层压制造有两面的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池

文摘

有两面的太阳能电池基于有机-无机钙钛矿是用层压流程制作的。设备的结构是ITO / SnO₂/ CH₃NH₃PbI₃/ NiO/ ITO电极都ITO透明层。因此,该设备可以接收光两边。通过层压两个half-devices ITO / SnO₂/ CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbI₃/ NiO/ ITO,高温和压力,钙钛矿层中间的合并是增强。优化有两面的已经被展示的Voc 0.85 V, 0.58的FF, Jsc 17.53 mA /厘米²,PCE的8.47%。光伏性能变化的光从不同侧面照有两面的已经。从SnO与照明₂方面,Voc和Jsc已经明显高于NiO方面,建议更严重的电子空穴复合NiO比在SnO /钙钛矿接口₂/钙钛矿接口。

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池已经收到了广泛的关注,因为他们杰出的光电性质,高的载流子迁移率,低激子结合能,和长时间的扩散长度(1- - - - - -3]。设备寿命和功率转换效率(PCE)是关键因素决定的最终成本,太阳能电池产生的电能。钙钛矿的认证PCE太阳能电池已经被迅速达到23.7%在过去的几年里(4- - - - - -7),这是与硅太阳能电池相比。然而,混合卤化物贫穷持续的攻击下公差水分和热量,提高设备稳定性一个具有挑战性的问题。可怜的耐久性主要源自ion-typed碘离子的晶体结构和不稳定的整合8),使混合卤化物可粉碎的极性溶剂,热的攻击,和碘化扩散9]。此外,先进的空穴传输材料的高成本和黄金电极是一个经济负担他们的商业应用10]。

传统已经被电极通常由不透明等。因此,金属电镀装置只能照亮一方(图1(一))。当大量的单面太阳能板排列整齐,一些光事件的正面面板上反射回来的其他面板,但这些光线的照射下不能重用。因此,这些PSC面板只能从侧面用透明电极收集太阳能,导致光的利用率不足。

我们证明这里有两面的已经与ITO / SnO₂/ CH₃NH₃PbI₃/ NiO/ ITO配置,电极都是透明的。前后传输层共享一个CH₃NH₃PbI₃电影。精化与简单的流程和材料,克服了困难,选择适当的和昂贵的电子和空穴传输层。它收到双方(图照明1 (b))。

氧化铟锡(ITO)镀膜玻璃基板是先用洗涤剂清洗,去离子水、乙醇先后热板,然后晒干。底物被紫外/臭氧处理20分钟进一步清洁。SnO₂溶解在去离子水和搅拌室温超过12 h,然后在3000转/分钟spin-coated 40年代和退火150°C 10分钟在空气中。NiO是溶解在去离子水和搅拌60°C以上12 h,然后在3000转/分钟spin-coated 40年代在空气中。平等PbI的摩尔量₂和梅涨跌互现,溶解在溶剂,包括γ丁内酯(GBL()和二甲亚砜(DMSO) (8: 2 ),然后搅拌60°C / 12 h。样本进入真空室。混合解决方案是spin-coated SnO上分开₂和NiO基板在1000转/分钟15秒和3000转/分钟35 s先后,其次是退火在100°C热板10分钟充氮手套箱。钙钛矿薄膜的厚度约为200海里。我们通过手动立式液压千斤顶施加压力。大会是在电炉在200°C。压力和温度进行了10分钟,然后卸载。两个玻璃基板上的钙钛矿电影紧密联系和合并在一起。两端都用夹子夹紧。细胞面积是0.038厘米²。

设备有两面的结构已经被显示在图2(一个)。设备的结构是ITO / SnO₂/ CH₃NH₃PbI₃/ NiOSnO / ITO₂作为一个电子传输层和NiO空穴传输层。的有机-无机杂化钙钛矿CH₃NH₃PbI₃是光吸收器。有两面的的能带图已经被显示在图2 (b)。

LUMO的SnO水平₂匹配的钙钛矿吸收体,photogenerated电子在钙钛矿可以有效地收集和运送到邻近的阴极。另一方面,人类水平低,可有效阻止孔到达邻ITO电极。同样,HOMO NiO的水平匹配的钙钛矿吸收器,所以在钙钛矿photogenerated洞可以有效地收集和运送到邻近的阳极。同时,它有高LUMO水平,可有效阻止电子到达阳极。因此,承运人选择性的电荷传输层决定了极性有两面的已经在阴极和阳极ITO透明层。

有两面的的制造工艺已经被显示在图3。首先,我们制作两个half-devices如图3(一个)。

电子传输层SnO(洞)₂(NiO )是spin-coated / ITO玻璃衬底,SnO吗₂解决方案是高浓度的SnO做的₂溶液和去离子水,浓度是200毫升/ 1 L,在室温下搅拌12小时。NiO解决方案是由NiO_x粉和去离子水,24毫克/ 1300毫升的浓度和搅拌12 h 60°C,并与超声波清洗清洁使用前20分钟。的SnO₂和NiO解决方案是在3000 r / min 40分钟旋转;此外,还有雪地₂解决方案需要退火旋转后10分钟150°C。然后,钙钛矿CH₃NH₃PbI₃层沉积到电子(孔)传输层一步方法完成half-device,贴上ITO / SnO₂(ITO / NiO )衬底。钙钛矿的解决方案是由一个一步到位的方法,并PbI溶质₂和CH₃NH₃即溶剂是1:1混合γ丁内酯和二甲亚砜,搅拌12小时60°C,然后过滤。在使用前预热60°C。我们进行旋转涂布与钙钛矿的解决方案在两块ITO衬底的充氮手套箱。衬底上的钙钛矿前体是spin-coated速序列:15秒1000 rpm,紧随其后的是3000 rpm 35 s,然后一个antisolvent氯苯在25的时刻涌上旋转的衬底。最后衬底退火在100°C 10分钟。接下来,ITO / SnO₂和ITO / NiO基板层压在一起制造有两面的压力与应用程序已经在高温(图3 (b))。纹理的过程后,钙钛矿分离层的中间部分装置(图合并成一个层3 (c))。图3 (d)是最后一个有两面的的照片已经被认为是与剪辑,以防止在即将到来的测量设备的松开。

的AFM图像数据4(一)和4 (b)显示在SnO钙钛矿表面的形态₂/钙钛矿和NiO/钙钛矿衬底,分别。这部电影表面是粗糙和不均匀。当两个half-devices凑在一起,中间的钙钛矿之间的接触面积层可能非常小的粗糙表面钙钛矿层衬底如图4 (c)。

应用程序的压力和高温可能会改变软钙钛矿材料的接触表面,最终合并两个钙钛矿层到一个层(图4 (d))。基于这一猜想,我们研究了温度和压力的影响的性能有两面的已经。

在42个kPa的恒压,我们探索了温度对性能的影响已经在纹理的过程。如图5层压过程中,当温度改变从160°C到220°C, Jsc, Voc,填充因数随温度增加。特别是Jsc一个明确的迹象显示先上升,然后下降,达到最大值200°C。因此,电源转换效率也将显示一个类似的趋势,达到最高的价值在200°C。结果表明,钙钛矿的合并层很容易造成高温层压过程中的应用。如果温度低,原钙钛矿层不能完全融合在一起,还有一个未溶化的部分,使两个独立的钙钛矿层不够联系。在这种情况下,钙钛矿界面的接触面积较低,导致低Jsc已经。升高温度,例如,200°C,钙钛矿的合并层增强,导致一种改进的接触面积和Jsc。

然而,如果温度过高,钙钛矿的结构本身可能变得不稳定,因为CH₃NH₃⁺与温度有关的高流动性,从而影响CH的不规则排列吗₃NH₃⁺的晶体结构。在高温下,绑定CH的稳定₃NH₃⁺减少,因此,大量的CH₃NH₃⁺分子发生分解(11),导致设备性能的恶化。图5插图照片表明,钙钛矿高温迅速变成黄色。这表明高温破坏钙钛矿的结构,证实了我们的猜想。

应用在层压过程中压力有利于钙钛矿合并。设备之间的设备性能的比较有和没有压力在层压过程如图6。叠层制造期间已经没有紧迫的显示Voc 0.83 V, 0.42的FF, Jsc 8.34 mA /厘米²,PCE的2.93%。层压的压力已经42 kPa显示Voc的0.85 V, 0.58的FF, Jsc 17.53 mA /厘米²,PCE的8.47%。后者显著增加Jsc和PCE设备显示的增加接触面积,提高合并巨大打击和压力设备。

时发现光伏性能不同的光照亮的两边有两面的已经。

图7(一)显示电流电压特性SnO当已经被照亮₂和NiO,分别。从SnO与照明₂方面,Voc和Jsc已经显然比那些从NiO的一面。因此,双界面设备时显示更高的PCE SnO照亮₂的一面。这一趋势在多个设备验证。图7 (b)显示了光电参数的统计,Voc, Jsc, FF和PCE在多个设备。结果证实,有两面的已经被证明高挥发性有机化合物,从SnO Jsc, PCE当照亮₂除了NiO的一面。

图8(一个)显示的吸收光谱有两面的SnO已经被照亮₂和NiO,分别。波长下的吸光度吸收边缘(740海里)高于统一。的关系, ,和透光率低于740纳米波长小于10%。计算的强度分布如图的透光率10%8 (b)。当入射光SnO₂方面,光强度的SnO钙钛矿的山峰₂/钙钛矿接口,减少很快随着深度的增加,由于强吸收的钙钛矿的电影。同样地,当入射光在NiO方面,在NiO光强度最强/钙钛矿接口,它变得越来越弱的另一边钙钛矿的电影。的光强剖面也反映了分布photogenerated电子空穴对在钙钛矿层。因此,不同的光伏性能时已经被从SnO照明₂和NiO双方建议两个接口的不同载体动力学。低Voc和Jsc NiO照亮与SnO相比₂建议更严重的电子空穴的复合NiO_x比在SnO /钙钛矿接口₂/钙钛矿接口。原因是承运人收集和复合在光伏设备两个相互竞争的过程。载体复合率较高导致低已经被收集效率,这直接导致降低Jsc。更高的复合率也导致低钙钛矿载体人口过度层,导致较低的挥发性有机化合物。

1。结论

总之,有两面的已经与ITO / SnO的结构₂/ CH₃NH₃PbI₃/ NiO/ ITO是编造的。在42个kPa的恒压和200°C的温度升高,钙钛矿的合并层增强,导致一种改进的接触面积和Jsc。优化有两面的已经被展示的Voc 0.85 V, 0.58的FF, Jsc 17.53 mA /厘米²,PCE的8.47%。光伏性能是不同的,当光从不同侧面照的有两面的已经。从SnO与照明₂方面,Voc和Jsc已经显然比那些从NiO的一面。结果表明在NiO更严重的电子空穴复合比在SnO /钙钛矿接口₂/钙钛矿接口。

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

茎的杨朱曰,晓晓王同样有助于这项工作。

确认

作者承认金融支持中国的国家自然科学基金(号。61874008,61574014,11474017),北京市科技项目(Z181100004718004)和北京为大学生创新训练项目和创业项目(201910004168)。

引用

1. s . d . Stranks g . e . Eperon g . Grancini et al .,“电子空穴在有机金属扩散长度超过1微米Trihalide钙钛矿吸收器,”科学,卷342,不。6156年,第344 - 341页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m·a·绿色,a . Ho-Baillie和h·j·史“钙钛矿太阳能电池的出现,”自然光子学,8卷,不。7,506 - 514年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 问:盾,y, y邵et al ., "电子空穴扩散长度> 175μ米solution-grown CH₃NH₃PbI₃单晶,”科学,卷347,不。6225年,第970 - 967页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 答:小岛,k . Teshima y Shirai, t . Miyasaka”有机金属卤化物钙钛矿作为光伏电池的可见光增敏剂,”美国化学学会杂志》上,卷131,不。17日,第6051 - 6050页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. m·m·李,j . Teuscher t . Miyasaka t . n .村上春树和h·j·史”高效混合太阳能电池基于Meso-Superstructured有机金属卤化物钙钛矿,”科学,卷338,不。6107年,第647 - 643页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. h .周问:陈,李g . et al .,“高效钙钛矿太阳能电池接口工程”,科学,卷345,不。6196年,第546 - 542页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 黄永发。Im,张成泽参会:小球,m . Gratzel CH和n . g .公园”增长₃NH₃PbI₃长方体为高效钙钛矿太阳能电池控制大小,”自然纳米技术,9卷,不。11日,第932 - 927页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m·杨,y, y曾庆红,c . s .江n . p . Padture和k·朱平方厘米Solution-Processed平面CH₃NH₃PbI₃钙钛矿太阳能电池效率超过15%。”先进材料,27卷,不。41岁,6363 - 6370年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. o . Malinkiewicz a . Yella黄懿慧李et al .,“钙钛矿太阳能电池采用有机电荷传输层,”自然光子学,8卷,不。2、128 - 132年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·s·杨,j . h .能剧,全et al .,“高性能光伏钙钛矿层伪造通过分子内的交流,“科学,卷348,不。6240年,第1237 - 1234页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. w·s·杨,B.-W。公园,e·h·荣格et al .,“碘化管理formamidinium-lead-halide-based钙钛矿层高效的太阳能电池,“科学,卷356,不。6345年,第1379 - 1376页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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