Cristalización bidimensional controlable de perovskita mediante aditivo de agua para células solares de alto rendimiento

Resultados y discusión

Para investigar la influencia de H ₂ Como complemento al rendimiento de los PVSC 2D, fabricamos los dispositivos invertidos con la configuración de óxido de indio y estaño (ITO) / PEDOT:PSS / BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ / PC ₆₁ BM / BCP / Ag como se muestra en la Fig. 1a. El agua desionizada se mezcló con una solución precursora de perovskita con una relación de volumen variada de 0 a 5%. La densidad-voltaje de la fotocorriente ( J – V) curvas de los PVSC 2D campeones basados ​​en perovskita con varias cantidades de aditivo de agua bajo iluminación de AM 1.5G, 100 mW / cm ² se muestran en la Fig. 1b, y los parámetros fotovoltaicos correspondientes se enumeran en la Tabla 1. El dispositivo de control sin aditivo de agua exhibe un voltaje de circuito abierto bajo ( V _oc ) de 0,84 V, una densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ) de 5,73 mA / cm ² , un factor de relleno ( FF ) del 47,63%, lo que da como resultado un PCE deficiente de 2,29%. De la Tabla 1, está claro que la cantidad adecuada de H ₂ El aditivo O mejora drásticamente el rendimiento fotovoltaico correspondiente de los dispositivos. En el caso de perovskita 2D con 3% H ₂ O, el dispositivo con mejor rendimiento muestra un PCE del 12,15%, con una V _oc de 1,06 V, J _sc de 15,80 mA / cm ² y FF de 72,56%. La mejora significativa en PCE se atribuye a la película de perovskita tratada con aditivos, que muestra una mayor cristalinidad, granos más grandes como ladrillos, morfología uniforme y orientación vertical perpendicular al sustrato. Los detalles se discutirán a continuación. Al aumentar aún más la proporción de volumen de H ₂ O a 5%, los parámetros fotovoltaicos de PVSC se deterioraron. La Figura 1c presenta la densidad de fotocorriente en estado estable donde PCE es una función del tiempo en el punto de máxima potencia (0,84 V). El PCE del dispositivo campeón con 3% H ₂ O se estabiliza al 11,78% (negro) con una densidad de fotocorriente de 14,02 mA / cm ² (rojo) en el tiempo de escaneo de 200 s, y está cerca del valor extraído de J-V curva. Es importante destacar que la estabilidad en almacenamiento es uno de los requisitos clave para la aplicación práctica de PVSC. Tanto los dispositivos sin sellar sin y con 3% H ₂ O se almacenaron en una atmósfera de aire con una humedad relativa de 25 ± 5% a 25 ° C para examinar la evolución de su PCE en función del tiempo. Como se muestra en la Fig. 1d, el dispositivo con 3% H ₂ O todavía retuvo el 85,76% de su PCE inicial después de 720 h, que era mucho más estable que la del dispositivo sin H ₂ O (52,76%). La estabilidad significativamente mejorada se atribuye a las perovskitas 2D hidratadas estables que pueden generarse durante el proceso de recocido y recubrimiento por rotación. Las perovskitas 2D hidratadas estables resisten la descomposición de la película de perovskita 2D hasta cierto punto [39, 40]. Sobre la base de los resultados anteriores, llegamos a la conclusión de que el dispositivo tratado con un contenido de agua óptimo no solo ofrece un rendimiento fotovoltaico superior, sino que también muestra una buena estabilidad.

un Ilustración esquemática de la estructura PVSC. b Curvas J-V de PVSC basadas en BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ películas depositadas a partir de soluciones de precursores de perovskita dopadas con diferente volumen H ₂ O. c Fotocorriente de estado estacionario y PCE de la condición solar del dispositivo campeón 1. d Estabilidad a largo plazo del dispositivo sin sellar sin y con 3% H ₂ O

Los datos estadísticos para los parámetros fotovoltaicos de 16 PVSC en cada caso se muestran en la Fig. 2a – d. Los dispositivos sin y con 1,5%, 3% y 5% de H ₂ O presenta el mejor PCE de 2.29%, 7.63%, 12.15% y 10.38% con el valor promedio de 1.85%, 6.59%, 11.38% y 9.02%, respectivamente (Tabla 1). Estos datos estadísticos muestran las mismas tendencias que sus dispositivos campeones correspondientes, lo que demuestra las mejoras de rendimiento estadísticamente significativas del dispositivo con una cantidad adecuada de agua desionizada.

Distribución estadística de ( a ) V _oc , ( b ) J _sc , ( c ) FF y ( d ) PCE de PVSC 2D basados ​​en BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ películas con varias cantidades de H ₂ O aditivo

El SEM se realizó para evaluar los efectos de H ₂ O aditivo sobre morfología y cobertura de películas de perovskita 2D. Las imágenes SEM de vista superior de BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ película con varias cantidades de H ₂ O aditivo se muestran en la Fig. 3a-c, y las imágenes SEM de la sección transversal correspondiente se muestran en los insertos de la Fig. 3a-c. La película de perovskita sin H ₂ O (denotado como perovskita-w / o H ₂ O) presenta una morfología pobre con pequeñas cantidades de grietas y poros, mientras que la película con 3% H ₂ O (denotado como perovskita-3% H ₂ O) muestra una superficie más uniforme sin grietas. Se puede observar una gran cantidad de huecos y grietas cuando el 5% de H ₂ O (denotado como perovskita-5% H ₂ O), que se debe principalmente a la descomposición de la perovskita hidratada causada por un volumen excesivo de H ₂ O [41]. Además, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3a, la película sin H ₂ El aditivo O se construye a partir de pequeños granos cristalinos orientados al azar con muchos límites de grano. El tamaño de grano de la perovskita-3% H ₂ La película O es más grande que la de perovskita-5% H ₂ O película, aunque ambos exhiben una morfología similar a un ladrillo orientado verticalmente. Los granos más grandes en la película de perovskita 2D dan como resultado casi ningún límite de grano a lo largo de la dirección vertical. Se ha informado que los límites de los granos son regiones donde los estados trampa están distribuidos principalmente [45, 46]. Por lo tanto, la perovskita-3% H ₂ Las películas O con granos de cristal orientados verticalmente más grandes contribuyen a PVSC eficientes.

un - c Imágenes SEM de vista superior e imágenes SEM de sección transversal (recuadros) de BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ películas con varias cantidades de H ₂ O aditivo. Patrones GIWAXS de BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ película:( d ) sin H ₂ O aditivo y ( e ) con 3% H ₂ O aditivo

Los patrones GIWAXS se han utilizado para identificar aún más el papel del aditivo de agua en el crecimiento de cristales de películas de perovskita 2D. Especulamos que el aditivo de agua puede regular el proceso de cristalización de la perovskita debido a su punto de ebullición más bajo y su presión de vapor más alta en comparación con la DMF [40]. Además, la incorporación de una cantidad adecuada de agua en DMF aumenta la solubilidad del compuesto iónico de perovskita, lo que mejora la calidad de las películas de perovskita con mayor cristalinidad [47]. Los resultados de SEM y GIWAXS en este trabajo son consistentes con la especulación. Como se muestra en la Fig. 3d, la perovskita-w / o H ₂ La película O muestra varios anillos de Bragg en q específicos valores, que indican principalmente granos de cristal orientados al azar dentro de esta película policristalina. Sin embargo, la perovskita-3% H ₂ La película O muestra manchas de Bragg nítidas y discretas a lo largo del mismo q posición (Fig. 3e), que sugiere los granos de cristal bien alineados con (111) planos paralelos al sustrato [17]. Además, las manchas de Bragg más oscuras se observan en perovskita-3% H ₂ O mientras que los anillos de difracción menos aparentes en perovskita-w / o H ₂ O película, que demuestra el aumento de cristalinidad de perovskita-3% H ₂ O película. La perovskita-3% H ₂ altamente orientada La película de O que es perpendicular al sustrato puede formar un canal de transporte de portadores eficiente, lo que conduce a un mejor rendimiento fotovoltaico [14, 17].

Para revelar el impacto de los cambios morfológicos y cristalográficos resultantes de la adición de agua sobre las propiedades ópticas de las películas, llevamos a cabo una medición por espectroscopía de absorción, como se muestra en la Fig. 4a. Tanto la perovskita-w / o H ₂ O película y la perovskita-3% H ₂ La película O exhibe múltiples picos de absorción de excitones en los espectros de absorción UV-Vis, lo que indica la existencia de múltiples fases de perovskita con diferentes n valores, aunque nominalmente preparados como " n =4 ”. Sin embargo, la perovskita-3% H ₂ La película O muestra una absorción ligeramente mejorada en el rango de 400-600 nm en comparación con la perovskita-w / o H ₂ O película. A partir de las imágenes SEM de la sección transversal (recuadros de la Fig. 3a-c), se puede concluir que todas las películas de perovskita 2D muestran casi el mismo grosor. Por lo tanto, atribuimos la absorción mejorada a una película de perovskita uniforme, altamente cristalina y altamente orientada inducida por un aditivo de agua [14, 48]. La eficiencia cuántica externa ( EQE ) espectros de PVSC sin H ₂ O aditivo y PVSC con 3% H ₂ O se muestran en la Fig. 4b, y los correspondientes valores de corriente integrados derivados se trazan a la derecha y -eje. El J integrado _sc de EQE espectro de PVSC sin H ₂ O aditivo y PVSC con 3% H ₂ O es 5,16 mA / cm ² y 15,20 mA / cm ² , respectivamente. Los valores están cerca de los resultados medidos de la curva J – V. Aparentemente, los valores de EQE del dispositivo con 3% H ₂ O en la mayoría de los rangos de luz visible son mucho más altos que los del dispositivo sin aditivo. Este fenómeno no solo es el resultado de una absorción de luz mejorada, sino que también proviene principalmente de un transporte de carga más eficiente en una película de perovskita 2D altamente orientada con una mejor cristalinidad.

un Espectros de absorción de BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ películas sin y con 3% H ₂ O. b Espectros EQE y curva de corriente integrada de los dispositivos correspondientes. c Curvas oscuras de corriente-voltaje de las HOD basadas en las correspondientes películas de perovskita 2D (recuadro:configuración de las HOD). d Espectros TRPL de las correspondientes películas de perovskita 2D

Además, medimos las curvas oscuras de corriente-voltaje de los dispositivos de solo orificios (HOD) con una estructura de ITO / PEDOT:PSS / perovskita 2D / Spiro-OMeTAD / Au para caracterizar la densidad del estado de la trampa ( N _t ) en películas de perovskita 2D (Fig. 4v). La N _t fue determinada por el voltaje límite lleno de trampa ( V _TFL ) según la ecuación (1) [14, 46, 49]:

$$ {N} _t =\ frac {2 {\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r {V} _ {TFL}} {q {L} ^ 2} $$ (1)

donde ε _o es la permitividad del vacío, ε _r es la constante dieléctrica relativa de la perovskita 2D, q es la carga elemental, y L es el espesor de la película de perovskita 2D. Ambas películas de perovskita tienen el mismo ε _r valor y el mismo espesor. Por lo tanto, la N _t se correlaciona positivamente con la V _TFL valor. Como se muestra en la Fig. 4c, la V _TFL valor obtenido de perovskita 2D-3% H ₂ El HOD basado en O es obviamente más bajo que el obtenido a partir de perovskita 2D-w / o H ₂ HOD basado en O. Demuestra que la densidad de estado de trampa en la perovskita 2D-3% H ₂ Se ha reducido la película O. Esto se confirmó además por los espectros de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) de las películas de perovskita 2D depositadas sobre vidrio no conductor. El tiempo de disminución de las señales de fluorescencia se ajustó a dos exponenciales, como se muestra en la Fig. 4d. Beneficiado de películas de alta calidad con pocos límites de grano como se evidencia en la Fig.2, la perovskita 2D-3% H ₂ La película O tiene una vida útil de fluorescencia más larga de 10 ns en comparación con la perovskita 2D sin H ₂ Película O (2 ns), que demuestra la densidad reducida del defecto aparente en perovskita 2D-3% H ₂ O película.

Basándonos en todos los resultados anteriores, demostramos que la incorporación de un aditivo de agua adecuado en la solución precursora puede controlar el crecimiento de cristales de BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ Película de perovskita con tamaño de grano agrandado y cobertura de película uniforme, lo que conduce a una densidad de estado de trampa reducida. Y este BA ₂ altamente cristalino y altamente orientado MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ Las películas de perovskita inducidas por un aditivo de agua facilitarían el transporte de carga [8, 9, 14]. Por lo tanto, el BA ₂ de alta calidad MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ Las películas de perovskita aportan una mejora integral en V _oc , J _sc , FF de los PVSC correspondientes.

Conclusión

En conclusión, hemos investigado los efectos de H ₂ O aditivo en 2D BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ películas delgadas de perovskita y el rendimiento del dispositivo correspondiente. Optimizando la cantidad de H ₂ O aditivo, morfología de la superficie, tamaño de grano y cristalinidad del BA ₂ MA ₃ Pb ₄ Yo ₁₃ obviamente se mejoran las películas y se obtiene la orientación cristalina preferida. Por lo tanto, optimizado 3% H ₂ O PVSC 2D basado en aditivos produce una mejora significativa en PCE de 2,29 a 12,15%. Mientras tanto, también se mejora la estabilidad en almacenamiento de los dispositivos. Nuestros resultados demuestran que el control de la cristalización de perovskita 2D a través de H ₂ El aditivo O es una forma eficaz de obtener PVSC 2D eficientes y estables.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

PCE:

Eficiencia de conversión de energía

PVSC:

Células solares de perovskita

PEA ⁺ :

Fenetilamonio

BA ⁺ :

Butil amonio

H ₂ O:

Agua

NH ₄ SCN:

Tiocianato de amonio

NH ₄ Cl:

Cloruro de amonio

DMSO:

Dimetilsulfóxido

TSC:

Tiosemicarbazida

MAI:

Yoduro de metil-amonio

BAI:

yoduro de n-butilamonio

PC ₆₁ BM:

Éster metílico del ácido fenil-C61-butírico

BCP:

Bathocuproine

spiro-MeOTAD:

2,29,7,79-tetraquis (N, N-di-p-metoxifenilamina) -9,9-espirobifluoreno)

ITO:

Óxido de indio y estaño

J-V :

Densidad-voltaje de corriente

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

GIWAXS:

Dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante

EQE :

Eficiencias cuánticas externas

TRPL:

Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo

V _oc :

Voltaje del circuito

J _sc :

Densidad de corriente de cortocircuito

FF :

Factor de relleno

HOD:

Dispositivos solo para agujeros

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