Elektrodeposition von SnO2 auf FTO und ihre Anwendung in planaren Heterojunction-Perowskit-Solarzellen als Elektronentransportschicht

Hintergrund

Auf metallorganischen Halogenid-Perowskit-Materialien basierende Solarzellengeräte haben innerhalb der kurzen Zeitspanne von 6 Jahren eine beispiellose Leistung gezeigt, und metallorganische Halogenid-Perowskit-Solarzellen (PSCs) sind vielversprechend als erschwingliche alternative Solarzellen mit hoher Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) [1,2, 3]. Das große Interesse an dieser neuen Klasse von Solarzellen ist auf ihren hohen Absorptionskoeffizienten, ambipolaren Ladungstransport, kleine Exzitonenbindungsenergie und lange Diffusionslänge zurückzuführen [4,5,6]. Trotz dieser hervorragenden Eigenschaften weisen PSCs mehrere Nachteile auf. Die wichtigsten davon sind die Empfindlichkeit von Perowskitmaterialien gegenüber Feuchtigkeit, Hitze und UV-Strahlung. Um diese Nachteile zu beheben, wurde festgestellt, dass die Zugabe von Formamidinium und/oder eines anorganischen Kations (Cs oder Rb) zu einem Methylammoniumkation die Stabilität gegenüber diesen Umweltfaktoren verbessert [3] und die Haltbarkeit von PSCs somit sowohl von der Gerätekonfiguration abhängt (nip, pin) und die Metalloxid-Halbleiter [7]. Im Allgemeinen TiO₂ Materialien werden in PSCs aufgrund ihrer großen Bandlücke und Bandausrichtung häufig als Elektronentransportschichten (ETLs) in der n-i-p-Bauelementkonfiguration verwendet, und hocheffiziente PSCs werden mit TiO₂ . realisiert ETLs [8]. Obwohl PSCs mit TiO₂ ETLs weisen eine bemerkenswerte Effizienz, die UV-Empfindlichkeit und die elektronischen Eigenschaften von TiO₂ . auf wurden als Verbesserungsziele vorgeschlagen, um die Hysterese zu reduzieren und dauerhafte PSCs zu erhalten [9]. Insbesondere Heo et al. berichteten, dass eine Li-Dotierung die Ladungsträgermobilität und -leitfähigkeit von TiO₂ . verbessern kann und ergeben somit PSCs ohne signifikante Hysterese [10]. Ito et al. berichtete, dass bei TiO₂ in einem PSC UV-Strahlung ausgesetzt wird, werden Elektronen am TiO₂ . extrahiert /Perowskit-Grenzfläche, die das Perowskit-Material zersetzt [11].

Zinnoxid (SnO₂ .) ) wurde für verschiedene Anwendungen wie Batterien, Gassensoren [12], Solarzellen [13] und Katalysatoren umfassend untersucht. Es gilt als vielversprechender Kandidat für die Verwendung als transparentes leitfähiges Material und als Photoelektrode in photovoltaischen Geräten. In letzter Zeit wurde seiner Anwendung in PSCs als alternativer ETL mit dem Ziel der Verbesserung der Geräteleistung und Lichtstabilität große Aufmerksamkeit geschenkt, da es eine größere Bandlücke (~3,6 eV bei 300 K), eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine größere chemische Stabilität aufweist als TiO₂ Halbleiter [2]. Verschiedene Synthesewege zu SnO₂ , einschließlich Sol-Gel-Methoden [14], Schmelzsalzsynthese [15], Mikrowellentechniken [16], Atomlagenabscheidung (ALD) und elektrochemische Abscheidung (ED) [17,18,19,20] wurden entwickelt. ALD- und Spin-Coating-Lösungsprozesse sind die dominierenden Verfahren zur Herstellung von SnO₂ ETLs in PSCs [21,22,23]. Die Herstellung von ETLs in photovoltaischen Geräten ist aufgrund der Anforderungen an ihre Herstellung, wie Wärmebehandlung, mehrere Verarbeitungsschritte, Betriebssteuerung und skalierbare Verarbeitung, von größter Bedeutung, um die Produktionskosten zu begrenzen.

Hier berichten wir über die Synthese und ETL-Anwendung von SnO₂ dünne Filme auf fluordotiertem Zinnoxid (FTO) durch ED. Unter den verfügbaren Verfahren hat die Elektrotauchlackierung die Vorteile verringerter Produktionskosten und Herstellung in großem Maßstab, da sie keine Vakuumumgebung oder komplexe Betriebssteuerung erfordert. Da Perowskitmaterialien für die Rolle-zu-Rolle-Fertigung geeignet sind, ist die Anwendung der Elektrotauchlackierung zur Gewinnung von SnO₂ ETLs demonstrieren nicht nur eine einfache, kostengünstige und skalierbare Strategie für alternative ETLs, sondern erleichtern auch die Entwicklung eines kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozesses für die industrielle Anwendung von PSCs.

Methoden

Vorbereitung von SnO₂ Film

Eine Chronovoltammetrie-Technik (VSP 200, Biologic) wurde für die ED von Sn-Nanokügelchen auf einem FTO-Substrat unter Verwendung eines Standard-Drei-Elektroden-Systems in einer entionisierten Wasserlösung (50 ml) mit 0,05 M SnCl₂ . verwendet ∙2H₂ O [Zinnchlorid (Π), Sigma Aldrich] und 1 ml Salpetersäure (HNO₃ , Samchun Chemical). Die Nanokügelchen wurden dann an Luft bei 400 °C für 30 Minuten thermisch behandelt, um SnO₂ . zu erhalten . Die wässrige Lösung wurde 1 h bei 60 °C auf einer Heizplatte gerührt. Nach N₂ Spülen für 10 Minuten, die Lösung wurde zur Elektroabscheidung verwendet. Im Standard-Dreielektrodensystem wurde FTO als Arbeitselektrode und eine Platinplatte als Gegenelektrode verwendet. Die Referenzelektrode war eine Ag/AgCl-Elektrode (CHI111) in 1 M KCl-Lösung.

Geräteherstellung

Das präparierte SnO₂ dünne Filme auf FTO (TEC 8) wurden bei der Herstellung von PSCs verwendet. Die Perowskitschicht wurde in zwei Schritten verarbeitet. Eine Mischung aus PbI₂ (99,999 %, Aldrich) und PbCl₂ (99,999 %, Aldrich) wurde in N . aufgelöst , N -Dimethylformamid und bei 60 °C gerührt. Das Molverhältnis der Vorläuferlösung (PbI₂ :PbCl₂ ) war 1:1 (1 M). Der PbI₂ / PbCl₂ Lösung wurde auf SnO₂ . schleuderbeschichtet -beschichtetes FTO bei 5000 U/min für 30 s in einer Glovebox und getrocknet auf einer Heizplatte bei 70 °C. Um es in ein Perowskitmaterial umzuwandeln, wurden 120 μl Methylammoniumiodidlösung (40 mg/ml) 35 s lang bei 0 U/min geladen und dann 20 s lang bei 3500 U/min schleuderbeschichtet; die Probe wurde dann bei 105 °C für 75 Minuten in der Umgebungsumgebung isotherm getempert. Nach dem Tempern wurden die Folien in die Handschuhbox in N₂ . bewegt Atmosphäre, und ein Lochtransportmaterial (HTM) wurde auf das MAPbI_3-x . schleuderbeschichtet Cl_x /SnO₂ /FTO-Film bei 3000 U/min für 30 s. Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amin] (EM-Index)-Lösung (20 mg/1 ml) wurde als HTM mit 15 μL Li-Bis(trifluormethansulfonyl)imid)/Acetonitril verwendet (170 mg/1 ml) und 15 μL tert-Butylpyrridin. Schließlich wurde Au durch thermisches Verdampfen abgeschieden. TiCl₄ Hydrolysebehandlung wurde durch Eintauchen des galvanisch abgeschiedenen SnO₂ . durchgeführt Filme in einem 40 mM TiCl₄ Lösung bei 70 °C für 30 Minuten und Trocknen bei 150 °C an der Luft.

Charakterisierung

Zyklische Voltammetrie (CV, Abtastrate 50 mV/s) wurde durchgeführt, um das elektrochemische Verhalten von SnCl₂ . zu bestätigen ∙2H₂ O-Lösung von -1,5 bis 2 V. Die kristalline Struktur der Proben wurde durch Röntgenbeugung (XRD, Rigaku, Dmax 2200, Cu Kα) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, ULVAC-PHI 5000, VersaProbe II) charakterisiert. . Die Morphologien der Proben wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (REM, Hitachi S4800) beobachtet. Die J –V Kurven der PSCs wurden mit einer elektrochemischen Station (VSP200, Bio-Logic) unter 100 mW/cm ² . erhalten AM 1,5 G Licht (Sun 3000 Klasse AAA, ABET-Technologie) mit einer Metallmaske 0,098 cm ² im Bereich. Die Geräte wurden mit einer Scanrate von 20 mV/s gescannt. CV-Messungen des Sperrschichteffekts wurden mit einem Drei-Elektroden-Setup nach 10 Minuten langer Stickstoffspülung durchgeführt. Der wässrige Elektrolyt enthielt 0,5 M KCl und das Elektronen-Redox-Paar K₄ [Fe(II)(CN)₆ ]/K₃ [Fe(III)(CN)₆ ] in einer Konzentration von 5 mM. Als Referenzelektrode wurde eine Ag/AgCl-Elektrode und als Gegenelektrode ein Pt-Draht verwendet; die Scanrate betrug 50 mV/s. Eine Oriel-kalibrierte Si-Solarzelle (SRC-1000-TC-KG5-N) wurde verwendet, um die Lichtintensität an die Beleuchtung mit einer Sonne anzupassen. Die externe Quanteneffizienz (EQE) wurde unter Verwendung eines Ivium-Potentiostaten und eines Monochromators (DongWoo Optron Co., Ltd.) unter einem Lichtträger (ABET 150 W Xenon-Lampe, ABET Technology) gemessen. EQE-Daten wurden im DC-Modus erfasst. Photolumineszenzspektren (PL) wurden mit einem Lumineszenzspektrometer (LS 55, PerkinElmer) mit Anregung bei 530 nm gemessen. Der intensitätsmodulierte Photostrom und die Photospannung wurden mit einem Ivium-Potentiostaten mit einer Modulight-LED (Ivium) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Wir haben CV-Messungen des SnCl₂ . durchgeführt ∙2H₂ O-Lösung, um geeignete Potenzialwerte zu identifizieren. Abbildung 1a zeigt die CV-Kurve, die von 2,0 bis −1,2 V gescannt wurde. Alle Potenzialwerte wurden in Bezug auf die Referenzelektrode (Ag/AgCl) aufgezeichnet. Wie in Abb. 1a gezeigt, wurde ein Anstieg des kathodischen Stroms von –0,5 auf –1,2 V beobachtet. Im Allgemeinen steigt der Strom, wenn die Spannung in einem CV-Experiment von positiver zu negativer Spannung gewobbelt wird, zuerst aufgrund einer elektrochemischen Reaktion an die Oberfläche der Arbeitselektrode und nimmt dann aufgrund der lokalen Verarmung der chemischen Spezies in der Nähe der Arbeitselektrode ab.

(a ) CV-Kurve, gemessen mit einer Abtastrate von 50 mV/s und (b ) XRD-Muster von galvanisch abgeschiedenem SnO₂

Auf der Grundlage des CV-Ergebnisses führten wir eine ED mit einer Chronovoltammetrie-Technik durch. Beachten Sie, dass die Phase der Ablagerungen vom Konzentrationsverhältnis von [HNO₃ . abhängt ] bis [Sn ²⁺ ], da Salpetersäure in der Phase als Sauerstoffquelle wirkt [24]. Das Vorhandensein von HNO₃ (wie im XRD-Muster identifiziert, Abb. 1b) erleichterte die Erzeugung eines SnO₂ –Sn-Kophase. Dies wird als SnO₂ . bezeichnet –Sn-Nanosphären zur Unterscheidung von reinem SnO₂ . Abbildung 2 zeigt REM-Bilder des SnO₂ –Sn-Nanokügelchen, die auf FTO-Substraten bei unterschiedlichen Potenzialwerten (–0,5, –0,6, –0,7, –0,8, –0,9 und –1 V) abgeschieden wurden. Wir fanden heraus, dass die angelegte Spannung ein sehr wichtiger Parameter im Elektroabscheidungsprozess ist, da sich die Morphologien der Abscheidungen dramatisch unterscheiden. Für relativ niedrige absolute Potentiale (–0,5 und –0,6 V) wenige SnO₂ –Sn-Nanokugeln gebildet. Andererseits wurde das FTO mit Sn mit unregelmäßigen Formen bei –0,9 und –1 V überlagert. Obwohl vergleichbares SnO₂ – Die Bildung von Sn-Nanokügelchen trat bei –0,7 und –0,8 V auf, die Gleichmäßigkeit war bei –0,7 V besser. Als Ergebnis dieser Beobachtungen wurde –0,7 V als geeignetes Potenzial für die galvanische Abscheidung von SnO₂ . gewählt –Sn-Nanosphären.

REM-Aufnahmen von oben von SnO₂ galvanisch abgeschiedene Filme bei verschiedenen angelegten Spannungen. (a ) − 0,5 V, (b ) −0,6 V, (c ) −0,7 V, (d ) −0,8 V, (e ) −0,9 V und (f ) −1,0 V vs. Ag/AgCl. Skalierungsleiste ist 1 μm

Ein Potenzial von –0,7 V wurde auch verwendet, um die Abscheidungszeit im Bereich von 150 bis 210 s zu optimieren. Abbildung 3 zeigt REM-Bilder von Proben, die zu verschiedenen Abscheidungszeiten erhalten wurden, und die entsprechende Geräteleistung. Nach 150 s bilden sich weniger Partikel als nach 180 s. Für eine längere Abscheidungszeit (210 s) Aggregation von SnO₂ –Sn-Nanosphären wurde bestätigt. Bewertung der photovoltaischen Leistung von PSCs mit dem galvanisch abgeschiedenen SnO₂ Filme, das SnO₂ –Sn-Nanosphärenfilme wurden an Luft bei 450 °C für 30 Minuten thermisch behandelt, um vollständig umgewandeltes SnO₂ . zu erhalten Filme. A CH₃ NH₃ PbI_3-x Cl_x Perowskitschicht wurde über einen PbICl-Keimschicht-unterstützten Interdiffusionsprozess hergestellt. Details sind im experimentellen Abschnitt angegeben. Wie in Abb. 3e, f gezeigt, ist für eine Abscheidungszeit von 150 s die Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ), Füllfaktor (FF) und PCE (%) betrugen 17,84 mA/cm ² , 1,03, 0,496 bzw. 9,11 %. Als sich die Abscheidungszeit von 150 auf 180 s erhöhte, J _sc verbessert und ein höherer PCE von 10,0 wurde erhalten. Die Verwendung einer Abscheidungszeit von 210 s betraf hauptsächlich die J _sc und FF-Wert, was zu einem niedrigeren PCE von 8,22 führt. Um weitere Erkenntnisse über parasitäre Widerstände zu gewinnen, haben wir den Serienwiderstand (R _s ) und Shunt-Widerstand (R _sch ) vom J–V Kurven. R _s Werte sind 10,4, 5,2 und 12,5 (Ohm cm ² ); R _sch Werte sind 194,9, 558,5 und 167,1 (Ohm cm ² ) für die Zeit von 150, 180 bzw. 210 s. Die berechneten parasitären Widerstände erklären die Geräteleistung im Betrieb, die aus verschiedenen elektrochemischen Abscheidungsbedingungen erhalten wird. Wie das REM-Bild in Abb. 3d zeigt, ist die schlechte Morphologie des SnO₂ Film bei einer Abscheidungszeit von 210 s wird voraussichtlich die Ladungsübertragung zwischen CH₃ . behindern NH₃ PbI_3-x Cl_x und FTO, was zu einem reduzierten J . führt _sc .

REM-Aufnahmen von oben von Substraten für unterschiedliche Abscheidungszeiten. (a ) Blankes FTO und SnO₂ Filme hinterlegt für (b ) 150 s, (c ) 180 s und (d ) 210 s. Entsprechende Photovoltaikleistung:(e ) J –V Kurven und (f ) photovoltaische Parameter von PSCs mit galvanisch abgeschiedenem SnO₂ ETL. Skalierungsleiste ist 1 μm

Da der Elektroabscheidungsprozess von der Ionenmobilität in einer Elektrolytlösung abhängt, haben wir auch den Einfluss der Temperatur auf die Morphologie der Filme untersucht. Abbildung 4 zeigt REM-Aufnahmen von oben von Filmen, die bei verschiedenen Badtemperaturen mit -0,7 V für 180 s abgeschieden wurden. Wie erwartet ist die Oberflächenmorphologie des SnO₂ –Sn-Nanosphären, die bei verschiedenen Badtemperaturen hergestellt wurden, variieren. Die Größe, Rauheit und Dicke der Nanokugeln scheint durch die Migration von Sn ²⁺ . beeinflusst zu werden Ionen wurden bei höherer Temperatur verstärkt. Der photovoltaische Wirkungsgrad von PSCs, die unter Verwendung dieser Filme hergestellt wurden, ist in Abb. 4e, f verglichen. Ein feineres SnO₂ Der Film liefert eine bessere Leistung, und die optimale Effizienz wurde für den bei 60 °C abgeschiedenen Film erhalten. Das SnO₂ Es wird erwartet, dass die Filmmorphologie die PSC-Leistung signifikant beeinflusst, da planare PSCs eine direkte Grenzfläche zwischen der ETL und der Perowskitschicht aufweisen. Die verbesserte Konformität könnte zu einem guten Kontakt führen, der einen verbesserten Elektronentransport ermöglicht [25]. Die REM-Bilder von Perowskitschichten, die aus verschiedenen ETLs hergestellt wurden, wurden in den unterstützenden Informationen (SI) bereitgestellt. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1.

REM-Aufnahmen von oben von SnO₂ galvanisch abgeschiedene Filme bei verschiedenen Badtemperaturen. (a ) RT, (b ) 40 °C, e(c ) 60 °C und (d ) 70 °C. Entsprechende Photovoltaikleistung:(e ) J –V Kurven und (f ) photovoltaische Parameter von PSCs mit galvanisch abgeschiedenem SnO₂ ETL. Skalierungsleiste ist 1 μm

Um den Einfluss der Temperatur auf die Morphologie im Hinblick auf den Blockierungseffekt des galvanisch abgeschiedenen SnO₂ . weiter zu untersuchen haben wir CV-Messungen in einem wässrigen Elektrolyten mit [Fe(CN)₆ ] ³⁻ /[Fe(CN)₆ ] ⁴⁻ da die Redoxreaktion vom Ladungstransfer zwischen dem FTO und dem Elektrolyten abhängt [26]. Die Kinetik des Elektronentransfers kann interpretiert werden, indem die Trennung der Spitzenpotentiale und des Spitzenstroms eines Redoxsystems aus den CV-Kurven extrahiert wird. Wenn die Redoxreaktion zwischen [Fe(CN)₆ ] ³⁻ /[Fe(CN)₆ ] ⁴⁻ Ionen wird durch das SnO₂ . behindert Schicht zeigen die oxidierten und reduzierten Formen des Redoxpaares Spitzenpotentiale, die auf dem bloßen FTO von der Kontrolle weg verschoben und semireversibel werden; folglich wird die Spitzenstromdichte reduziert [27]. Abbildung 5a zeigt die CV-Kurven des nackten FTO und des SnO₂ Filme. Die CV-Kurve von bloßem FTO zeigt deutlich eine reversible Redoxreaktion, was auf eine niedrigere Barriere für den Elektronentransfer hinweist. Im Gegensatz dazu das FTO mit galvanisch abgeschiedenem SnO₂ weist einen größeren Peak-to-Peak-Abstand auf (ΔE _p ) der kathodischen und anodischen Spitzenpotentiale im Vergleich zu denen von blankem FTO. Das ΔE _p Werte von Filmen, die bei Raumtemperatur (RT), 40, 60 und 70 °C abgeschieden wurden, betragen 125, 175, 207 bzw. 230 mV. Dies deutet darauf hin, dass die Kinetik der Redoxreaktion durch den blockierenden Effekt des SnO₂ . verändert wird Filme. Im Gegensatz dazu wird die Ladungsübertragung am FTO durch den bei 70 °C abgeschiedenen Film stark unterdrückt, was bedeutet, dass das SnO₂ ist dicht auf dem FTO hinterlegt. Das dicke SnO₂ Film könnte zu einem weniger effektiven und langsameren Elektronentransport führen, was sich negativ auf die photovoltaische Leistung auswirkt. Der kathodische Spitzenstrom (I _p ) der Filme nahm mit steigender Badtemperatur ab, was darauf hindeutet, dass die FTO-Bedeckung verbessert wurde.

Diverse Analysen zu den Filmen. (a ) CV-Kurven im Redoxlösungssystem und (b ) Transmissionsspektren von bloßem FTO und SnO₂ galvanisch abgeschiedene Filme bei verschiedenen Badtemperaturen in einem Redoxlösungssystem. (c ) XPS Sn 3d-Spektrum von thermisch behandeltem SnO₂ Film

Anhand der CV-Ergebnisse und REM-Bilder konnten wir spekulieren, dass die FTO-Elektrode bei niedriger Temperatur mit weniger Nanopartikeln bedeckt ist; daher schließen wir, dass das SnO₂ Bei 60 °C hergestellter Film hat eine geeignete Dicke und Morphologie für die Verwendung in PSCs und hat einen dominanten Einfluss auf die Geräteleistung. Die optische Übertragung des SnO₂ Filme werden ebenfalls verglichen (Abb. 5b). Wenn die Badtemperatur von RT auf 60 °C ansteigt, wird die Transmission des SnO₂ Filme ist im Vergleich zu FTO verbessert. Bei einer hohen Badtemperatur von 70 °C ist die Transmission geringer als die von FTO, was auf die erhöhte Filmdicke zurückzuführen ist, wie das REM-Bild zeigt.

XPS wurde durchgeführt, um die Zusammensetzung der galvanisch abgeschiedenen Filme zu messen. Das XPS-Spektrum des thermisch behandelten SnO₂ Film ist in Fig. 5c gezeigt. Sn 3d_5/2 und Sn 3d_3/2 Peaks bei Bindungsenergien von 486,6 bzw. 495 eV wurden beobachtet, während der Film ohne Wärmebehandlung Sn 3d_5/2 . aufwies und Sn 3d_3/2 Peaks bei 484,8 bzw. 493,2 eV (SI, Additional file 1:Figure S2) [21]. Das SnO₂ Film wird eindeutig durch Wärmebehandlung erhalten.

Andererseits, obwohl SnO₂ Elektrotauchlackierung bietet einen vielseitigen und kostengünstigen Weg zu skalierbaren Fertigungssystemen [28], die demonstrierte photovoltaische Leistung des galvanisch abgeschiedenen SnO₂ Filme ist nicht beeindruckend. Um die Geräteleistung zu verbessern, TiCl₄ Behandlung wurde verwendet, um das SnO₂ . zu modifizieren Oberfläche. Wie in Fig. 6a gezeigt, basiert die Vorrichtung auf SnO₂ ohne TiCl₄ Behandlung zeigt ein J _sc Wert von 18,12 mA/cm ² , ein V _oc Wert von 1,04 V, ein FF von 57,3 % und ein PCE von 10,83 %. Im Vergleich dazu ist das Gerät auf Basis von SnO₂ mit TiCl₄ Behandlung (SnO₂ –TiCl₄ ) weist ein J auf _sc Wert von 18,65 mA/cm ² , ein V _oc Wert von 1,02 V, ein FF von 79,1 % und ein PCE von 14,97 % (eine Verbesserung um 38 %). Die Effizienzsteigerung wird hauptsächlich dem verbesserten J . zugeschrieben _sc und FF.

Zellenleistung mit IPCE- und PL-Daten. (a ) J –V Kurven und (b ) EQE-Spektren von PSC-Geräten basierend auf SnO₂ und SnO₂ –TiCl₄ . (c ) Stationäre PL-Spektren von FTO/SnO₂ /Perowskit und FTO/SnO₂ -TiCl₄ /Perowskit-Proben. (d ) Rekombinationszeit versus Stromdichte

Um den Mechanismus zu verstehen, durch den TiCl₄ Behandlung verbessert die J _sc Wert haben wir den EQE gemessen (Abb. 6b). Die EQE des SnO₂ –TiCl₄ Gerät zeigt einen Anstieg von 17,8 auf 18,6 mA/cm ² im gesamten Wellenlängen-Spektralbereich. Die Verbesserung in der EQE nach TiCl₄ Behandlung stimmt gut mit dem verbesserten J . überein _sc im J –V Kurven, was eine effiziente Ladungssammlung impliziert. Es wird erwartet, dass die EQE-Verstärkung auf eine bessere Injektion von Elektronen an der ETLs/Perowskit-Grenzfläche zurückzuführen ist [29, 30]. Um die Elektroneninjektion weiter zu untersuchen, wurde der stationäre PL für Substrate mit beiden ETLs gemessen. Abbildung 6c zeigt die PL-Spektren des FTO/SnO₂ /Perowskit und FTO/SnO₂ –TiCl₄ /Perowskit-Proben. Im Vergleich zum SnO₂ -basierter Film, der SnO₂ –TiCl₄ -basierter Film wies eine verringerte PL-Intensität auf, was darauf hindeutet, dass der Elektronentransfer vom Perowskit zum ETL durch TiCl₄ . verstärkt wurde Behandlung, da die PL-Emission der Perowskitschicht durch Kontakt gelöscht wird. Möglicherweise die verstärkte Elektroneninjektion in ETLs mit TiCl₄ Behandlung verbesserte die EQE. Um die verbesserte Leistung des SnO₂ . weiter zu untersuchen –TiCl₄ -basiertes Gerät, intensitätsmodulierte Photospannungsspektroskopie (IMVS, Additional file 1:Figure S3) wurde durchgeführt, um die Rekombinationszeit (τ _r ) (Abb. 6d). Die Rekombinationslebensdauer hängt von der Konzentration der Ladungsträger in der Solarzelle ab. Somit wird die Rekombinationszeit von der Stromdichte beeinflusst, die durch Variation der Lichtintensität moduliert wird. Die Trägerrekombinationszeit für das SnO₂ –TiCl₄ -basiertes Gerät war 1,17-mal länger als das des SnO₂ -basierte Geräte. Es wird erwartet, dass die längere Zeitkonstante für die Rekombination einen Anstieg von J . bewirkt _sc , FF und bessere Geräteleistung [31, 32]. Die Gerätestatistiken (jeweils 30 Stichproben) wurden in Zusatzdatei 1 bereitgestellt:Abbildung S4.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine vielseitige und skalierbare Elektroabscheidungstechnik demonstriert, um ein SnO₂ . zu erhalten ETL für planare Heterojunction-PSCs. Die Eigenschaften des galvanisch abgeschiedenen SnO₂ hing stark von der Abscheidungszeit, der Elektrolytbadtemperatur und der angelegten Spannung ab. Darüber hinaus sind Geräte auf Basis von SnO₂ behandelt mit TiCl₄ zeigte ein signifikant verbessertes V _oc und J _sc , was zu einer PCE-Verbesserung von 42% führt.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

ED:

Elektrochemische Abscheidung

EQE:

Externe Quanteneffizienz

ETL:

Elektronentransportschicht

FF:

Füllfaktor

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

HTM:

Lochtransportmaterial

IMVS:

Intensitätsmodulierte Photospannungsspektroskopie

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

PL:

Photolumineszenz

PSC:

Perowskit-Solarzelle

RT:

Raumtemperatur

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung