Optimierung der CH₃NH₃PbI₃-Morphologie für verbesserte Perowskit-Solarzellen-Leistung

Zusammenfassung

Wir untersuchten, wie die Variation der Methylammoniumiodid (MAI)-Konzentration in einem zweistufigen Nassprozess die Morphologie und photovoltaische Leistung von CH₃NH₃PbI₃-Perowskitfilmen beeinflusst. Die Gerätearchitektur – Glas/FTO/TiO₂-mesoporous/CH₃NH₃PbI₃/spiro-OMeTAD/Ag – wurde auf 1,5 × 1,5 cm² FTO-Substraten gefertigt. Durch systematische Anpassung der Spin-Coating-Geschwindigkeit und der Glühtemperatur optimierten wir die Filmqualität und erreichten einen Rekord-Wirkungsgrad (PCE) von 17,42 %, mit einer Leerlaufspannung (Voc) von 0,97 V, einer Kurzschlussstromdichte (Jsc) von 24,06 mA cm⁻² und einem Füllfaktor (FF) von 0,747.

Hintergrund

Organisch-anorganische Perowskite haben sich als führende Kandidaten für Dünnschicht-Photovoltaik der nächsten Generation etabliert, wobei die PCEs im vergangenen Jahrzehnt von 3,8 % auf über 22 % gestiegen sind. Die zweistufige Fertigung – zuerst Abscheidung von PbI₂, dann Umwandlung in CH₃NH₃PbI₃ durch MAI-Exposition – wird wegen ihrer überlegenen Filmgleichmäßigkeit und Skalierbarkeit bevorzugt.

Während umfangreiche Arbeiten Vorläuferchemie und Abscheideparameter optimierten, bleibt der spezifische Einfluss der MAI-Konzentration auf Korngrowth, Oberflächenbedeckung und letztlich Geräteleistung untererforscht. Hier variieren wir systematisch die MAI-Niveaus (10 mg mL⁻¹ vs. 40 mg mL⁻¹) und charakterisieren die resultierende Morphologie, Kristallinität und optoelektronische Eigenschaften, um ihren Einfluss auf den PCE zu elucidieren.

Methoden

FTO-Glas (1,5 × 1,5 cm²) wurde sequentiell mit Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser gereinigt, dann unter Stickstoff getrocknet. Eine 50-nm TiO₂-Kompaktschicht wurde via Sprühpyrolyse bei 500 °C abgeschieden, gefolgt von einer mesoporösen TiO₂-Schicht (Dyesol 18NR-T), spin-coated und bei 450 °C geglüht. PbI₂ (1 M in DMF, 70 °C) wurde bei 7000 rpm spin-coated; der Film wurde dann 30 s in 10 mg mL⁻¹ oder 40 mg mL⁻¹ MAI/IPA getaucht, getrocknet und geglüht (100–120 °C) für 20 min.

Die Lochtransportschicht (spiro-OMeTAD, 0,170 M) wurde mit LiTFSI (60 mM) und TBP (200 mM) dotiert und bei 4000 rpm spin-coated. Eine 100-nm Ag-Elektrode wurde thermisch durch eine Schattenmaske verdampft, die einen aktiven Bereich von 2 × 5 mm² definierte. J-V-Messungen wurden unter AM1.5G-Beleuchtung (100 mW cm⁻²) mit einem Keithley 2400 durchgeführt. SEM, XRD, UV-Vis und PL (stationär und TRPL) analysierten Morphologie, Kristallinität, optische Absorption und Trägerdynamik.

Ergebnisse und Diskussion

SEM-Bilder (Abb. 2) zeigen, dass niedrig-MAI-Filme große, tetragonale Körner mit bescheidener Oberflächenbedeckung aufweisen, während hoch-MAI-Filme dichte, glatte, ~200–600 nm Kristalle bilden (Abb. 3). XRD (Abb. 4) bestätigt, dass optimales Glühen (>80 °C für hoch-MAI) eine einzelne CH₃NH₃PbI₃-Phase ergibt, während niedrigere Temperaturen residuales PbI₂ hinterlassen, was den Wirkungsgrad reduziert.

Photolumineszenzdaten (Abb. 5) zeigen, dass niedrig-MAI-Filme Peak-Emission bei 768 nm (25 ns Lebensdauer) erreichen, während hoch-MAI-Filme auf 773 nm mit kürzerer 14 ns Lebensdauer verschieben – ein Indikator für effiziente Ladungsextraktion an der TiO₂-Grenzfläche.

Geräteleistung (Abb. 8) demonstriert, dass hoch-MAI-Zellen höhere Jsc (~2 mA cm⁻² über niedrig-MAI) aufgrund verbesserter Absorption und Ladungstransport liefern, während niedrig-MAI-Zellen leicht höhere Voc aufweisen, wahrscheinlich durch residuales PbI₂. Über 50 Geräte erreicht der hoch-MAI-Prozess einen durchschnittlichen PCE von 13,7 % (σ = 1,28 %) mit >75 %, die 13 % unter Ein-Sonnen-Beleuchtung übertreffen. Die optimale Zelle erreicht 17,42 % Effizienz, 0,97 V Voc, 24,06 mA cm⁻² Jsc und 0,747 FF.

Schlussfolgerungen

Die Anpassung der MAI-Konzentration in einer zweistufigen Perowskit-Abscheidung passt Korngröße und Oberflächenmorphologie effektiv an, was direkt photovoltaische Metriken beeinflusst. Hoch-MAI-Verarbeitung liefert kompakte, defektfreie Filme, die 17,42 % effiziente, reproduzierbare Perowskit-Solarzellen ermöglichen. Diese Studie unterstreicht die kritische Rolle der Vorläuferstöchiometrie und thermischen Behandlung beim Skalieren von Hochleistungs-Perowskit-Photovoltaik.

Abkürzungen

FTO

Fluor-dotiertes Zinnoxid

J-V

Stromdichte-Spannung

MAI

CH₃NH₃I

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PCE

Wirkungsgrad (Power conversion efficiency)

PL

Photolumineszenz

SEM

Rasterelektronenmikroskop

TRPL

Zeitaufgelöste Photolumineszenz

XRD

Röntgenbeugung