RGO-PEDOT híbrido tratado con ozono UV:PSS como material de transporte de orificios eficiente en células solares planas invertidas de perovskita
Resumen
Las células solares planas invertidas de perovskita (PSC), que se consideran dispositivos prometedores para la nueva generación de sistemas fotovoltaicos, muestran muchas ventajas, como la formación de películas a baja temperatura, fabricación de bajo costo y una histéresis más pequeña en comparación con las tradicionales PSC n-i-p. Como una importante capa de transporte de portadores en los PSC, la capa de transporte de huecos (HTL) afecta considerablemente el rendimiento del dispositivo. Por lo tanto, la modificación de HTL se convierte en uno de los problemas más críticos para mejorar el rendimiento de los PSC. En este artículo, informamos sobre un método de tratamiento con ozono UV eficaz y respetuoso con el medio ambiente para mejorar la hidrofilia del óxido de grafeno reducido (rGO) con su excelente rendimiento eléctrico. El rGO tratado se aplicó a poli (3,4-etilendioxitiofeno) poli (estireno-sulfonato) dopado (PEDOT:PSS) como material HTL de PSC. En consecuencia, el rendimiento de rGO / PEDOT:PSC dopados con PSS se mejoró significativamente, con una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 10,7%, J sc de 16,75 mA / cm 2 , V oc de 0,87 V y FF del 75%. El PCE de estos PSC dopados fue un 27% más alto que el de los PSC con PEDOT:PSS prístino como HTL. Este rendimiento se atribuyó a la excelente morfología de la superficie y la movilidad optimizada del pozo del PEDOT:PSS modificado con rGO procesable en solución.
Antecedentes
Como uno de los 10 avances científicos y tecnológicos más importantes del mundo en 2013, el material híbrido de perovskita orgánico-inorgánico se considera uno de los materiales más prometedores para el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia debido a su excelente propiedad fotoeléctrica [1, 2, 3]. En los últimos 7 años, la eficiencia de conversión de energía (PCE) de las células solares de perovskita (PSC) ha aumentado notablemente del 3,8 al 22,1%, lo que supera a las de las células solares de silicio policristalino convencionales [4]. Desafortunadamente, la fabricación tradicional de PSC de tipo n-i-p que implican un procedimiento de recocido a alta temperatura no está disponible para sustratos flexibles, lo que limita sus perspectivas comerciales. El nuevo dispositivo de células solares, que fue fabricado por primera vez por Guo et al. en 2013 y entregó un PCE del 3,9% [5], consta de poli (3,4-etilendioxitiofeno) poli (estireno-sulfonato) (PEDOT:PSS) como capa de transporte de huecos (HTL) y [6,6] -fenil C61 -Ester metílico del ácido butírico como capa de transporte de electrones (ETL). Específicamente, el material de transporte de orificios de tipo p (HTM) se deposita antes que la película de absorción de luz de perovskita. Posteriormente, el ETL de tipo n se deposita sobre la película de perovskita. Esta arquitectura p-i-n es una estructura invertida, que muestra muchas propiedades excelentes, como fácil fabricación, rentabilidad, pequeña histéresis y alto factor de llenado, en comparación con las de los dispositivos n-i-p tradicionales [6,7,8]. Hasta la fecha, los PCS planos invertidos han atraído un interés considerable [9, 10]. Los investigadores utilizaron una variedad de métodos, incluida la optimización de la estructura [11,12,13], el desarrollo de HTL [13] y ETL [14, 15] mejorados, el control cristalino y morfológico de las perovskitas [16, 17] y la ingeniería interfacial [18]. , 19,20], para mejorar la eficiencia de las PSC invertidas. Desafortunadamente, la eficiencia de las células solares planas invertidas sigue siendo menor que la de la estructura tradicional [21].
El grafeno es un tipo de nanomaterial de carbono 2D que se compone de sp 2 -atomos de carbono hibridados en una estructura hexagonal [22]. Este material posee excelentes ventajas en conductividad eléctrica, transparencia óptica y estabilidad ambiental [23, 24]. La modificación de HTL es uno de los aspectos más importantes para mejorar el rendimiento de las PSC planas invertidas. Por ejemplo, Yeo et al. aplicó nanohojas de óxido de grafeno reducido (rGO) como HTL, y la celda solar básica rGO mostró una eficiencia de dispositivo superior (10,8%) a las celdas solares basadas en PEDOT:PSS y GO [25]. Jokar y col. discutieron el comportamiento de extracción de carga de GO y rGO como capas de contacto p para PSC, demostrando que el rGO sintetizado mediante reducción de GO con agentes reductores obtiene PSC de heterounión plana invertida de alto rendimiento [26]. Además, los materiales de grafeno pueden servir como dopantes notables para modificar la capa de transporte de carga debido a su larga vida útil de electrones calientes y propiedades de extracción ultrarrápida de electrones calientes [27]. Sin embargo, los materiales comerciales de grafeno, como el rGO, se agregan cuando se dispersan en agua debido a la ausencia de grupos funcionales hidrófilos. GO exhibe baja conductividad debido a la estructura conjugada dañada. Por lo tanto, un grafeno procesable en solución que posea excelentes propiedades eléctricas, como rGO, y buenas características de dispersión, como GO, debería estar bien fabricado para la modificación de HTL.
En este artículo, presentamos un método de tratamiento de ozono UV simple y ecológico para obtener grafeno disperso en agua con alta movilidad de carga. Además, dopamos PEDOT:PSS utilizando el grafeno obtenido para formar un HTM mejorado en PSC invertidas. La incorporación de grafeno tratado en PEDOT:PSS aumentó la densidad de corriente de cortocircuito y el PCE de los PSC. Una V notablemente mejorada oc de 0,87 V con un J relativamente alto SC de 16,75 mA / cm 2 fue obtenido. El PCE correspondiente con un valor medio del 10,75% se consiguió con una alta reproducibilidad. El PCE típico de los PSC con rGO / PEDOT:PSS se mejoró en un 27% en comparación con el de los PSC con PEDOT:PSS prístino como HTL.
Métodos / Experimental
Productos químicos
PEDOT:PSS (CleviosTM PVP. Al 4083) y CH 3 NH 3 I (MAI) se adquirieron de Heraeus Materials Technology Shanghai Ltd. y Deysol Ltd., respectivamente. PbI 2 (99%), N anhidro , N -dimetilformamida (DMF, 99,8%) y clorobenceno anhidro (CB, 99,8%) fueron suministrados por Sigma-Aldrich Company. [6,6] -fenil-C 61 éster metílico del ácido butírico (PC61BM,> 99%) y 2,9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (BCP,> 99%) se obtuvieron de Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO fue sintetizado por YF Equipo de Chen [28].
Preparación de la solución
Aproximadamente 5 mg de rGO se colocaron en una placa Petri de cuarzo y posteriormente se trataron con un procedimiento de limpieza con ozono UV (potencia operativa, 270 W) de forma continua durante 2 h. Posteriormente, el rGO obtenido se recogió y se añadió a agua desionizada para formar una solución con la concentración de 1 mg / mL bajo tratamiento de baño ultrasónico.
Para obtener una HTM mejorada para las PSC invertidas, se agregaron soluciones de rGO con diferentes proporciones de volumen (0,1, 0,2 y 0,3) a la solución PEDOT:PSS a temperatura ambiente. Las soluciones de rGO / PEDOT:PSS resultantes se agitaron magnéticamente durante la noche y se filtraron mediante filtros de politetrafluoroetileno (PTFE) (0,45 μm).
La solución precursora de perovskita se preparó mediante los siguientes procesos. MAI y PbI 2 El polvo se mezcló en DMF anhidro con una relación molar de 1:1. Posteriormente, la solución (40% en peso) se agitó durante la noche a 60 ° C y se filtró con filtros de PTFE de 0,45 μm antes de la fabricación del dispositivo.
Fabricación de dispositivos
La estructura de las PSC de heterounión plana invertida era óxido de indio y estaño (ITO) / PEDOT:PSS / CH 3 NH 3 PbI 3 / PC 61 BM / BCP / Ag. El sustrato ITO (1,5 × 1,5 cm 2 ) se limpió secuencialmente con acetona, isopropanol y agua desionizada. La solución de rGO / PEDOT:PSS tratada con ozono UV preparada se revistió por centrifugación para formar una película a 4000 rpm durante 40 sy se trató térmicamente a 150ºC durante 10 min en aire. En este tratamiento, la capa activa de perovskita se depositó mediante el método de solución de un solo paso mediante recubrimiento por rotación CH 3 NH 3 PbI 3 solución precursora (40% en peso en DMF) a 4000 rpm durante 40 s. Para mejorar la cristalización de la capa activa, se dejaron caer rápidamente 70 μL de CB sobre CH 3 NH 3 PbI 3 película húmeda aproximadamente 6 s después del comienzo del centrifugado, como se informa en la literatura [29]. Las películas se recocieron a 110 ° C durante 30 minutos dentro de la caja de guantes llena de nitrógeno. Posteriormente, se revistió por rotación una solución de PC61BM en CB (20 mg / ml) sobre la película de perovskita a 3000 rpm durante 40 s. Posteriormente, se revistió por centrifugación una solución saturada de BCP en alcohol isopropílico a 2000 rpm durante 30 s. Finalmente, se depositó una capa de Ag (100 nm) por evaporación térmica.
Caracterización
El análisis de componentes de rGO se realizó mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) con un espectrómetro de electrones ESCALAB 250. Las estructuras de cristalización del CH 3 NH 3 PbI 3 Las capas se determinaron mediante difracción de rayos X (difractómetro de rayos X multifuncional de alta resolución XRD Bede, británico). La morfología de la película se observó mediante microscopía de fuerza atómica (AFM, SPI3800, Japón). La medición de la densidad de corriente-voltaje (J-V) se llevó a cabo utilizando un medidor de fuente modelo 2400 de Keithley con iluminación solar simulada de AM 1,5 G (100 mW / cm 2 ) generado por un simulador solar (ABET Technologies, SUN 3000).
Resultados y discusión
Las rGO sin tratar y tratadas con ozono UV disueltas en agua desionizada con una concentración de 1 mg / mL se muestran en la Fig. 1. La rGO sin tratar apenas se puede dispersar en agua desionizada, y la tratada se puede dispersar homogéneamente en agua. que se atribuye a algunos grupos –OH y –COOH en rGO. La solución de rGO tratada con ozono UV todavía muestra un color negro intenso en comparación con la solución comercial de GO marrón de 1 mg / ml [22], lo que indica el proceso de oxidación incompleto del tratamiento con ozono UV.
Fotografías de a sin tratar y b Solución de rGO tratada con ozono UV (1 mg / ml en H 2 O)
La medición de XPS se realizó para verificar si partes de los grupos de rGO que contienen oxígeno se sometieron a tratamiento hidrófilo. Como se muestra en la Fig. 2a, los espectros C1s de rGO sin tratar presentan claramente un alto grado de oxidación con cuatro grupos funcionales correspondientes a C – C (anillo C no oxigenado, 284.7 eV), C – O (C en enlaces C – O , 286,1 eV), C =O (carbonilo C, 287,2 eV) y C– (O) –OH (grupos carboxilo, 288,8 eV) [30]. Para rGO tratado moderadamente con ozono UV, las intensidades de los picos asignados a C – O y C– (O) –OH aumentan levemente. La intensidad de los picos asignados a C – O y C– (O) –OH aumenta más evidentemente que la de C =O. Por lo tanto, rGO tratado con ozono UV puede inducir válidamente un grupo hidrófilo.
Espectros XPS de a sin tratar y b RGO tratado con ozono UV
Se obtuvieron espectros XRD para investigar la estructura de cristalización del CH 3 NH 3 PbI 3 capas. CH 3 NH 3 PbI 3 Se revistieron por centrifugación películas delgadas sobre PEDOT:PSS y rGO / PEDOT:PSS HTL prístinos y posteriormente se recocieron a 100 ° C durante 30 min. Como se muestra en la Fig.3, ambas películas de perovskita exhiben características similares y muestran tres picos a 14.14 °, 28.08 ° y 31.86 °, que están asociados con los planos (110), (220) y (310) de los cristales de perovskita, respectivamente. Sin embargo, la perovskita recubierta en la capa híbrida rGO / PEDOT:PSS muestra picos de difracción más nítidos que los recubiertos en la PEDOT:PSS original, lo que sugiere la cristalinidad mejorada de la perovskita en la capa PEDOT:PSS modificada.
Patrones XRD de las películas de perovskita en rGO / PEDOT:PSS y PEDOT:PSS
Se llevó a cabo AFM para investigar el efecto de la incorporación de rGO en PEDOT:PSS. La Figura 4 muestra las imágenes AFM de vista superior de películas delgadas PEDOT:PSS y rGO / PEDOT:PSS. Estas imágenes de vista superior AFM de películas delgadas rGO / PEDOT:PSS no revelan ningún signo evidente de rGO en el área escaneada. Este resultado se atribuye a que el rGO está en el medio de la capa PEDOT:PSS con una estructura tipo sándwich. Además, la rugosidad de la raíz cuadrada media (RMS) de la capa prístina de PEDOT:PSS es de aproximadamente 1,15 nm. Las películas delgadas rGO / PEDOT:PSS poseen una rugosidad RMS de 1,27 nm. La literatura anterior informó [19] que una rugosidad de la superficie del sustrato ligeramente alta es beneficiosa para el proceso de cristalización de perovskita, y causa un gran tamaño de grano y una cristalinidad mejorada, lo que está de acuerdo con la conclusión mostrada en la Fig. 3.
Imágenes de vista superior de AFM de a PEDOT prístino:PSS y b rGO / PEDOT:películas delgadas de PSS:todas las imágenes capturaron un área de 2,5 × 2,5 μm 2
La concentración de rGO en PEDOT:PSS está regulada para optimizar el rendimiento de los PSC. La Figura 5a muestra las curvas J – V del PSC con PEDOT:PSS prístino y PSC con rGO / PEDOT:PSS a diferentes proporciones de volumen. PSC con PEDOT impecable:PSS exhibe una V oc de 0,85 V, a J SC de 13,29 mA / cm 2 , un FF del 66% y un PCE correspondiente del 8,48%. Para PSC con relaciones de volumen de 0,1, 0,2 y 0,3 de rGO / PEDOT:PSS como HTL, el V OC los valores son 0,90, 0,87 y 0,89 V, respectivamente. En consecuencia, el J sc es 15,04, 16,75 y 13,44 mA / cm 2 ; el FF es 66, 75 y 73% y 68%; y el PCE es 10,16, 10,75 y 8,16%, respectivamente. En general, el dispositivo más notable con una V OC de 0,87 V, a J SC de 16,75 mA / cm 2 , se observó un FF del 75% y un PCE del 10,75% en los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL. Tanto el V OC y J SC de los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL aumentan significativamente en comparación con los de los PSC incorporados con PEDOT:PSS prístino como HTL. En consecuencia, se observó una mejora de aproximadamente el 27% en los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL.
un Curvas J – V del PSC con PEDOT impecable:PSS y PSC con rGO / PEDOT:PSS a diferentes relaciones de volumen. b Curvas J – V de PSC con PEDOT impecable:PSS como HTL (líneas rojas) y PSC (líneas azules) con rGO / PEDOT:PSS (0,2 v / v ) como HTL medido bajo luz solar AM1.5 simulada de 101 mW / cm 2 irradiancia (líneas continuas) y en la oscuridad (líneas discontinuas)
Para comprender la V mejorada OC y J SC para PSC con rGO / PEDOT:PSS como HTL, la figura 5b muestra las curvas J – V de PSC con PEDOT impecable:PSS como HTL y PSC con rGO / PEDOT:PSS (0,2 v / v ) como HTL, respectivamente. El valor significativamente mayor de J sc se debe principalmente a la disminución de la resistencia en serie del dispositivo. Además, la disminución de la corriente oscura también contribuye al incremento de J sc de los dispositivos según un estudio previo [31,32,33]. Para dilucidar aún más el mecanismo subyacente a la mejora del rendimiento del dispositivo, también se caracterizaron las curvas J – V de los dispositivos en condiciones de oscuridad. La medición de J – V en la oscuridad juega un papel importante en el examen de las propiedades de los diodos de las células solares [34]. Las mediciones de J – V oscuro utilizan métodos eléctricos para inyectar portadores en el circuito en lugar de portadores fotogenerados para proporcionar información adicional sobre la celda con fines de diagnóstico. Las curvas J – V de PSC con PEDOT:PSS prístino como HTL y rGO / PEDOT:PSS como HTL medido en la oscuridad se muestran en la Fig. 5b. El valor de corriente oscura para PSC con rGO / PEDOT:PSS como HTL es menor que el de PSC con PEDOT:PSS prístino como HTL. Este resultado indicó que se suprime la corriente de fuga de los PSC con rGO / PEDOT:PSS como HTL. Para las células solares, la corriente oscura incluye la corriente saturada inversa, la corriente de fuga de película delgada y la corriente de fuga general. Por lo tanto, muchos portadores de carga fotogenerados pueden fluir a través del dispositivo en lugar de compensarse directamente con una corriente oscura o una derivación. En general, la corriente oscura es suprimida por el PEDOT:PSS HEL de alta conductividad eléctrica dopado con rGO. En consecuencia, la V OC y J SC se mejoran, lo que se ajusta a los datos obtenidos de las curvas J – V oscuras.
Histogramas de parámetros fotovoltaicos estadísticos ( V OC , J SC , FF y PCE) para PSC con PEDOT:PSS prístino como HTL y rGO / PEDOT:PSS como HTL se muestran en la Fig. 6. Los datos estadísticos se derivaron de un total de 60 dispositivos. La mayoría de los parámetros fotovoltaicos están de acuerdo con la distribución de Gauss a pesar de algunos datos experimentales, como se muestra en las curvas de ajuste de la Fig. 6. Según los datos estadísticos, la V OC , J SC , FF y PCE de PSC con PEDOT impecable:PSS como HTL son 0,85 ± 0,01 V, 13,88 ± 0,65 mA / cm 2 , 64,69 ± 1,41% y 7,65 ± 0,48%, respectivamente. Sin embargo, la V OC , J SC , FF y PCE de PSC con rGO / PEDOT:PSS como HTL son 0,88 ± 0,02 V, 15,25 ± 1,8 mA / cm 2 , 72,37 ± 2,03% y 9,7 ± 1,04%, respectivamente. En resumen, el V OC no presenta ningún cambio evidente. FF y J SC aumentar significativamente, lo que provoca una mejora del 27% en la eficiencia. Intrínsecamente, el rGO aumenta el J sc y FF de los PSC incorporados con rGO / PEDOT:PSS como HTL. Ambos V OC y J SC de los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL aumentan significativamente en comparación con los de los PSC incorporados con PEDOT:PSS prístino como HTL. En consecuencia, se observa una mejora de aproximadamente un 27% en los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL.
Histogramas de parámetros fotovoltaicos estadísticos a V OC , b J SC , c FF y d PCE para PSC con PEDOT impecable:PSS como HTL y rGO / PEDOT:PSS como HTL
Conclusiones
Informamos sobre un método de tratamiento de ozono UV simple y eficaz para obtener rGO de alto rendimiento y procesable en solución. También demostramos el rGO tratado con ozono UV como un aditivo para modificar el PEDOT:PSS como HTL para la fabricación de PSC eficientes. Células solares basadas en PEDOT dopado con rGO tratado:PSS mostró un rendimiento prometedor con una V OC de 0,87 V, a J SC de 16,75 mA / cm 2 , un FF del 75% y un PCE del 10,75%. Además, dada la excelente morfología de la superficie y la movilidad mejorada del orificio, se observó una mejora de la eficiencia de conversión fotoeléctrica del 27% en los PSC incorporados con 0,2 v / v rGO / PEDOT:PSS como HTL. Las distintas ventajas de rGO procesable en solución brindan una nueva posibilidad de lograr células solares de alta eficiencia y otros dispositivos fotoeléctricos.
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