Células solares de perovskita bidimensional de alta eficiencia estables a través de la incorporación de bromo

Resultados y discusión

Las películas de perovskita 2D que incorporaron diferentes cantidades de bromo se prepararon mediante un método de fundición en caliente descrito anteriormente. Con este método, los sustratos se precalientan para favorecer la cristalización y la orientación [40]. Para investigar los efectos de diferentes cantidades de PbBr ₂ en las soluciones de precursores de perovskita 2D sobre la morfología de la película resultante, se llevaron a cabo mediciones con microscopio electrónico de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Como se muestra en la Fig. 1a, la perovskita 2D BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} película sin incorporación de bromo ( x =0%, denotado como control perovskita) presenta una morfología pobre con grandes grietas, lo que indica la baja cobertura y compacidad inferior. Las grietas desaparecen en la película de perovskita 2D con 5% molar de PbBr ₂ contenido ( x =5%, denotado como perovskita-5%). Sin embargo, la película de perovskita al 5% todavía muestra algunos agujeros (Fig. 1b). En el caso de la película de perovskita 2D con 10% molar de PbBr ₂ contenido ( x =10%, denotado como perovskita-10%), la superficie de la película se vuelve uniforme y compacta sin grietas ni agujeros (Fig. 1c). Como el PbBr ₂ el contenido aumenta aún más al 15% en moles ( x =15%, denotado como perovskita-15%), aparecieron nuevamente grietas en la película (Fig. 1d). Las imágenes AFM de una película de perovskita 2D con varias cantidades de PbBr ₂ se muestran en la Fig. 2a-d, que son consistentes con los resultados de SEM. La película de perovskita de control muestra una superficie rugosa con un alto valor de rugosidad cuadrática media (RMS) de 51,2 nm. El reemplazo parcial de yodo con bromo reduce en gran medida el valor RMS a 21,3 nm para perovskita-5% y 23,1 nm para perovskita-15%, respectivamente. Especialmente, la película de perovskita al 10% exhibe una superficie bastante lisa con el valor RMS más bajo de 10,7 nm debido a la desaparición de grietas y poros. Los resultados anteriores indican que la incorporación de una cantidad apropiada de bromo es beneficiosa para mejorar la uniformidad y la cobertura de la superficie de la película de perovskita 2D. Es bien sabido que las grietas y poros en la película pueden provocar un fuerte desorden energético, causar recombinación, impedir el transporte de carga y debilitar el rendimiento fotovoltaico [47]. Por lo tanto, obtener una película de perovskita uniforme y bien cubierta es esencial para mejorar la eficiencia del dispositivo.

Imágenes SEM de BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} películas basadas en a 0% PbBr ₂ , b 5% PbBr ₂ , c 10% PbBr ₂ y d 15% PbBr ₂

Imágenes AFM de BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} películas basadas en a 0% PbBr ₂ , b 5% PbBr ₂ , c 10% PbBr ₂ y d 15% PbBr ₂ . Patrones de difracción de rayos X ( e ) y la imagen local ampliada correspondiente ( f ) de BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} películas con varias cantidades de PbBr ₂

Para investigar el impacto del bromo en la fase cristalina y la cristalinidad de las películas de perovskita 2D, se realizaron mediciones de difracción de rayos X (XRD). Como se muestra en la Fig. 2e, todas las películas muestran dos picos de difracción distintivos alrededor de 14,5 ° y 28,4 °, que pueden asignarse a (111) y (202) planos cristalográficos, respectivamente. Estudios anteriores han sugerido que tanto la orientación (111) como la (202) permiten la [(MA) _{n −1} Pb _n Yo _{3 n +1} ] ²⁻ las losas crecen en alineación vertical con el sustrato PEDOT:PSS / ITO [13, 23, 24]. Por lo tanto, la sustitución limitada de yodo por bromo conduce a la formación de una película de perovskita 2D orientada verticalmente, como lo demuestra el aumento de intensidad preferido en los picos (111) y (202) [48]. La película de perovskita 2D orientada verticalmente permite un transporte más eficiente de portadores inducidos por fotones, mejorando el rendimiento fotovoltaico de PVSC [23, 24]. Por un lado, los picos de difracción alrededor de 14,5 ° y 28,4 ° se vuelven más fuertes con la incorporación de bromo, lo que sugiere la cristalinidad mejorada de la película de perovskita. Por otro lado, los dos picos se desplazan gradualmente hacia ángulos más altos con la incorporación de bromo, lo que se debe al menor tamaño del ión bromo con respecto al ión yodo que contrae la red cristalina [13]. Estos cambios graduales en la posición del pico de difracción demuestran que BA ₂ mixto MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} Las perovskitas se forman con iones de bromo insertados en la red cristalina. Vale la pena señalar que todas las películas muestran los picos de (0 k 0) reflexiones en ángulos bajos (<10 °), lo que indica la formación de estructuras de perovskita 2D RP (Fig. 2f). Sin embargo, la película de control presenta algunos picos de difracción que no podrían asignarse a ningún pico característico de perovskita 2D típico. La intensidad de estos picos no deseados se debilita con la incorporación de bromo, dando lugar a la menor intensidad en la película de perovskita al 10%. Este fenómeno sugiere que la incorporación moderada de bromo puede inhibir la formación de las fases de impurezas en la película de perovskita 2D.

Además, se llevaron a cabo las mediciones de absorbancia y fotoluminiscencia (PL) para comprender la influencia de la incorporación de bromo en las propiedades ópticas de la película, como se resume en la Fig. 3a-c. La Figura 3a muestra los espectros de absorción UV-visible de la película de perovskita 2D con varias cantidades de PbBr ₂ . Todas estas películas muestran picos de absorción de excitones distintivos en los espectros de absorción, que se asignan a fases 2D con n =2, 3 y 4, aunque nominalmente preparado como " n =5. " La perovskita al 10% exhibe la intensidad de absorbancia mejorada, como resultado de una naturaleza densa y uniforme de la película resultante, como lo demuestran las imágenes SEM y AFM. Además, el borde de absorción de BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} tiene un cambio azul con el aumento de x valor, lo que demuestra la ampliación de la banda prohibida [49]. La Figura 3b presenta los espectros PL en estado estacionario de las películas de perovskita 2D depositadas sobre sustratos de vidrio. En comparación con la muestra de control que muestra la señal de PL más débil, la muestra de perovskita al 15% o la muestra de perovskita al 5% exhibe la señal de PL aumentada, mientras que la muestra de perovskita al 10% muestra la señal de PL más fuerte. Se observa una mejora notable de PL después de incorporar bromo, lo que indica la densidad de estado de trampa reducida en el PbBr ₂ películas tratadas. La Figura 3c muestra los espectros de desintegración PL resueltos en el tiempo del BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} películas centrifugadas sobre sustratos de vidrio, lo que también demuestra la reducción de la densidad del estado de trampa en la perovskita con la incorporación de bromo. Las curvas PL resueltas en el tiempo se ajustaron con una ecuación de dos exponenciales (Ec. (1)) que contiene un proceso de decaimiento rápido y un proceso de decaimiento lento, y los parámetros de ajuste se resumen en la Tabla 1. El decaimiento rápido ( τ ₁ ) se considera que es el resultado de la extinción del transporte de portadores en el dominio de perovskita y el lento decaimiento ( τ ₂ ) es el resultado de la recombinación radiativa [50]. La vida media ( τ ) de las películas de perovskita 2D se calculan de acuerdo con la Ec. (2). La película de perovskita al 10% presenta la τ más larga de 3,47 ns en comparación con otras películas (es decir, 0,9 ns, 2,72 ns y 1,31 ns para la película de control, película de perovskita al 5% y película de perovskita al 15%, respectivamente), lo que sugiere un proceso de recombinación más lento con menos defectos.

un Espectros de absorción, b espectros PL en estado estacionario y c curvas PL resueltas en el tiempo de BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} película con varias cantidades de PbBr ₂ recubrimiento por centrifugación sobre sustratos de vidrio. d Mediciones de voltaje oscuro de corriente de PVSC basadas en BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} película con varias cantidades de PbBr ₂

Además, para investigar si los estados de defectos reducidos surgen del PbBr ₂ cuando las películas de perovskita 2D se ensamblan en una estructura PVSC, también se recopilaron curvas oscuras de corriente-voltaje de los dispositivos correspondientes (Fig. 3d). La corriente oscura del dispositivo basado en la película de perovskita al 10% es mucho menor que la del dispositivo basado en la película de control al mismo voltaje. La corriente oscura más baja del dispositivo basado en la película de perovskita al 10% indica que los estados de defectos reducidos son de hecho contribuidos por la incorporación de bromo.

Se muestra PbBr ₂ en películas de perovskita 2D indujeron una morfología, cristalinidad y propiedades optoelectrónicas mejoradas. Fabricamos dispositivos PVSC con la arquitectura planar p-i-n como óxido de indio y estaño (ITO) / PEDOT:PSS / BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} / PCBM / BCP / Ag. El J-V Las curvas y los parámetros relacionados de los dispositivos de mejor rendimiento se muestran en la Fig. 4a y la Tabla 2. Los PVSC basados ​​en la película de perovskita de control arrojaron un rendimiento deficiente del dispositivo, mostrando un campeón PCE de 3,01% con un voltaje de circuito abierto ( V _oc ) de 0,89 V, una densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ) de 8,28 mA / cm ² y un factor de relleno ( FF ) del 40,79%. La introducción de bromo en el precursor de perovskita aumenta notablemente el PCE del dispositivo (Fig. 4a). El PCE más alto del 12,19% con una V _oc de 1,02 V, a J _sc de 17,86 mA / cm ² y un factor de relleno ( FF ) del 66,91% se obtuvo en el 10% en moles de PbBr ₂ -dispositivo tratado en comparación con el 8.88% en el 5% molar de PbBr ₂ -dispositivo contenido y 7,85% en el 15% en moles de PbBr ₂ -dispositivo contenido. Con el fin de comparar con mayor precisión el rendimiento de estos dispositivos, se fabricaron 20 dispositivos para cada caso. A partir de los datos estadísticos (Fig. S1, Información complementaria), el dispositivo con un 10% en moles de bromo muestra el V relativamente más alto. _oc y FF , que se atribuye a la densidad de estado de trampa reducida resultante de la película de perovskita de alta calidad, como se analiza en la Fig. 3b-d. Cuanto mayor sea V _oc en los dispositivos que contienen Br también puede atribuirse al aumento de la banda prohibida. La banda prohibida del BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} aumenta con el aumento de PbBr ₂ relación, como lo demuestra la Fig. 3a [49]. Por lo tanto, el 15% en moles de PbBr ₂ -dispositivo contenido muestra el V más alto _oc . Además, el alto J _sc en 10% en moles de PbBr ₂ -dispositivo contenido puede atribuirse a la mayor absorción de luz y el transporte de carga eficiente, como se discutió anteriormente. La histéresis de los dispositivos basados ​​en la película de perovskita de control y la película de perovskita al 10% se investigó escaneando el J-V curvas en diferentes direcciones (Fig. 4c y Fig. S2). El dispositivo basado en perovskita-10% exhibe una ligera histéresis mientras que se observó una característica de histéresis grave en el dispositivo basado en la perovskita de control, lo que indica nuevamente los estados de defecto significativamente reducidos en el primer caso.

un La arquitectura del dispositivo de PVSC. b J-V curvas de PVSC basadas en BA ₂ MA ₄ Pb ₅ Yo _{16-10 x} Br _{10 x} películas con varias cantidades de PbBr ₂ . c J-V curvas del dispositivo de mejor rendimiento en diferentes direcciones de exploración. d Estabilidad a la humedad, e estabilidad de la iluminación y f estabilidad térmica del dispositivo sin sellar sin y con 10% en moles de PbBr ₂

Además, la incorporación de PbBr ₂ puede mejorar eficazmente la humedad, la iluminación y la estabilidad térmica de los PVSC 2D. El dispositivo de control sin sellar y el dispositivo basado en perovskita al 10% se expusieron a un nivel de humedad relativa de 45 a 60% a 25 ° C para la prueba de estabilidad de la humedad. El PCE del dispositivo de control se reduce al 50% de su valor original en 30 días, mientras que el dispositivo basado en perovskita-10% aún mantiene el 85% de sus eficiencias iniciales en condiciones idénticas (Fig. 4d). Curiosamente, la introducción de PbBr ₂ también mejora la estabilidad de la iluminación de los PVSC. Después de ser irradiados continuamente con una intensidad de sol AM 1.5G durante 240 minutos, los dispositivos retienen más del 80% del PCE original. para perovskita-10% mientras que sólo menos del 50% para la perovskita de control (Fig. 4e). La mejora de la estabilidad térmica también se confirma mediante la medición. Tanto el dispositivo de control como el dispositivo de perovskita al 10% se recocieron térmicamente a 85 ° C en atmósfera de nitrógeno sin encapsulación. Como se muestra en la Fig. 4f, el dispositivo de perovskita al 10% retiene el 83% de su PCE inicial después de 300 min, que es mucho más alta que la del dispositivo de control (54%).

Conclusión

En conclusión, demostramos que la incorporación de bromo adecuado en la solución precursora puede mejorar la morfología de las películas de perovskita 2D con cristalinidad mejorada, lo que conduce a una mejora en las propiedades optoelectrónicas en términos de absorbancia y densidad de trampa. La excelente calidad de la película y las propiedades optoelectrónicas producen una mejora obvia en PCE de 3,01 a 12,19%. Además, la incorporación de bromo mejora la tolerancia de los PVSC a la humedad, la iluminación y la estabilidad térmica. Estos resultados demuestran que la incorporación de bromo es crucial para lograr PVSC 2D estables de alto rendimiento.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

2D:

Bidimensional

PCE :

Eficiencia de conversión de energía

PVSC:

Células solares de perovskita

PbBr ₂ :

Bromuro de plomo (II)

PbI ₂ :

Yoduro de plomo (II)

BAI:

Yoduro de N-butilamonio

MAI:

Yoduro de metil-amonio

PC ₆₁ BM:

Éster metílico del ácido fenil-C61-butírico

DMSO:

Dimetilsulfóxido

BCP:

Bathocuproine

ITO:

Óxido de indio y estaño

J-V :

Densidad-voltaje de corriente

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

RMS:

Rugosidad cuadrática media

PL:

Fotoluminiscencia

V _oc :

Voltaje del circuito

J _sc :

Densidad de corriente de cortocircuito

FF :

Factor de relleno

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