Sprühpyrolyse-Fertigung von hochreinen MAPbI3-Perowskit-Partikeln für Dünnschicht-Solarzellen

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine vergleichende Studie von drei skalierbaren Wegen zur Herstellung von Methylammonium-Bleijodid (MAPbI3) Perowskit-Partikeln: (1) Antilösungsmittel-Fällung, (2) Trockenmisch-Mahlen und (3) Sprühpyrolyse. Sprühpyrolyse, die die Vorstufenlösung in einen Heißwandreaktor vernebelt, liefert verunreinigungsfreie, kristalline Pulver mit engen Größenverteilungen und ergibt einen uniformen Perowskit-Dünnschichtfilm bei der Fertigung einer mesoporösen Solarzelle (PCE = 2,05 %). Diese Ergebnisse demonstrieren, dass Sprühpyrolyse die effektivste Methode zur Erzeugung hochwertiger Perowskit-Pasten für großflächige Bauelementfertigung ist.

Hintergrund

Organometallische Halogenid-Perowskite – insbesondere solche mit Methylammonium (MA), Formamidinium (FA) oder Cäsium (Cs) – stehen im Vordergrund der Photovoltaik-Forschung und werden auch für Transistoren, LEDs und Strahlungsdetektoren erforscht. Während sich die meisten Arbeiten auf Dünnschichtabscheidung konzentrieren, bieten nanokristalline Perowskit-Partikel Quantenkonfinement-Effekte und neue Bauelementarchitekturen. Die Literatur wird von rein anorganischen Cs-basierten Nanokristallen dominiert; MA-basierte Partikel bleiben jedoch unerforscht, besonders im Kontext skalierbarer Produktion.

Darstellung der Hypothese

Wir schlagen drei distincte Synthesestrategien für MAPbI3-Partikel vor:

1. Antilösungsmittel-Fällung – Tropfenweises Hinzufügen einer Perowskit-Vorstufenlösung in Toluol.
2. Trockenmisch-Mahlen – Mechanisches Mischen von MAI und PbI2 Pulvern auf einem Magnetrührer bei 200 °C.
3. Sprühpyrolyse – Vernebeln der Vorstufenlösung mit einer 0,2 mm Düse in einen zweistufigen Edelstahl-Heizer (275 °C/175 °C). Diese Methode nutzt Lösungsmittelverdampfung und in-situ chemische Umwandlung zur Bildung kristalliner Partikel.

Abbildung 1 illustriert das Schema der drei Wege.

Testen der Hypothesen

Perowskit-Vorstufen (MAI = 158 mg, PbI2 = 420 mg) wurden in 1 ml DMSO gelöst. Die resultierende 1 ml Lösung wurde mit jeder Methode verarbeitet, und die Pulver wurden bei 150 °C geglüht (Antilösungsmittel) oder direkt gesammelt (Sprüh) für Charakterisierung.

1. Antilösungsmittel-Methode

Schnelle Fällung erzeugte nach 2 min gelbes Pulver; fortgesetztes Rühren für 20 min ergab eine kolloidale Dispersion. XRD (Bruker D5005) bestätigte Perowskit-Bildung mit geringfügigen Verunreinigungspeaks.

2. Mahl-Methode

MAI/PbI2 Massenverhältnisse von 1:1 und 1:2 wurden bei 200 °C getestet. XRD zeigte dominante Perowskit-Peaks, aber residuale PbI2-Signale, was auf unvollständige Umwandlung hinweist.

3. Sprüh-Methode

Mit 2 psig Luftdruck traten Tröpfchen in einen 10 cm × 30 cm Heizer ein. Die erste Stufe (275 °C) verdampfte das Lösungsmittel; die zweite Stufe bei 175 °C verhinderte Zersetzung und lieferte ein hochkristallines, verunreinigungsfreies Pulver.

Abbildung 2 zeigt die XRD-Muster, und Abbildung 3 SEM-Bilder, die mikrongroße, unregelmäßige Partikel offenbaren; sprühhergestellte Pulver weisen die engste Größenverteilung auf (Abbildung 4).

Implikationen der Hypothese

Perowskit-Pasten wurden formuliert, indem 20 mg jedes Pulvers in 10 µl Ethanol dispergiert und auf mesoporöse TiO2-Schichten auf FTO-Glas aufgebracht wurden. SEM (Abbildung 6) zeigt, dass nur die sprühhergestellte Paste einen kontinuierlichen, defektfreien Film bildet. UV-Vis-Spektren (Abbildung 7) bestätigen die erwartete Absorptionskante bei ~750 nm für sprühhergestellte Filme.

Wir fertigten eine basale MAPbI3-Solarzelle: TiO2 / Perowskit / Spiro-OMeTAD / Au. Das Bauelement zeigte einen PCE von 2,05 % (Voc < 0,4 V, Jsc = 6,3 mA cm⁻², FF = 0,8), begrenzt durch interfaciale Ladungsrekombination, wahrscheinlich verursacht durch schwache Partikelbindung im Film. Verbesserte Binder könnten die Leistung steigern.

Schlussfolgerungen

Sprühpyrolyse produziert konsistent kristalline, verunreinigungsfreie MAPbI3-Partikel mit enger Größenverteilung, was die Fertigung uniformer Perowskit-Filme und funktionaler Solarzellen ermöglicht. Dieser skalierbare Weg verspricht viel für die großflächige Perowskit-Bauelementfertigung.