de la muestra con ITO oblicuo pulverizado con inclinación de 30 °
Para las células solares de perovskita se utilizaron sustratos de vidrio que se recubrieron con las películas de ITO pulverizadas oblicuamente. PEDOT:Las películas de PSS se prepararon revistiendo por rotación los sustratos de vidrio ITO oblicuos a 5000 rpm durante 30 s. Después del revestimiento por rotación, la película se recoció a 110 ° C durante 10 min. La capa de perovskita se depositó usando recubrimiento por rotación en dos pasos sobre el sustrato de vidrio PEDOT:PSS / ITO oblicuo a 1000 rpm durante 10 sy 5000 rpm durante 20 s. Durante la etapa a 5000 rpm durante 20 s, la película de hilado en húmedo se inactivó dejando caer 100 µl de tolueno anhidro sobre ella. Las soluciones precursoras de perovskita se prepararon utilizando 1,25 mmol de bromuro de metilamonio y 1,25 mmol de PbI 2 (con una pureza del 99,999%) que se disolvió en 1 mL de codisolvente. La relación en volumen de dimetilsulfóxido (DMSO) a γ-butirolactona (GBL) fue de 1:1. Después del revestimiento por rotación, la película se recoció a 100 ° C durante 10 min. Entonces [6,6] -fenil-C 61 Se disolvió éster metílico del ácido butírico (PCBM) en clorobenceno (20 mg / ml) y se revistió por rotación sobre capas de perovskita a 3000 rpm durante 30 s, formando una película de 50 nm de espesor como capa de transporte de electrones. Finalmente, se depositó un electrodo de Ag con un espesor de 20 nm por evaporación térmica para completar la estructura del dispositivo. La muestra se cubrió con una máscara de sombra que definió un área activa de 0,5 cm × 0,2 cm durante la deposición. La figura 1a muestra esquemáticamente la estructura completa. La Figura 1b muestra la imagen FESEM de la sección transversal de la muestra con el ITO inclinado de forma oblicua y pulverizado de 30 °.
Resultados y discusión
Las microestructuras cristalinas de las películas se observaron usando un difractómetro de rayos X. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) para observar la morfología de la superficie de las muestras. La densidad de corriente-voltaje ( J - V ) Las características de las células solares se midieron usando un medidor de fuente programable Keithley 2420 bajo irradiación con una lámpara de xenón de 1000 W. La densidad de potencia de irradiación en la superficie de la celda se calibró a 1000 W / m 2 .
La Figura 2 muestra los patrones XRD de MAPbI 3 películas de perovskita en PEDOT:PSS / capa ITO oblicua / vidrio en varios ángulos oblicuos. Los cuatro picos medios a 14,28 °, 28,5 °, 30,61 ° y 31,93 ° corresponden a la (110) perovskita, (220) perovskita, (110) SnO 2 y (222) en 2 O 3 aviones, respectivamente. A medida que el ángulo de pulverización catódica aumenta de 0 ° a 60 °, el (110) SnO 2 está formado por la incorporación de átomos de Sn. El tamaño del dominio cristalino se puede calcular utilizando la ecuación de Scherrer [19]. Los tamaños de los dominios de cristal de MAPbI 3 Las películas de perovskita en las muestras son de aproximadamente 71,8 nm. Por lo tanto, los tamaños de los dominios de cristal de MAPbI 3 la perovskita no se ve afectada por la capa de ITO oblicua.
Patrones XRD de MAPbI 3 películas de perovskita en PEDOT:PSS / capa ITO oblicua / vidrio para varios ángulos oblicuos
La Figura 3 muestra imágenes SEM de MAPbI 3 películas de perovskita sobre una capa de ITO oblicua / vidrio para varios ángulos oblicuos. El tamaño de grano (o partícula) del MAPbI 3 Las películas de perovskita aumentan con el ángulo de pulverización oblicua de 0 ° a 80 °, revelando que las propiedades superficiales del ITO influyen en el número de sitios de nucleación de perovskita. Dado que el ITO no está en contacto directo con la película delgada de perovskita y se inserta una película delgada PEDOT:PSS entre el ITO y la perovskita, las propiedades superficiales del ITO no deberían influir directamente en las propiedades de las películas delgadas de perovskita. Por tanto, la humectabilidad de las películas delgadas PEDOT:PSS [20] está relacionada con las propiedades superficiales del ITO. Por lo tanto, los diferentes tamaños de grano en MAPbI 3 Las películas de perovskita pueden estar relacionadas con la humectabilidad del sustrato [21, 22]. Se llevaron a cabo experimentos sobre el ángulo de contacto de una gota de agua para evaluar la humectabilidad de las películas delgadas PEDOT:PSS en las diferentes muestras de ITO / vidrio, como se muestra en la Fig. 4. El ángulo de contacto es proporcional al tamaño de los granos en el MAPbI 3 película delgada, lo que indica que la nucleación y el crecimiento de cristales de un MAPbI 3 La película delgada se puede controlar variando la humectabilidad de la superficie del PEDOT:PSS / ITO oblicuo / vidrio. Se obtuvieron imágenes del ángulo de contacto de las muestras oblicuas de ITO / vidrio para comprender la variación de la humectabilidad de la superficie de las muestras de PEDOT:PSS / ITO oblicua / vidrio, como se muestra en la Fig. 5. La humectabilidad de la PEDOT:PSS / ITO oblicua / Las muestras de vidrio son inversamente proporcionales a la humectabilidad de las muestras de vidrio / ITO oblicuas, por lo que las distribuciones verticales de los polímeros PSS hidrófilos y los polímeros PEDOT hidrófobos pueden manipularse variando la humectabilidad de la superficie de la muestra de vidrio / ITO oblicua. Se sugiere que los polímeros PSS se distribuyan principalmente en la superficie superior de la película delgada PEDOT:PSS cuando el sustrato tiene una superficie hidrófoba (Fig.5a), lo que da como resultado un pequeño ángulo de contacto de la gota de agua en la película delgada PEDOT:PSS (Fig. 4a). Los resultados experimentales (XRD y SEM) demuestran que MAPbI 3 los granos son MAPbI 3 multicristalinos partículas [23].
un - d Imágenes SEM de MAPbI 3 películas de perovskita en PEDOT:PSS / capa ITO oblicua / vidrio para varios ángulos oblicuos
un - d Imágenes que muestran el ángulo de contacto del agua en PEDOT:PSS / capa ITO oblicua / vidrio para varios ángulos oblicuos. Ángulo de contacto CA
un - d Imágenes que muestran el ángulo de contacto del agua en la capa / vidrio de ITO oblicuo para varios ángulos oblicuos
La Figura 6 presenta los espectros de fotoluminiscencia (PL) de MAPbI 3 películas de perovskita en PEDOT:PSS / ITO oblicuo / vidrio para varios ángulos oblicuos. Se observa un pico principal a 768 nm, correspondiente a la emisión de MAPbI 3 . El hallazgo está respaldado por los resultados de XRD. La energía de emisión PL del MAPbI 3 la perovskita no se ve afectada por debajo de la capa oblicua de ITO. Además, se obtuvieron las diferentes intensidades PL de las películas de MAPbI3 en ITO pulverizadas con varios ángulos oblicuos como resultado de la separación del excitón inducido por la luz. Una mejor interfaz entre PEDOT:PSS y perovskita proporcionó una mejor separación de excitones, induciendo un efecto de extinción de PL más fuerte. Por lo tanto, ITO en un ángulo oblicuo de 80 ° exhibió la mejor separación de excitones de la capa de perovskita a PEDOT:PSS, debido a la mojabilidad superficial favorable del PEDOT:PSS / ITO oblicuo, como se muestra en la Fig. 4.
Espectros PL de MAPbI 3 películas de perovskita en PEDOT:PSS / capa ITO oblicua / vidrio para varios ángulos oblicuos
La Figura 7 traza la densidad de corriente-voltaje ( J - V ) curva de las células solares que se basan en MAPbI 3 perovskita con una capa de ITO oblicua que se pulveriza en varios ángulos oblicuos y se somete a un tratamiento térmico a una temperatura de recocido de 300 ° C. El tiempo de pulverización catódica es de 15 min. La Tabla 1 presenta la eficiencia de conversión de energía resultante (Eff), densidad de corriente de cortocircuito ( J sc ), voltaje de circuito abierto ( V oc ) y factor de relleno (FF) de MAPbI 3 células solares. El rendimiento del dispositivo se degrada a medida que aumenta el ángulo de pulverización catódica de la capa de ITO oblicua, porque el contenido de oxígeno en las capas de ITO oblicuas y su resistencia aumentan con el ángulo de pulverización catódica [10]. Se puede lograr la máxima eficiencia después de la deposición en un ángulo oblicuo de 30 ° debido a la conductividad favorable.
Densidad de corriente-voltaje ( J - V ) de células solares basadas en MAPbI 3 perovskita con capa de ITO oblicua pulverizada en varios ángulos oblicuos
La Figura 8 traza la densidad de corriente-voltaje ( J - V ) curvas de las células solares basadas en MAPbI 3 perovskita con la capa de ITO oblicua pulverizada durante varios tiempos de pulverización catódica, antes de someterse a un tratamiento térmico a una temperatura de recocido de 300 ° C. La Tabla 2 presenta la correspondiente eficiencia de conversión de energía (Eff), densidad de corriente de cortocircuito ( J sc ), voltaje de circuito abierto ( V oc ) y factor de relleno (FF) de MAPbI 3 células solares. La eficiencia óptima se alcanza cuando el tiempo de pulverización catódica de la capa de ITO oblicua es de 15 min debido al grosor de la capa y su buena conductividad. El mejor dispositivo se obtiene utilizando este ángulo de deposición, con J SC =20,46 mA / cm 2 , V OC =0,92 V, FF =60,00% y Eff =11,30%.
Densidad de corriente-voltaje ( J - V ) de células solares basadas en MAPbI 3 perovskita con capa de ITO oblicua pulverizada durante varios tiempos de pulverización catódica
Conclusiones
En resumen, este trabajo demostró las características de MAPbI 3 películas de perovskita en el PEDOT:PSS / ITO pulverizado oblicuamente / sustratos de vidrio que se fabricaron utilizando varios tiempos de pulverización catódica y ángulos de pulverización catódica. El rendimiento del dispositivo se optimizó utilizando una capa de ITO oblicua que se preparó mediante pulverización catódica a 30 ° durante 15 min, con una densidad de corriente de cortocircuito ( J SC ) =20,46 mA / cm 2 , voltaje de circuito abierto ( V OC ) =0,92 V, factor de llenado (FF) =66,0% y eficiencia de conversión de energía (Eff) =11,3%. El rendimiento del dispositivo se degrada a medida que el ángulo de pulverización catódica de la capa de ITO oblicua aumenta de 30 ° a 80 ° porque la resistencia del dispositivo aumenta con el ángulo de pulverización catódica. Aunque las capas de ITO oblicuas mejoran la dispersión de la luz incidente, la alta resistividad degrada el rendimiento del dispositivo. Por lo tanto, se puede lograr una eficiencia óptima mediante la deposición en un ángulo oblicuo de 30 ° debido a la conductividad.
Abreviaturas
- FESEM:
-
Microscopio electrónico de barrido por emisión de campo
- ALEGRE:
-
Deposición de ángulo de mirada
- ITO:
-
Óxido de indio y estaño
- J - V :
-
Densidad de corriente – voltaje
- MAPbI 3 :
-
CH 3 NH 3 PbI 3
- PEDOT:PSS:
-
Poliestireno sulfonato de poli (3,4-etilendioxitiofeno)
- TCO:
-
Óxido conductor transparente
- XRD:
-
Difractómetro de rayos X
Nanomateriales
- Célula solar
- Un breve informe de progreso sobre las células solares de perovskita de alta eficiencia
- Cómo obtener una cobertura total de la película de perovskita estable mediante el proceso antidisolvente modificado
- Células solares de perovskita invertida altamente eficientes con capa de transporte de electrones CdSe QD / LiF
- Perovskita híbrida de vaporización secuencial para células solares de heterounión plana
- El precursor de titanio óptimo para la fabricación de una capa compacta de TiO2 para células solares de perovskita
- Células solares de perovskita fabricadas con un aditivo polar aprótico respetuoso con el medio ambiente de 1,3-dimetil-2-imidazolidinona
- Una investigación sobre una célula solar de silicio cristalino con una capa de silicio negro en la parte posterior
- Rendimiento fotovoltaico de una célula solar de matriz de nanoestructura híbrida de nanocables / puntos cuánticos
- Efecto del recubrimiento de nanocapa de tungsteno en el electrodo de Si en una batería de iones de litio
- Fabricación de una célula solar de silicio monocristalino eficiente al 20,19% con microestructura piramidal invertida