Perowskit-Solarzellen auf Basis einer kompakten, glatten FA0.1MA0.9PbI3-Folie mit einem Wirkungsgrad von über 22 %

Einführung

In den letzten zehn Jahren hat der Anstieg des industriellen und privaten Energiebedarfs nicht nur eine Energiekrise verursacht, sondern auch Probleme aufgrund der globalen Erwärmung verursacht. Die Halbleitertechnologie spielte eine bedeutende Rolle, um diese Krisen mit minimalen Umweltproblemen zu überwinden. Solarzellen auf Halbleitermaterialbasis sind umweltfreundlich wie Silizium, Verbindungshalbleiter, Oxide und organische Materialien [1, 2]. Perowskitmaterialbasierte Solarzellen (PSCs) sind aufgrund ihres hohen Leistungsumwandlungswirkungsgrads in den Fokus gerückt, der von 3,8 % im Jahr 2009 auf jetzt 25,2 % gestiegen ist [3]. Die bemerkenswert hohe Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von PSCs beruht auf den einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften der Perowskitmaterialien, und die Perowskitmaterialtechnik ist ein wichtiger Ansatz zur Verbesserung der Geräteleistung.

Im Allgemeinen ist Perowskit ein Material mit der gleichen Art von Kristallstruktur basierend auf der Formel ABX ₃ , wobei A ist ein organisches Kation (wie CH₃ NH₂ ⁺ ) oder Alkalikation (Cs ⁺ ) oder deren Mischkationen, B ist das Metallanion (Pb ⁺² oder Sn ⁺² ) und X bezeichnet die Halogenid-Anionen (X =Ich ⁻ , Br ⁻ , oder Cl ⁻ ) [4,5,6,7,8,9,10]. Unter den Perowskitmaterialien ist FA_x MA_1-x PbI₃ (MA, Methylammonium; FA, Formamidinium) ist das häufig verwendete Material in PSCs. Als FA ⁺ hat eine etwas größere Größe (Ionenradius =2,79 Å) im Vergleich zu MA ⁺ (Ionenradius =2,70 Å), FA_x MA_1-x PbI₃ besitzt eine geringere Bandlücke als MAPbI₃ , die somit eine höhere Effizienz der solaren Lichtgewinnung ermöglichen [8, 11,12,13,14,15,16,17,18,19]. Meistens wird eine kleine Menge MA-Kation mit FA-Kation dotiert, um FA_{x . herzustellen} MA_1-x PbI₃ Perowskit, der die Bildung der photoaktiven FA-Kationenphase fördert als reines FAPbI₃ und führen zu einer hohen Geräteeffizienz [19,20,21]. Allerdings ist es trotz des Einbaus von MA-Kationen aufgrund des größeren Ionenradius der FA-Kationen, insbesondere wenn große Mengen an FA verwendet werden, noch sehr schwierig, reinen schwarzen FA-Perowskit ohne jede Spur von gelbphasigem FA-Perowskit zu erhalten. Dieses Problem wurde trotz der hohen Effizienz dieser PSCs häufig beobachtet, da dies die strukturelle und thermische Stabilität der PSCs-Geräte beeinflusst [22, 23]. Um eine hohe Effizienz und Gerätestabilität in FA_{x . zu erreichen,} MA_1-x PbI₃ -basierten PSCs muss die Bildung der Gelbphasendefekte verhindert werden. Anstatt in dieser Arbeit eine große Menge an FA-Kationen in FA zu verwenden_x MA_1-x PbI₃ Perowskit verwenden wir eine kleine Menge FA zur Herstellung von FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Planarfilm, der eine Effizienz des Champion-Geräts von über 22% ermöglicht. Anders als bei mesoporösen Perowskitfilmen [24] fanden wir die Einführung kleiner FA in MAI innerhalb der Lücken des PbI₆ Oktaeder stabilisieren den MAPbI₃ Perowskit-Struktur in eine „quasi-kubische“ Phase bei Raumtemperatur. Darüber hinaus resultieren die Verbesserungen hier hauptsächlich aus dem stark erhöhten J _SC , die von der Bildung eines kompakten, glatten, hochwertigen Perowskitfilms unter Einlagerung von FA profitiert. Darüber hinaus sind die PSCs basierend auf FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Perowskit zeigen auch eine verbesserte Gerätestabilität.

Ergebnisse und Diskussionen

Die in dieser Arbeit verwendete Bauelementstruktur der PSCs ist in Abb. 1 schematisch dargestellt, wobei SnO₂ Schicht wird als Elektronentransportschicht (ETL), Spiro-OMeTAD als Lochtransportschicht (HTL) und Gold (Au) als Anode verwendet. Sowohl Standard- als auch modifizierte Perowskitschichten wurden auf der transparenten Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) als absorbierende Schicht durch ein konventionelles einstufiges Lösungsmittel-Engineering-Verfahren abgeschieden.

Schematischer Aufbau einer Perowskit-Solarzelle

Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde verwendet, um die Morphologie der Perowskitfilme zu untersuchen. Der mit makellosem MAPbI₃ erstellte Film zeigt ein höheres Korngrenzenverhältnis, wie in Fig. 2a gezeigt. Die Pinholes zusammen mit vielen Korngrenzen im Perowskitfilm fördern die strahlungslose Rekombination und verringern die Geräteeffizienz der PSCs. Im Gegensatz dazu wird durch den Einbau von FA-Kationen in das reine MAPbI₃ . ein homogener, nadelstichfreier Perowskitfilm erreicht (FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ ) Film, wie in Abb. 2b gezeigt. Es präsentiert die dicht gepackte Struktur mit einer kleinen Vergrößerung der Korngröße und viel weniger Korngrenzen. Eine kompakte, glatte Filmmorphologie mit großer Korngröße minimiert die Fallenzustände und Defekte im Perowskitfilm.

REM-Aufnahmen von MAPbI₃ . von oben (a ) und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ (b ). Photolumineszenz (PL)-Spektren von Standard- und modifiziertem Perowskit auf Glassubstraten. c Zeitaufgelöste Photolumineszenzspektren (TRPL) von Standard- und modifizierten Perowskitfilmen (d )

Die stationären Photolumineszenz-Spektren (PL) von beiden MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Perowskitfilme sind in Abb. 2c gezeigt. Erwartungsgemäß wird eine deutliche Rotverschiebung des Emissionspeaks festgestellt. Außerdem wurde auch eine Peakverengung beobachtet. Diese signifikante Verschiebung ist auf die Einführung von FA in MA im Perowskitgitter zurückzuführen. Darüber hinaus wird die PL-Intensität durch die Zugabe von FA-Kationen in gewissem Maße erhöht, was die Abnahme der Fallenzustände anzeigt und im Gegenzug hochkristallines FA_0.1 . ergibt MA_0.9 PbI₃ filmen.

Um mehr über die Abnahme der Fallenzustände der modifizierten Perowskitschicht im Vergleich zu einer Standardvorrichtung zu verstehen, wurde eine zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL) an einem Perowskitfilm basierend auf jedem Material durchgeführt, wie in 2d gezeigt. Da die Perowskitschicht ohne jegliche Transportschicht auf dem Glassubstrat abgeschieden wird, wird erwartet, dass die Ladungsträgerrekombination nur den Zwischenschicht-Ladungstransport (dh nicht strahlende Rekombination) darstellt, was eine längere Ladungsträgerlebensdauer und eine langsamere Zwischenschicht-Rekombination mit dem Einbau zeigen würde von FA in MAPbI₃ [25, 26]. Durch Anpassen der TRPL-Kurve an die biexponentielle Funktion der Zeit (t ):

wo τ ₁ und τ ₂ in Gl. 1 repräsentiert die Zeitkonstante des schnellen Zerfalls bzw. des langsamen Zerfalls [27]. Der schnelle Zerfall τ ₁ Komponente stellt die Oberflächenrekombination dar, während die langsame Zerfallskomponente mit der Rekombination zusammenhängt, die in der Masse der Perowskitstruktur stattfindet. Alle angepassten TRPL-Parameter für Standard- und modifizierte Perowskitproben sind in Tabelle S1 zusammengefasst, und die durchschnittliche Rekombinationslebensdauer (τ _Ave ) beider Perowskitschichten wurde näherungsweise aus den angepassten Kurvendaten nach der in den Zusatzinformationen angegebenen Formel berechnet. FAMAPbI₃ (10 %) Film zeigt eine merklich längere durchschnittliche Trägerlebensdauer von 49,92 ns, was auf die Unterdrückung der strahlungsfreien Rekombination in modifizierten PSCs hinweist.

Röntgenbeugung (XRD) wurde verwendet, um die Kristallinität der Perowskitfilme zu untersuchen. Abbildung 3a zeigt den Hauptbeugungspeak des Perowskitfilms bei 2θ von 14,24° zeigt eine bevorzugte Orientierung mit höherer Intensität, wobei der geringe Einbau von FA in Standard-MAPbI₃ Perowskitfilm ermöglicht eine viel stärkere Beugungsintensität, was auf eine höhere Kristallinität schließen lässt. Darüber hinaus verschieben sich die Beugungspeaks der modifizierten Perowskitschicht in Richtung kleiner Winkel. Die markanten Peaks verschieben sich von 14,61° bzw. 28,84° auf 14,24° bzw. 28,49°, wie in Abb. 3b, c gezeigt. Da die Größe der FA-Kationen größer ist als die der MA-Kationen, nimmt die Gittergröße mit dem Einbau von FA-Ionen zu, was der Bragg-Gleichung (2d Sündeθ =n ). Darüber hinaus verringert die Einführung des FA-Kations mit dem MA auch den Toleranzfaktor und provoziert die Bildung einer stabilen kubischen Perowskitphase. Beachten Sie, dass abhängig von der Filmmorphologie und den Abscheidungsbedingungen die Zugabe einer kleinen Menge an FA (0,1) auch einer tetragonalen Phase vorausgehen kann. Das volle Breiten- und Halbwertsmaximum (FWHM) wurde verwendet, um die Korngröße in den Perowskitfilmen abzuschätzen. In FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ , beträgt der FWHM-Wert des höchsten Peaks 0,133°, wie in der ergänzenden Information Abb. S1a b gezeigt, was eine Zunahme der Korngröße mit höherer Kristallinität im Vergleich zu MAPbI₃ . belegt Film (FWHM 0,174°).

XRD-Muster (a ) für MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Perowskitfilme und vergrößertes XRD-Muster der Peaks bei 13–15° (b ) und 27–29° (c )

Um die Elementzusammensetzung nach genau geringem Einbau von FA-Kationen zu bestätigen, wurden Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen sowohl an Standard- als auch an modifizierten Perowskitschichten durchgeführt. Das Vorhandensein von FA in MA-Kationen kann durch die identifizierte CC-Bindung (284.8 eV) bestätigt werden, wie in Abb. 4a, c gezeigt. Darüber hinaus stammt die erschienene Bindung von C–N (401,3 eV) und C=N (400,10 eV) von eingebauten FA-Kationen, die deutlich im N1s-Spektrum von FA_0.1 . beobachtet werden können MA_0.9 PbI₃ Perowskit [27] wie in Abb. 4b gezeigt. Zur weiteren Analyse der Elementzusammensetzung wurde energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) wie in Abb. S2 a &b gezeigt durchgeführt. Wir können die chemische Zusammensetzung offenbar gleichsetzen; die Integration der Elementpeaks zeigt ein quantifiziertes Atomverhältnis von C zu N zu Pb 44.75(2.3):22.73(1.1):19.34(1) für MAPbI₃ und 47,71 (2.3):27.34 (1.3):20.15 (1) für FA_0.1 MA0.9PbI₃ Perowskit [28].

XPS-Messung für Elemente für MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Perowskit-Filme. Kohlenstoff (a , c ). Stickstoff (b , d )

Die Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM) wurde verwendet, um den Perowskitfilm weiter zu analysieren, der die Kontaktpotentialdifferenz (CPD) zwischen der Spitze und der Oberfläche der darunter liegenden Probe misst [14, 23]. Die Oberflächenrauheit wird durch den Einbau von FA in MAPbI₃ von 20.488 auf 4.778 nm deutlich verringert Perowskit, wie die topographischen Bilder in Abb. 5a, d zeigen. Dies zeigt weiter die kompakte, glatte Morphologie des Perowskitfilms mit FA-Dotierung. Die Oberflächenmorphologie von Standard- und modifizierten Perowskitfilmen in drei Dimensionen (3D) ist in Abb. 5b bzw. e gezeigt. Die Oberflächenpotentialbilder sind in Abb. 5c, f und die 3D-Bilder in den Zusatzinformationen Abb. S3 (b &c) dargestellt. Es ist klar, dass FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Film zeigt eine homogenere Potenzialverteilung als MAPbI₃ Film, was auf weniger Oberflächenfehler an der Oberfläche von FA_0,1 . hinweist MA_0.9 PbI₃ Film. Inzwischen hat die FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Film zeigt ein höheres Oberflächenpotential an den Korngrenzen als der Standard-Perowskitfilm, was die Einfang- und Rekombinationswahrscheinlichkeit der Minoritätsträger verringert und einen Strompfad für Minoritätsträger vorgibt, um die entsprechenden selektiven Kontakte zu erreichen. Hierin verbessert es die Gesamtleistung der PSCs auf dem Weg zu einem besseren Ladungstransport mit unterdrückter Rekombination.

Topografiebilder (a , d ), 3D-Topografiebilder (b , e ) und Oberflächenpotentialbilder (c , f ) von MAPbI₃ Film und FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Film

Querschnitts-REM-Bilder von MAPbI₃ Film und FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Film sind in Abb. 6a, b gezeigt. Diese Perowskitfilme werden auf SnO₂ . hergestellt ETL. Es ist deutlich zu erkennen, dass die ETL/Perowskit-Grenzfläche durch den Einbau von FA in Perowskit stark verbessert wird. Es ist auch zu sehen, dass FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Film ist viel kompakter und glatter als MAPbI₃ Film. Diese Verbesserungen begünstigen eine effiziente Trägerextraktion an Schnittstellen. UV-Vis-Absorptionsspektren (UV-Vis) wurden gemessen, um die Absorptionsmerkmale der Perowskitfilme zu analysieren, wie in Fig. 6c gezeigt. FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Film zeigt etwas höhere Absorptionsintensitäten als der MAPbI₃ Film. Die Bandlückenwerte wurden unter Verwendung der Tauc-Plot-Spektren in S4 a &S4b berechnet, die für MAPbI₃ . 1,58 eV betragen und 1,54 eV für FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ , was zeigt, dass der geringe Einbau von FAI-Kationen in die MAI-Gittermatrix die Bandlücke verringert. Die reduzierte Bandlücke ist von Vorteil, um hocheffiziente Perowskit-Solarzellen zu entwickeln.

Querschnittsbilder von MAPbI₃ (a ) und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ (b ) Filme auf der Oberseite von ETL/ITO und die Absorptionsspektren (c ) von Perowskitfilmen

Die PSCs basierend auf MAPbI₃ (Standard-PSC) und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ (modifizierte PSC) sind mit der Struktur von ITO/SnO₂ . aufgebaut /Perowskit/Spiro-OMeTAD/Au. Die Stromdichte-Spannungs-(J-V)-Kurven sind in Abb. 7a gezeigt, und die entsprechenden photovoltaischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgelistet. Es ist klar, dass die Kurzschlussstromdichte (J_SC ) von modifizierten PSCs ist offensichtlich höher als die von Standard-PSCs, was zu einer deutlichen Steigerung der Geräteeffizienz führt. Der maximale PCE von modifizierten PSCs beträgt 22,02% bei einer Leerlaufspannung (V _OK ) von 1,13 V, J _SC von 25,87 mAcm ⁻² , und einen Füllfaktor (FF) von 0,75. Die bemerkenswerten Verbesserungen in J _SC und PCE von modifizierten PSCs basierend auf FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ implizieren stark eine verbesserte Trägersammlung. Aufgrund der kompakten und glatten Oberflächeneigenschaften von FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Filme mit großer Korngröße und besserer Kristallinität, Ladungsextraktion und Transport werden mit minimalen durch Rekombinationsprozesse induzierten Verlusten ermöglicht. Daher J _SC stark erhöht und inzwischen V _OK wird auch verbessert. Das erhöhte J _SC wird auch teilweise durch die verringerte Bandlücke und die verbesserte Absorption in FA_0,1 . beigetragen MA_0.9 PbI₃ Film (wie durch die in Fig. 6c gezeigten Absorptionsmerkmale gezeigt). Zur weiteren Untersuchung der Wirkung von FA auf MAPbI₃ , haben wir auch unterschiedliche Verhältnisse von FA (5–20 %) verwendet, und die resultierende Geräteleistung der entsprechenden PSCs ist in Abb. S5 und Tabelle S2 gezeigt. Der Einbau von FA in den Perowskit mit einem Molverhältnis von 5 bis 20 % erhöht J _SC und PCE, wodurch die hohe Effizienz der modifizierten PSCs erreicht wird. Die besten Werte der Geräteleistung werden bei Verwendung von FA_0,1 . erzielt MA_0.9 PbI₃ .

J-V-Kurven (a ), dV /dJ vs. (J _SC + J ) ⁻¹ Plots mit linearer Anpassungskurve (b ) und ln (J _SC + J ) vs. (V − R _S J ) Plots mit linearen Anpassungskurven für die PSCs basierend auf MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ (c )_. Entsprechende EQE-Spektren für modifizierten Perowskit im Vergleich zu Standard-PSCs (d )

Um die zugrunde liegenden Mechanismen für die bemerkenswert verbesserte Geräteleistung mit dem geringen Einbau von FA zu untersuchen, wurden die Parameter des Serienwiderstands (R _S ) und umgekehrt sättigbare Stromdichte (J ₀ ) wurden charakterisiert [29, 30]. Die J-V-Eigenschaften werden angegeben durch:

wo J ist der Strom, der durch die externe Last fließt, J _ph ist die von einer Diode erzeugte Photostromdichte, A ist der Gerätebereich, R _SH ist der Shunt-Widerstand, m bezieht sich auf den Idealitätsfaktor des pn-Übergangs, K _β ist die Boltzman-Konstante und T und e sind die Temperatur bzw. die Elektronenladung [31, 32]. Für einen idealen Zustand (R _SH groß genug ist) [33, 34], Gl. 1 kann geschrieben werden als:

R _S erhalten Sie beim –dV /dJ vs (J _SC − J ) ⁻¹ Auftragungen in Abb. 7b mit einer linearen Anpassungskurve gemäß Gl. 2, das sind 4,8 Ω cm ² und 2,3 Ω cm ² für Standard-PSC mit MAPbI₃ und modifizierter PSC mit FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ , bzw. Diese Abnahme von R _S für die modifizierte PSC zeigt einen besseren Trägertransport an und trägt zum hohen J . bei _SC . J ₀ bestimmt aus ln (J _SC + J ) vs. (V − R _S J )-Plots in Abb. 7c ist 1,43 × 10 ⁻² , und 1,16 × 10 ⁻⁵ mAcm ⁻² für MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ PSCs bzw. Ein kleineres J ₀ zeigt eine niedrigere Rekombination an und somit V _OK der modifizierten PSCs verbessert. Die reduzierte Rekombination durch FA-Einbau stimmt auch mit der KPFM-Messung überein. Darüber hinaus wurde die externe Quantenausbeute (EQE) berechnet, bei der breite Photoantworten mit hohen Werten erhalten werden; die berechneten integrierten Stromdichten (J _SC ) sind 24,88 mAcm ⁻² und 20,25 mAcm ⁻² für die am besten modifizierten bzw. Standardgeräte, wie in Abb. 7d gezeigt, die mit dem J . übereinstimmt _SC Wert aus J-V-Test berechnet.

Generell ist EIS ein geeignetes Werkzeug, um den internen elektrischen Prozess von PSCs zu analysieren. Hier wurde EIS als Spannungsfunktion durchgeführt. Die erhaltenen Daten wurden mit ZView unter Verwendung einer geeigneten Ersatzschaltung, wie in Fig. 8a gezeigt, angepasst. Der Rekombinationswiderstand (R rec) jeder Perowskit-Solarzelle wird aus dem Durchmesser des Halbkreises berechnet. Es ist deutlich zu erkennen, dass R rec von modifiziertem Perowskit solar erhöht mit dem geringen Einbau von FA in MAPbI₃ was auf die signifikante Abnahme der unerwünschten Rekombination hinweist und im Gegenzug die Defektdichte von PSCs verringert.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) Nyquist-Plot für modifizierten Perowskit im Vergleich zu Standard-PSCs (a ). Normalisierte PCE-Zeit-Diagramme von Standard- und modifizierten PSCs (b )

Abbildung 8b zeigt, dass die modifizierte PSC mit FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ behält seinen ursprünglichen Wert bis zu 80% auch nach 800 h, während der Standard-PSC mit MAPbI₃ behält nur weniger als 60 % seines ursprünglichen Wertes. Die verbesserte Stabilität des PSC mit FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ entspricht der hohen Qualität des FA_0.1 MA_0.9 PbI₃ Perowskit-Film. Die Gerätestabilitätsprobleme der PSCs wurden auch in verschiedenen Zeitintervallen unter Umgebungsbedingungen charakterisiert.

Um die Wiederholbarkeit der PSCs zu bestätigen, muss die durchschnittliche Leistung beider MAPbI₃ und FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Die gemittelten PSCs von mehr als 40 Geräten sind in Tabelle 1 dargestellt, und die Statistik der photovoltaischen Parameter ist in Abb. 9a–d dargestellt. Es ist zu sehen, dass in PSCs mit FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ , auch die durchschnittliche Leistung ist den PSCs mit MAPbI₃ deutlich überlegen und zeigen eine bessere Reproduzierbarkeit.

Statistik von V _OK , FF PCE und J _SC von mehr als 40 Geräten für jede Art von PSCs (a –d )

Experimentelle Details

Materialien und Methoden

CH₃ NH₃ I, PbI₂ , CH (NH₂ )₂ , und Spiro-OMeTAD wurden von Xi’an Polymer Light Technology Corp. gekauft. SnO₂ wurde von Alfa Aesar gekauft. Die Vorläuferlösung von FA_x MA_1-x PbI₃ bestand aus PbI₂ , CH₃ NH₃ I und CH (NH₂ .) )₂ in einer Mischung aus Dimethylformamid (DMF) bis Dimethylsulfoxid (DMSO) (9:1, Vol./Vol.) über Nacht gerührt. Die Konzentration von FA_0,1 MA_0.9 PbI₃ Vorläuferlösung war 0,3 &mgr;mol/ml. Die mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Substrate haben einen Schichtwiderstand von 15 Ω/□. Alle Materialien wurden ohne weitere Reinigung direkt verwendet.

Geräteherstellung

Alle PSCs wurden auf ITO-Glassubstraten hergestellt. SnO₂ wurde auf dem vorgereinigten ITO-Substrat als Elektronentransportschicht (ETL) abgeschieden. Perowskitschichten wurden im N₂ . abgeschieden - gefülltes Handschuhfach bei 5000 U/min für 35 s. 29 s vor dem Stoppen der Rotationsbeschichtung wurde Anti-Lösungsmittel-Toluol auf das Substrat getropft. Danach wurde das Substrat zum Glühen für 8 min bei 80 °C und dann für 10 min bei 120 °C auf den heißen Gaumen übertragen. Nach dem Abkühlen wurde das Lochtransportmaterial Spiro-OMeTAD durch Schleuderbeschichtung bei 3000 /min für 30 s auf der Oberseite der Perowskitschicht abgeschieden. Nachdem die Schleuderbeschichtung aller Schichten abgeschlossen war, wurden die Proben für einen besseren Oxidationsprozess über Nacht außerhalb der Glovebox aufbewahrt. Schließlich wurden 80 nm Gold (Au) durch thermisches Aufdampfen unter 4 × 10 ⁻⁴ . abgeschieden Pa-Vakuumbedingungen zur Vervollständigung der Gerätestruktur.

Gerätecharakterisierung

Die Strom-Spannungs-Charakterisierung wurde mit einem digitalen Quellenmessgerät (Keithley Modell 2400) bei AM 1,5 G bei 100 mW cm ⁻² . durchgeführt . Rasterelektronenmikroskop(REM)-Messungen wurden von 4800 durchgeführt. Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem D/max 2200 V-Röntgenpulverdiffraktometer mit Cu Kα-Strahlung (λ =1,540 A). Messungen mit Kelvin-Sondenkraftmikroskopie (KPFM) wurden mit dem MFP-3D infinity von Asylum Research durchgeführt. Alle Charakterisierungen wurden unter konstanten Umgebungsbedingungen und ohne Gerätekapselung durchgeführt.

Schlussfolgerung

In unserer Arbeit wird eine genau kleine Menge an FA-Kationen in MA-Kationen des Standard-MAPbI₃ . eingeführt -basierter Perowskitfilm zur Verbesserung der Filmqualität in Bezug auf Glätte und Kristallinität bei voller Oberflächenbedeckung. Der bemerkenswerte PCE von 22,02 % und das deutlich verbesserte J _SC wurde von den PSCs basierend auf FA_0.1 . erhalten MA_0.9 PbI₃ Perowskit. Darüber hinaus ist die Verbesserung in V _OK als Folge einer verringerten Trägerrekombination wird ebenfalls erhalten. Diese Ergebnisse zeigen, dass hocheffiziente PSCs mit hervorragender Stabilität wiederholbar hergestellt werden können, basierend auf dem kompakten, glatten Perowskitfilm mit verbesserter Kristallinität, ermöglicht durch den Einbau eines kleinen Wertes von FAI-Kationen in MAPbI₃ .

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Ergebnisse dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

PSC:

Perowskit-Solarzelle

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

FWHM:

Volle Breite und halbes Maximum

PL:

Photolumineszenz

TRPL:

Zeitaufgelöste Photolumineszenz

KPFM:

Kelvin-Sondenkraftmikroskopie

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie