Niedertemperatur-UV-gehärtete SnO₂-Elektronentransportschichten ermöglichen 14,4% Wirkungsgrad in planaren Perowskit-Solarzellen

Zusammenfassung

Wir stellen ein einfaches Ultraviolett-Ozon (UVO)-Behandlungsprotokoll für Zinnoxid (SnO₂) Elektronentransportschichten (ETLs) vor, die bei Temperaturen unter 90 °C gefertigt werden. Durch Optimierung der SnO₂-Vorläuferkonzentration kontrollieren wir Schichtdicke, erreichen hohe Kristallinität und entfernen organische Rückstände, was zu ETLs mit überlegener Leitfähigkeit und optischer Transmission führt. Integriert in eine planare Perowskit-Solarzellen-Architektur (Glas/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au) erreichen die Geräte eine maximale Leistungsausbeute (PCE) von 14,36 % bei 20 % SnO₂-Konzentration. Dieser niedrigtemperaturige, UV-basierte Ansatz bietet einen skalierbaren, kosteneffektiven Weg zu Hochleistungs-PSCs.

Hintergrund

Perowskit-Solarzellen (PSCs) haben in den letzten Jahren rasant von 3,8 % auf 22,1 % PCE Fortschritte gemacht. In sowohl mesoporösen als auch planaren Architekturen wird der Perowskit-Absorber zwischen Elektronentransportschichten (ETLs) und Lochtransportschichten (HTLs) eingebettet, wobei die Grenzflächenqualität dieser Schichten die Geräteleistung direkt beeinflusst. Konventionelle Herstellung kompakter ETLs erfordert oft Hochtemperatur-Glühen oder Sintern (bis zu 450 °C für TiO₂ und 180 °C für SnO₂), was die großflächige, kostengünstige Produktion limitiert.

Wir präsentieren ein Spin-Coating-Protokoll für SnO₂-Vorläufer gefolgt von UVO-Behandlung, das eine vollständig kompakte ETL bei Temperaturen unter 90 °C erzielt. Diese Methode eliminiert Hochtemperaturschritte, reduziert Prozesskomplexität und senkt Herstellungskosten. Unsere PSCs, basierend auf CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) und mittels Ein-Schritt-Antilösungsmittel-Ansatz (OSAS) gefertigt, weisen eine planare Heteroübergangsarchitektur auf: Glas/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Die optimierten Geräte erreichen einen PCE von 14,5 %.

Methoden

Materialien und Vorläuferherstellung

Methylammoniumiodid (MAI; ≥99,5 %) und Bleiiodid (PbI₂; ≥99,9 %) stammten von Xi'an Polymer Light Technology Corp. Zinnoxid (SnO₂; 15 % Masse in wässriger kolloidaler Dispersion mit Spuren organischer Lösungsmittel) wurde von Alfa Aesar bezogen. 1,2-Dichlorbenzol (DCB; 99,5 %) und andere Lösungsmittel (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) kamen von Sigma Aldrich. Alle Reagenzien wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Gerätefertigung

Der Gerätestapel ist ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. ITO-Glassubstrate (<15 Ω/□) wurden ultraschallgereinigt mit Aceton, Ethanol und DI-Wasser (je 15 min) und mit Stickstoff getrocknet. Nachfolgende UVO-Reinigung (15 min bei ~60 °C) entfernte Restorganika. SnO₂-Filme wurden aus Vorläuferlösungen (10 %, 15 %, 20 %, 30 % Volumen) bei 5000 rpm für 30 s spin-coated, bei 50 °C für 5 min getrocknet und dann UVO-behandelt (60 min, ~60 °C). Eine 1 M MAPbI₃-Vorläuferlösung (MAI:PbI₂ = 1:1 M) wurde in 9:1 (v/v) DMF:DMSO gemischt, gerührt und über Nacht bei 50 °C erhitzt. Die Perowskitschicht wurde bei 4000 rpm für 30 s spin-coated, wobei 5 s vor Ende des Spinnens ein Tropfen Diethylether hinzugefügt wurde. Der Film wurde bei 90 °C für 10 min in einer Handschuhbox geglüht. Die HTL bestand aus 70 mM Spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI und 55 mM TBP in DCB, spin-coated bei 5000 rpm für 20 s. Schließlich wurden 100 nm Au thermisch verdampft bei ~5 Å/s unter 5×10⁻⁴ Pa. Der aktive Bereich betrug 4 mm².

Charakterisierung und Messungen

Strom-Spannungs-Kennlinien (J-V) wurden mit einem Keithley 2400 unter AM1.5G-Beleuchtung (100 mW/cm²) mittels Newport 94043A Solarsimulator aufgezeichnet, kalibriert an einer Referenz-Siliziumzelle. UV-Vis-Transmissionsspektren wurden mit einem Cary 5000 Spektrometer erhalten. Oberflächenmorphologie und Querschnittsstruktur wurden per REM (JSM-7001F) untersucht. Röntgenbeugung (XRD) an einem Röntgendiffraktometer (DX-2700) bestätigte die Rutil-SnO₂-Phase. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) bewertete die elementare Zusammensetzung.

Ergebnisse und Diskussion

UV/Ozon emittiert Photonen bei 185 und 254 nm (647 und 472 kJ/mol), ausreichend zur Spaltung von C-C, C-O und C-H-Bindungen (346-411 kJ/mol). EDS eines 20 % SnO₂-Films nach UVO zeigt >99 % Sn und O, mit <1 % Rest-C, was Entfernung von Organika und hochreine ETLs bestätigt (Tabelle 1).

XRD der UVO-behandelten Filme zeigt charakteristische Rutil-Peaks bei 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6° und 65,9° (Ebenen (110), (101), (200), (211), (301)), passend zu JCPDS 41-1445. Debye-Scherrer-Analyse ergibt eine durchschnittliche Kristallitgröße von 5,5 nm (Abb. 2).

Abbildung 3a zeigt das Geräteschema. REM der aktiven Schicht (Abb. 3b) offenbart einen kontinuierlichen MAPbI₃-Film (~384 nm dick) mit Einkristallen >1 µm, was auf hochwertige Perowskitbildung hindeutet. Die SnO₂-Schicht (20 %) ist ~65 nm dick und bietet optimale Balance zwischen Leitfähigkeit und Lichttransmission.

J-V-Kennlinien (Abb. 4) und Detailparameter (Tabelle 2) zeigen, dass J_sc bei 20,11 mA/cm² für das 20 % SnO₂-Gerät peak, während V_oc und Füllfaktor (FF) mit steigender Konzentration bis 20 % ebenfalls verbessern. Der entsprechende PCE erreicht 14,36 % mit Serienwiderstand (R_s) von 232,8 Ω und Parallelwiderstand (R_sh) von 15.868 Ω. Übermäßiges SnO₂ (30 %) verringert Transparenz, erhöht Rekombination und senkt Leistung.

Querschnitts-REM (Abb. 5) bestätigt Schichtdicken von 34 nm (10 %), 48 nm (15 %), 66 nm (20 %) und 97 nm (30 %). I-V-Messungen an ITO/SnO₂/Au-Strukturen zeigen, dass der vertikale Widerstand von 98,6 Ω (10 %) auf 33,7 Ω (20 %) abfällt, bevor er auf 50,8 Ω (30 %) ansteigt, korrelierend mit Filmkontinuität und Kristallinität.

Aufsicht-REM (Abb. 7) zeigt gleichmäßige, glatte Filme über alle Konzentrationen, mit Kristallitgrößen ~6,8 nm – konsistent mit XRD-Schätzungen. Kleinere Inseldefekte erscheinen bei 10 % (Abb. 7a, e), was Leitfähigkeit verringert, während 20 % optimale Kontinuität bietet. Bei 30 % zeigen die Filme leichte Koaleszenz, was Widerstand erhöht.

UV-Vis-Transmissionsspektren (Abb. 8) zeigen >75 % Transmission über 400-800 nm. Peaks verschieben sich zu längeren Wellenlängen mit zunehmender SnO₂-Dicke (10 % → 616 nm, 15 % → 662 nm, 20 % → 718 nm, 30 % → >800 nm). Das MAPbI₃-Absorptionsband (300-760 nm) überlappt optimal mit 10-20 % SnO₂-Filmen, was Lichternte maximiert. Übermäßige Dicke (30 %) verringert Transmission, was zu niedrigerem PCE führt.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrieren, dass niedrigtemperaturige UVO-Behandlung spin-coated SnO₂-Vorläufer kompakte, hochreine ETLs mit exzellenter Leitfähigkeit und Transparenz liefert. Optimierung der SnO₂-Konzentration auf 20 % erzeugt planare PSCs mit PCE von 14,36 %. Die Leistung wird durch Balance zwischen Schichtdicke, Uniformität und optischer Transparenz bestimmt. Dieser skalierbare, kostengünstige Prozess eignet sich gut für industrielle PSC-Fertigung.

Abkürzungen

ETLs:

Elektronentransportschichten

FF:

Füllfaktor

HTLs:

Lochtransportschichten

J_sc:

Kurzschlussphotostrom

OSAS:

Ein-Schritt-Antilösungsmittel

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

PSCs:

Perowskit-Solarzellen

UVO:

Ultraviolett-Ozon

V_oc:

Leerlaufspannung