Optimierung von MAPbI₃-Perowskit-Solarzellen mit schräg gesputterten ITO-Elektroden

Zusammenfassung

Wir untersuchten, wie der Sputterwinkel und die -zeit von Indium-Zinn-Oxid (ITO) die Morphologie und Leistung von Methylammonium-Blei-Triiodid (MAPbI₃) Perowskit-Filmen beeinflussen. Die Erhöhung des schrägen Sputterwinkels von 0° auf 80° vergrößerte die Perowskit-Korngröße, eine Folge der veränderten Oberflächenbenetzbarkeit der PEDOT:PSS-Zwischenschicht. Das effizienteste Bauelement (11,3 % Wirkungsgrad) wurde mit einem 30° schräg abgeschiedenen ITO-Film bei 15 min Abscheidung erreicht, was das Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Lichtstreuungseigenschaften unterstreicht.

Hintergrund

Indium-Zinn-Oxid (ITO) bleibt der am weitesten verbreitete transparente leitfähige Oxid (TCO) in optoelektronischen Bauelementen, bietet ~96 % sichtbare Transmission und ~10 Ω/sq Flächenwiderstand. Die Anpassung von ITOs optischen und elektrischen Eigenschaften – durch Glühen, Gasverhältniskontrolle oder Glancing-Angle-Deposition (GLAD) – ergab anisotrope Filme mit säulenförmiger Mikrostruktur und richtungsabhängigen Eigenschaften. Perowskit-Solarzellen (PSCs) basierend auf CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) erreichten bemerkenswerte Wirkungsgrade, doch die meisten Bauelemente nutzen isotrope TCO-Substrate. Diese Studie erforscht die Verwendung von schräg gesputtertem ITO als Substrat für planare MAPbI₃-PSCs und untersucht, wie Oberflächenanisotropie Filmwachstum und Bauelementleistung beeinflusst.

Methoden

ITO-Glas (1,5 × 1,5 cm²) wurde nacheinander mit Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser gereinigt (5 Min. Ultraschall) und mit Stickstoff getrocknet. Eine 100 nm ITO-Schicht wurde bei 5 mTorr Ar gesputtert, wobei der Abscheidungswinkel (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°) und die Zeit (5–30 Min.) variiert wurden. Nach der Abscheidung wurden Filme bei 300 °C für 30 Min. geglüht. PEDOT:PSS (Clevios™ PH 1000) wurde auf das schräge ITO aufgeschleudert (5000 rpm, 30 s) und bei 110 °C für 10 Min. geglüht. MAPbI₃ wurde via zweistufigem Spin-Coating abgeschieden (1000 rpm, 10 s; 5000 rpm, 20 s) mit 1 mL DMSO/GBL (1:1) Vorläuferlösung (1,25 mmol PbI₂, 1,25 mmol MABr). Während des 5000 rpm-Schritts wurden 100 µL wasserfreies Toluen getropft, um schnelle Kristallisation zu induzieren. Filme wurden bei 100 °C für 10 Min. geglüht. Eine 50 nm PCBM-Schicht (20 mg mL⁻¹ Chlorbenzol) wurde aufgeschleudert (3000 rpm, 30 s), gefolgt von 20 nm Ag-Abdampfung unter Vakuum. Bauelemente hatten eine 0,5 × 0,2 cm² aktive Fläche definiert durch eine Schattenmaske. Strukturelle Analysen nutzten XRD (Cu Kα) und FESEM; Benetzbarkeit wurde via Wassertropfenwinkel bewertet. J-V-Kennlinien wurden mit einem Keithley 2420 unter 1000 W m⁻² AM 1.5G Beleuchtung gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Die Kristallinität der MAPbI₃-Filme blieb über alle Sputterwinkel unverändert; XRD-Peaks bei 14,28°, 28,5°, 30,61° und 31,93° entsprachen (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂ und (222) In₂O₃, mit Domänengrößen ≈71,8 nm (Scherrer). FESEM zeigte Korngrößenwachstum mit zunehmendem Sputterwinkel, bestätigend, dass ITO-Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit die PEDOT:PSS-Benetzung und Perowskit-Nukleation modulieren. Wassertropfenwinkelmessungen zeigten eine lineare Korrelation zwischen Winkel und Korngröße, was anzeigt, dass eine hydrophobere PEDOT:PSS-Oberfläche (erreicht durch höhere schräge Winkel) größere Perowskit-Körner fördert.

Photolumineszenz-Spektren zeigten eine dominante Emission bei 768 nm, unbeeinflusst vom darunterliegenden ITO. PL-Quenching intensivierte sich mit höheren Sputterwinkeln, was verbesserte Exzitonentrennung an der PEDOT:PSS/Perowskit-Grenzfläche belegt – am stärksten bei 80° durch optimale Benetzbarkeit.

Die Bauelementleistung erreichte ihr Maximum bei 30° Sputterwinkel. Die 15-min-Abscheidung lieferte die beste Leitfähigkeit bei Erhalt ausreichender Lichtstreuung. Tabelle 1 listet die wichtigsten Leistungsmetriken: JSC = 20,46 mA cm⁻², VOC = 0,92 V, FF = 60 %, Eff = 11,30 %. Die Erhöhung des Winkels über 30° erhöhte den Flächenwiderstand und verringerte den Wirkungsgrad, was den Kompromiss zwischen optischen und elektrischen Eigenschaften illustriert.

Die Variation der Sputterzeit optimierte die Leistung weiter (Tabelle 2). Eine 15-min-Abscheidung bot optimale Filmdicke und Leitfähigkeit, erreichte denselben 11,3 % Wirkungsgrad wie der 30° Winkel.

Fazit

Wir demonstrierten, dass schräg gesputterte ITO-Substrate die MAPbI₃-Filmmorphologie und PSC-Leistung modulieren. Die optimale Konfiguration – 30° Sputterwinkel und 15-min-Abscheidung – liefert 11,3 % Wirkungsgrad, balancierend Leitfähigkeit und Lichtstreuung. Über 30° überwiegt der erhöhte Flächenwiderstand die optischen Vorteile, was den Bauelementwirkungsgrad reduziert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Anpassung der TCO-Mikrostruktur zur Steigerung der Perowskit-Photovoltaik-Leistung.

Abkürzungen

FESEM

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

GLAD

Glancing Angle Deposition

ITO

Indium-Zinn-Oxid

J-V

Stromdichte-Spannung

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

Poly(3,4-ethylendioxythiophen) Polystyrolsulfonat

TCO

Transparenter leitfähiger Oxid

XRD

Röntgendiffraktometer