Effekt einer schräg gesputterten ITO-Elektrode in MAPbI3-Perowskit-Solarzellenstrukturen

Hintergrund

Indium-Zinn-Oxid (ITO) ist ein transparentes leitfähiges Material, das Indiumoxid (In₂ O₃ ) und Zinnoxid (SnO₂ ). Es wird aufgrund seiner sichtbaren Transparenz von ungefähr 96% . häufig in Flüssigkristallanzeigen, Leuchtdioden und Solarzellen verwendet und Leitfähigkeit von etwa 10 Ω/sq [1,2,3,4,5]. Mehrere Methoden zur Verbesserung des Widerstands und der Transmission von ITO-Filmen wurden untersucht, einschließlich Tempern und Sputtern mit verschiedenen Gasverhältnissen und Betriebsdrücken [5,6,7,8]. Über die optoelektronischen Eigenschaften von schräg gesputterten ITO-Filmen wurde berichtet [9, 10]. Wenn ein ITO-Film abgeschieden wird, wächst er aufgrund des Schatteneffekts als Film mit einer geneigten säulenförmigen Struktur unter einem Winkel auf einem Substrat. Der säulenförmige ITO-Film weist eine andere Morphologie, anisotrope optische Eigenschaften und einen anisotropen spezifischen Widerstand auf [10].

Kürzlich Solarzellen mit Perowskit-Materialien wie CH₃ NH₃ PbI₃ , als aktive Schicht haben aufgrund ihrer günstigen Leistungsumwandlungseffizienzen großes Interesse gefunden [11,12,13,14,15,16,17,18]. Die meisten Perowskit-Solarzellen haben als Substrat transparentes leitfähiges Oxidglas (TCO), wie ITO oder FTO (Fluor-dotiertes Zinnoxid). Die optoelektronischen Eigenschaften eines isotropen TCO-Films unterscheiden sich jedoch von denen eines anisotropen TCO-Films. Daher entwickelt diese Arbeit planare Perowskit-Solarzellen unter Verwendung von CH₃ NH₃ PbI₃ (MAPbI₃ ) Perowskite auf schrägen ITO-Substraten, die mit Glanzwinkelabscheidung (GLAD) hergestellt wurden. Diese Untersuchung untersucht die optischen, strukturellen und Oberflächeneigenschaften von MAPbI₃ Perowskitfilme auf schrägen ITO-Substraten, die bei verschiedenen Temperaturen getempert und für verschiedene Zeiten gesputtert wurden. Die Beziehungen zwischen der Leistung der Perowskit-Solarzelle und den Eigenschaften der Perowskit-Filme werden diskutiert.

Methoden

In dieser Untersuchung wurde ITO-Glas in kleine Stücke der Größe 1,5 × 1,5 cm ² . geschnitten als Unterlage verwendet werden. Die ITO-Glassubstrate wurden mit Aceton, Ethanol und entionisiertem (DI) Wasser in einem Ultraschalloszillator 5 Minuten lang gründlich gereinigt und mit Stickstoff getrocknet. Ein ITO-Film wurde auf dem ITO-Glassubstrat durch Sputtern unter verschiedenen schrägen Winkeln unter Verwendung von ITO-Targets abgeschieden, wie in Fig. 1a dargestellt. Das Arbeitsgas und der Druck waren reines Argon bzw. 5 mTorr. Nach der Abscheidung wurden die Filme 30 Minuten lang bei 300 °C getempert.

a Schematischer Querschnitt der fertiggestellten Struktur und des schrägen Sputtersystems. b FESEM-Querschnittsaufnahme einer Probe mit 30° geneigt gesputtertem schrägem ITO

Für die Perowskit-Solarzellen wurden Glassubstrate verwendet, die mit den schräg gesputterten ITO-Filmen beschichtet wurden. PEDOT:PSS-Filme wurden durch Schleuderbeschichten der schrägen ITO-Glassubstrate bei 5000 U/min für 30 s hergestellt. Nach dem Schleuderbeschichten wurde der Film 10 Minuten lang bei 110 °C getempert. Die Perowskitschicht wurde mittels zweistufiger Schleuderbeschichtung auf das PEDOT:PSS/schräge ITO-Glassubstrat bei 1000 U/min für 10 s und 5000 U/min für 20 s abgeschieden. Während des Schrittes bei 5000 U/min für 20 s wurde der nasse Spinnfilm abgeschreckt, indem 100 μl wasserfreies Toluol darauf getropft wurden. Die Perowskit-Vorläuferlösungen wurden unter Verwendung von 1,25 mmol Methylammoniumbromid und 1,25 mmol PbI₂ . hergestellt (mit einer Reinheit von 99,999 %), die in 1 ml Cosolvens gelöst wurde. Das Volumenverhältnis von Dimethylsulfoxid (DMSO) zu -Butyrolacton (GBL) betrug 1:1. Nach dem Schleuderbeschichten wurde der Film 10 min bei 100 °C getempert. Dann [6,6]-Phenyl-C₆₁ -Buttersäuremethylester (PCBM) wurde in Chlorbenzol (20 mg/ml) gelöst und 30 s lang bei 3000 U/min auf Perowskitschichten aufgeschleudert, wodurch ein 50 nm dicker Film als Elektronentransportschicht gebildet wurde. Schließlich wurde eine Ag-Elektrode mit einer Dicke von 20 nm durch thermisches Aufdampfen abgeschieden, um die Struktur des Geräts zu vervollständigen. Die Probe wurde mit einer Schattenmaske bedeckt, die während der Abscheidung eine aktive Fläche von 0,5 cm × 0,2 cm definierte. Abbildung 1a zeigt schematisch die vollständige Struktur. Abbildung 1b zeigt das FESEM-Querschnittsbild der Probe mit dem um 30° geneigten schräg gesputterten ITO.

Ergebnisse und Diskussion

Die kristallinen Mikrostrukturen der Filme wurden unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers beobachtet. Ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) wurde verwendet, um die Oberflächenmorphologie der Proben zu beobachten. Die Stromdichte–Spannung (J –V ) wurden die Eigenschaften der Solarzellen mit einem programmierbaren Quellenmessgerät vom Typ Keithley 2420 unter Bestrahlung mit einer 1000 W-Xenonlampe gemessen. Die Strahlungsleistungsdichte auf der Oberfläche der Zelle wurde auf 1000 W/m ² . kalibriert .

Abbildung 2 zeigt die XRD-Muster des MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schräge ITO-Schicht/Glas unter verschiedenen schiefen Winkeln. Die vier mittleren Peaks bei 14,28°, 28,5°, 30,61° und 31,93° entsprechen dem (110) Perowskit, (220) Perowskit, (110) SnO₂ , und (222) In₂ O₃ Flugzeuge bzw. Wenn der Sputterwinkel von 0° auf 60° ansteigt, wird das (110) SnO₂ entsteht durch den Einbau von Sn-Atomen. Die Größe der Kristalldomäne kann mit der Scherrer-Gleichung [19] berechnet werden. Die Größen der Kristalldomänen des MAPbI₃ Perowskitfilme in den Proben sind ungefähr 71,8 nm groß. Daher sind die Größen der Kristalldomänen des MAPbI₃ Perowskit werden durch die schräge ITO-Schicht nicht beeinflusst.

XRD-Muster von MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schräge ITO-Schicht/Glas für verschiedene Schrägwinkel

Abbildung 3 zeigt SEM-Bilder von MAPbI₃ Perowskitfilme auf einer schrägen ITO-Schicht/Glas für verschiedene schräge Winkel. Die Korngröße (oder Partikelgröße) des MAPbI₃ Perowskitfilme nehmen mit dem schrägen Sputterwinkel von 0° bis 80° zu, was zeigt, dass die Oberflächeneigenschaften des ITO die Anzahl der Perowskitkeimbildungsstellen beeinflussen. Da das ITO nicht in direktem Kontakt mit dem Perowskit-Dünnfilm steht und ein PEDOT:PSS-Dünnfilm zwischen dem ITO und dem Perowskit eingefügt ist, sollten die Oberflächeneigenschaften des ITO die Eigenschaften der Perowskit-Dünnfilme nicht direkt beeinflussen. Daher hängt die Benetzbarkeit der PEDOT:PSS-Dünnschichten [20] mit den Oberflächeneigenschaften des ITO zusammen. Daher sind die unterschiedlichen Korngrößen im MAPbI₃ Perowskitfilme können mit der Benetzbarkeit des Substrats zusammenhängen [21, 22]. Experimente zum Kontaktwinkel eines Wassertropfens wurden durchgeführt, um die Benetzbarkeit der PEDOT:PSS-Dünnschichten auf den verschiedenen ITO/Glas-Proben zu beurteilen, wie in Abb. 4 gezeigt. Der Kontaktwinkel ist proportional zur Größe der Körner in die MAPbI₃ dünner Film, was darauf hinweist, dass die Keimbildung und das Kristallwachstum eines MAPbI₃ Dünnfilm kann durch Variieren der Oberflächenbenetzbarkeit von PEDOT:PSS/schrägem ITO/Glas gesteuert werden. Kontaktwinkelbilder der schrägen ITO-/Glasproben wurden aufgenommen, um die Variation der Oberflächenbenetzbarkeit der PEDOT:PSS-/schrägen ITO-/Glasproben zu verstehen, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Benetzbarkeit von PEDOT:PSS/schrägem ITO/ Glasproben ist umgekehrt proportional zur Benetzbarkeit der schrägen ITO/Glas-Proben, so dass die vertikalen Verteilungen der hydrophilen PSS-Polymere und hydrophoben PEDOT-Polymere durch Variieren der Oberflächenbenetzbarkeit der schrägen ITO/Glas-Probe manipuliert werden können. Es wird vorgeschlagen, dass PSS-Polymere hauptsächlich in der oberen Oberfläche des PEDOT:PSS-Dünnfilms verteilt sind, wenn das Substrat eine hydrophobe Oberfläche hat (Abb. 5a), was zu einem kleinen Kontaktwinkel der Wassertropfen auf dem PEDOT:PSS-Dünnfilm führt (Abb. 4a). Die experimentellen Ergebnisse (XRD und SEM) zeigen, dass der MAPbI₃ Körner sind multikristalline MAPbI₃ Partikel [23].

a –d SEM-Bilder von MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schräge ITO-Schicht/Glas für verschiedene Schrägwinkel

a –d Bilder, die den Kontaktwinkel von Wasser auf PEDOT:PSS/schräger ITO-Schicht/Glas für verschiedene schräge Winkel zeigen. CA-Kontaktwinkel

a –d Bilder, die den Kontaktwinkel von Wasser auf einer schrägen ITO-Schicht/einem Glas für verschiedene schräge Winkel zeigen

Abbildung 6 zeigt die Photolumineszenz(PL)-Spektren des MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schrägem ITO/Glas für verschiedene Schrägwinkel. Ein Hauptpeak wird bei 768 nm beobachtet, was der Emission von MAPbI₃ . entspricht . Der Befund wird durch die XRD-Ergebnisse gestützt. Die PL-Emissionsenergie des MAPbI₃ Perowskit wird von unterhalb der schrägen ITO-Schicht nicht beeinflusst. Darüber hinaus wurden die unterschiedlichen PL-Intensitäten der MAPbI3-Filme auf ITOs, die mit verschiedenen schiefen Winkeln gesputtert wurden, als Ergebnis der Trennung des lichtinduzierten Exzitons erhalten. Eine bessere Grenzfläche zwischen PEDOT:PSS und Perowskit sorgte für eine bessere Exzitonentrennung, was zu einem stärkeren PL-Löscheffekt führte. Daher zeigte ITO bei einem schiefen Winkel von 80° die beste Exzitonentrennung von der Perowskitschicht zu PEDOT:PSS aufgrund der günstigen Oberflächenbenetzbarkeit von PEDOT:PSS/schrägem ITO, wie in Abb. 4 gezeigt.

PL-Spektren von MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schräge ITO-Schicht/Glas für verschiedene Schrägwinkel

Abbildung 7 zeigt die Stromdichte-Spannung (J –V ) Kurve der Solarzellen, die auf MAPbI₃ . basieren Perowskit mit einer schrägen ITO-Schicht, die unter verschiedenen schrägen Winkeln gesputtert und einer Wärmebehandlung bei einer Glühtemperatur von 300 °C unterzogen wird. Die Sputterzeit beträgt 15 Minuten. Tabelle 1 zeigt die resultierende Leistungsumwandlungseffizienz (Eff), Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ) und Füllfaktor (FF) des MAPbI₃ Solarzellen. Die Leistung der Vorrichtung verschlechtert sich mit zunehmendem Sputterwinkel der schrägen ITO-Schicht, da der Sauerstoffgehalt in den schrägen ITO-Schichten und ihr Widerstand mit dem Sputterwinkel steigen [10]. Durch die günstige Leitfähigkeit kann die maximale Effizienz nach der Abscheidung im schrägen Winkel von 30° erreicht werden.

Stromdichte–Spannung (J –V ) von Solarzellen basierend auf MAPbI₃ Perowskit mit schräger ITO-Schicht, gesputtert in verschiedenen schrägen Winkeln

Abbildung 8 zeigt die Stromdichte-Spannung (J –V ) Kurven der Solarzellen, die auf MAPbI₃ . basieren Perowskit mit der schrägen ITO-Schicht, die für verschiedene Sputterzeiten gesputtert wurde, bevor er einer Wärmebehandlung bei einer Glühtemperatur von 300 °C unterzogen wurde. Tabelle 2 zeigt den entsprechenden Leistungsumwandlungswirkungsgrad (Eff), die Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ) und Füllfaktor (FF) des MAPbI₃ Solarzellen. Die optimale Effizienz wird erreicht, wenn die Sputterzeit der schrägen ITO-Schicht aufgrund der Dicke der Schicht und ihrer guten Leitfähigkeit 15 min beträgt. Das beste Gerät wird mit diesem Abscheidungswinkel erhalten, mit J _SC = 20,46 mA/cm ² , V _OK = 0,92 V, FF = 60,00 % und Eff = 11,30 %.

Stromdichte–Spannung (J –V ) von Solarzellen basierend auf MAPbI₃ Perowskit mit schräger ITO-Schicht gesputtert für verschiedene Sputterzeiten

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend zeigte diese Arbeit die Eigenschaften von MAPbI₃ Perowskitfilme auf PEDOT:PSS/schräg gesputterten ITO/Glas-Substraten, die mit verschiedenen Sputterzeiten und Sputterwinkeln hergestellt wurden. Die Geräteleistung wurde mit einer schrägen ITO-Schicht optimiert, die durch Sputtern bei 30° für 15 Minuten mit einer Kurzschlussstromdichte (J _SC ) = 20,46 mA/cm ² , Leerlaufspannung (V _OK ) = 0,92 V, Füllfaktor (FF) = 66,0 % und Leistungsumwandlungseffizienz (Eff) = 11,3 %. Die Leistung der Vorrichtung verschlechtert sich, wenn der Sputterwinkel der schrägen ITO-Schicht von 30° auf 80° zunimmt, da der Widerstand der Vorrichtung mit dem Sputterwinkel zunimmt. Obwohl schräge ITO-Schichten die Streuung von einfallendem Licht verbessern, verschlechtert der hohe spezifische Widerstand die Leistung der Vorrichtung. Daher kann eine optimale Effizienz durch Abscheidung in einem schrägen Winkel von 30° aufgrund der Leitfähigkeit erreicht werden.

Abkürzungen

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

GLAD:

Glanzwinkelabscheidung

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

J –V :

Stromdichte–Spannung

MAPbI₃ :

CH₃ NH₃ PbI₃

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat

TCO:

Transparentes leitfähiges Oxid

XRD:

Röntgendiffraktometer