Leistungssteigerung von 2D-Perowskit-Solarzellen durch wasserunterstützte Kristallisation

Zusammenfassung

Die Steuerung der Kristallisation von zweidimensionalen (2D) Perowskit-Filmen ist eine wichtige Strategie zur Verbesserung der Leistungsausbeute (PCE) von 2D-Perowskit-Solarzellen (PVSCs). In dieser Arbeit wird deionisiertes Wasser (H₂O) als Additiv in die Perowskit-Vorläuferlösung eingeführt, um hochwertige 2D-Perowskit-Filme herzustellen. Der mit 3 % H₂O behandelte 2D-Perowskit-Film zeigt eine gute Oberflächenmorphologie, vergrößerte Kristallgröße, erhöhte Kristallinität, bevorzugte Orientierung und geringe Defektdichte. Die gefertigte 2D-PVSC mit 3 % H₂O weist eine höhere PCE im Vergleich zur ohne H₂O auf (12,15 % vs. 2,29 %). Darüber hinaus wird die Lagerstabilität unversiegelter Bauelemente mit 3 % H₂O unter Umgebungsbedingungen signifikant verbessert. Diese Arbeit bietet eine einfache Methode zur Herstellung hochwertiger 2D-Perowskit-Filme für effiziente und stabile 2D-PVSCs.

Einleitung

Kürzlich haben zweidimensionale (2D) geschichtete Perowskite aufgrund ihrer verbesserten Feuchtigkeitsbeständigkeit im Vergleich zu ihren 3D-Gegenstücken wie CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) und HC(NH₂)₂PbI₃ (FAPbI₃) große Aufmerksamkeit erregt. Der 2D-Perowskit mit der Formel A₂Bₙ₋₁MₙX₃ₙ₊₁ (Ruddlesden-Popper-Phase), wobei B MA⁺, FA⁺ oder Cs⁺ ist, M Pb²⁺ oder Sn²⁺ ist, X für Halogenid-Anionen steht, n die Anzahl der Ebenen der eckenverteilenden [MX₆]⁴⁻-Oktaeder bezeichnet, kann durch Einbau organischer Langketten-Liganden A (wie Phenethylammonium (PEA⁺) oder Butylammonium (BA⁺)) in das anorganische Gerüst gebildet werden. Diese 2D-Perowskite besitzen viele einzigartige optoelektronische Eigenschaften und wurden für den Einsatz in Solarzellen [1, 2] und Leuchtdioden [3] entwickelt. Die Exziton-Bindungsenergie des geschichteten 2D-Perowskits ist jedoch aufgrund des dielektrischen Konfinement-Effekts zwischen der organischen Schicht und dem anorganischen Gerüst erhöht [4], was die Exziton-Dissoziation im elektrischen Feld erheblich einschränkt [5]. Gleichzeitig bilden die sperrigen organischen Liganden isolierende Abstandsschichten und hemmen den Ladungstransport zwischen benachbarten anorganischen Schichten. Daher ist die PCE von 2D-PVSCs viel niedriger als die ihrer 3D-Gegenstücke, die bereits über 25 % liegt [6].

Um hochleistungsfähige 2D-PVSCs zu erhalten, wurden viele Anstrengungen unternommen, darunter Heißabkühlen [7], Additiv-Engineering [8–14], Zusammensetzungs-Engineering [15–26], Vorläufer-Lösungsmittel-Engineering [27–30], Grenzflächen-Engineering [31–35] und andere spezielle Behandlungen [13, 36, 37]. Unter diesen Methoden ist Additiv-Engineering die häufigste Methode aufgrund ihrer Einfachheit und Wirksamkeit. Zhang et al. fanden, dass vertikal orientierte 2D-geschichtete Perowskit-Filme durch Einbau von Ammoniumthiocyanat (NH₄SCN) als Additiv in die Perowskit-Vorläuferlösung abgeschieden werden können [8, 9]. Dadurch steigt die PCE von 2D-PVSCs drastisch von 0,56 auf 11,01 %. Qing et al. demonstrierten, dass die Qualität des 2D-Perowskit-Films durch einen synergistischen Effekt von zwei Additiven in der Vorläuferlösung verbessert werden kann [10]. Folglich wurde eine hysteresisfreie 2D-PVSC mit einer PCE über 12 % erzielt. Yu et al. zeigten, dass die Filmmorphologie und der Ladungstransport in Perowskiten durch Hinzufügen von Ammoniumchlorid (NH₄Cl) und Dimethylsulfoxid (DMSO) in die Vorläuferlösung effektiv kontrolliert werden können, und eine PCE von 13,41 % wurde erreicht [11]. Fu et al. berichteten über eine effiziente 2D-PVSC, verarbeitet mit NH₄SCN- und NH₄Cl-Additiven, die eine optimale PCE von 14,1 % ergab [12]. In unserer früheren Arbeit fanden wir, dass DMSO und Thiosemicarbazid (TSC) einen synergistischen Effekt bei der Verbesserung der Morphologie, Kristallisation und Orientierung von 2D-Perowskit-Filmen aufweisen [14]. Es wird vermutet, dass sowohl DMSO als auch TSC Lewis-Basen sind [38], die den Kristallisationsprozess von 2D-Perowskit durch Koordination mit den Vorläuferkomponenten regulieren. Als Ergebnis wurden effiziente und stabile 2D-PVSCs mit einer Spitzen-PCE von 14,15 % erhalten.

Im Lewis-Säure-Base-Konzept ist ein Wassermolekül ein Sauerstoff-Donor Lewis-Base, die mit dem Bleijodid (PbI₂) Lewis-Säure binden kann. Gleichzeitig unterscheiden sich die physikalisch-chemischen thermodynamischen Eigenschaften von Wassermolekülen, wie Siedepunkt, Löslichkeit und Dampfdruck, von denen des häufig verwendeten N,N-Dimethylformamid (DMF) Lösungsmittels. Eine Reihe von Studien haben gezeigt, dass dem Perowskit-Vorläuferlösung zugesetztes Wasser die 3D-Perowskit-Kristallisation steuern kann, was zu besserer photovoltaischer Leistung führt [39–44]. Soweit wir wissen, wurde die Verwendung von H₂O als Additiv in 2D-PVSCs bisher noch nicht berichtet.

In dieser Studie wurden Wassermoleküle als Additiv in Perowskit-Vorläuferlösungen eingeführt, um die Kristallisation von 2D-Perowskit-Filmen zu steuern. Der 2D-Perowskit-Film (BA₂MA₃Pb₄I₁₃, n = 4), der mit einer geeigneten Menge Wasser behandelt wurde, zeigt gute Filmmorphologie, erhöhte Kristallinität und erhöhte Orientierungsordnung. Dieser hochwertige 2D-Perowskit-Film trägt zur geringeren Fangzustandsdichte und damit zu höherer photovoltaischer Leistung von 2D-PVSCs bei. Die PCE von 2D-PVSCs wurde von 2,29 auf 12,15 % verbessert. Interessanterweise zeigen wasseradditiv-basierte Bauelemente eine offensichtlich verbesserte Lagerstabilität.

Methode

Materialien

Methylammoniumiodid (MAI), PbI₂, PEDOT:PSS (4083) wässrige Lösung, n-Butylammoniumiodid (BAI), Phenyl-C61-buttersäure-methylester (PC₆₁BM), Spiro-MeOTAD (2,2',7,7'-Tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluoren), 4-tert-Butylpyridin, Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid und Bathocuproin (BCP) wurden von Xi'an Polymer Light Technology Cory bezogen. DMF, Chlorbenzol und Acetonitril wurden von Sigma-Aldrich gekauft. Isopropanol wurde von You Xuan Tech bezogen. Alle Reagenzien und Lösungsmittel wurden direkt ohne weitere Reinigung verwendet.

Vorläuferlösung

Die unveränderte BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Vorläuferlösung (0,85 M) wurde durch Mischen von BAI, MAI, PbI₂ mit einem Molchenverhältnis von 0,5:0,75:1 in DMF hergestellt. Die Vorläuferlösungen mit verschiedenen Mengen deionisiertem Wasser wurden durch Hinzufügen unterschiedlicher Volumenverhältnisse von deionisiertem Wasser in die unveränderte Vorläuferlösung hergestellt.

Bauelemente-Fertigung

Indium-Zinn-Oxid (ITO) Substrate wurden nacheinander mit Detergens, Aceton, absolutem Ethanol und deionisiertem Wasser ultraschallgereinigt, gefolgt von einer 15-minütigen UV-Ozon-Behandlung. Für die Lochsammlerschichten wurde PEDOT:PSS wässrige Lösung auf die gereinigten ITO-Substrate bei 4000 rpm für 40 s aufgeschleudert. Nach dem Aufschleudern wurden die PEDOT:PSS-Filme in Luft bei 150 °C für 15 min erhitzt und dann in den Handschuhkasten übertragen. Für die photoelektrischen Umwandlungsschichten wurden die ITO/PEDOT:PSS-Substrate 3 min bei 100 °C vorgeheizt, gefolgt von Aufschleudern verschiedener Perowskit-Vorläuferlösungen bei 5000 rpm für 25 s und anschließendem Glühen bei 100 °C für 10 min. Für die Elektronenextraktionsschichten wurde die Lösung von PC₆₁BM (15 mg/ml in Chlorbenzol) bei 2000 rpm für 30 s auf die Perowskitschichten aufgeschleudert. Als Nächstes wurde BCP in Isopropanol mit einer Konzentration von 0,8 mg/ml bei 5000 rpm für 30 s aufgeschleudert. Schließlich wurden 70 nm Ag-Elektroden thermisch auf den BCP-Schichten durch Schattenmasken aufgedampft. Die effektive Bauelementefläche betrug 0,04 cm². Für die Herstellung von Loch-nur-Bauelementen wurden Spiro-OMeTAD-Schichten auf die 2D-Perowskit/PEDOT:PSS/ITO-Substrate durch Aufschleudern der Spiro-OMeTAD-Lösung bei 4000 rpm für 30 s aufgebracht, gefolgt von Aufdampfen von 70 nm Gold-Elektrode auf der Oberseite des Bauelements. Die Spiro-OMeTAD-Lösung wurde hergestellt, indem 90 mg Spiro-OMeTAD, 22 µl einer Stocklösung von 520 mg/ml Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid in Acetonitril und 36 µl 4-tert-Butylpyridin in 1 ml Chlorbenzol gelöst wurden.

Messung und Charakterisierung

Die Stromdichte-Spannung (J-V) Kurven der PVSCs wurden mit einem Keithley Source Unit 2400 unter AM 1,5G Sonnenintensität Beleuchtung durch einen Solarsimulator von Newport Corp. gemessen. Die Scanrate der J-V-Kurven beträgt 0,2 V/s. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Messungen wurden an einem Feldemissions-SEM (FEI-Inspect F50, Holland) durchgeführt. Grazing-Inzidenz-Weitwinkel-Röntgenstreuung (GIWAXS) Messungen wurden an der BL14B1-Beamline am Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai, China, mit einem 0,6887 Å Primärstrahl, 0,2° Einfallswinkel durchgeführt. Das Absorptionsspektrum des 2D-Perowskits wurde mit einem Shimadzu 1500 Spektrophotometer gemessen. Externe Quanteneffizienzen wurden mit QTEST HIFINITY 5 (Crowntech) gemessen. Zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektren wurden mit einem Fluo Time 300 (Pico Quant) Spektrofluorometer durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Um den Einfluss von H₂O-Additiv auf die Leistung von 2D-PVSCs zu untersuchen, fertigten wir invertierte Bauelemente mit der Konfiguration ITO/PEDOT:PSS/BA₂MA₃Pb₄I₁₃/PC₆₁BM/BCP/Ag an, wie in Abb. 1a gezeigt. Das deionisierte Wasser wurde mit der Perowskit-Vorläuferlösung mit einem variablen Volumenverhältnis von 0 bis 5 % gemischt. Die Photostromdichte-Spannung (J-V) Kurven der Champion-2D-PVSCs basierend auf Perowskit mit verschiedenen Mengen Wasseradditiv unter AM 1,5G, 100 mW/cm² Beleuchtung sind in Abb. 1b dargestellt, und die entsprechenden photovoltaischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgelistet. Das Kontrollbauelement ohne Wasseradditiv zeigt eine niedrige Leerlaufspannung (V_oc) von 0,84 V, eine Kurzschlussstromdichte (J_sc) von 5,73 mA/cm², einen Füllfaktor (FF) von 47,63 %, was zu einer schlechten PCE von 2,29 % führt. Aus Tabelle 1 geht klar hervor, dass die geeignete Menge an H₂O-Additiv die entsprechende photovoltaische Leistung der Bauelemente dramatisch verbessert. Im Fall von 2D-Perowskit mit 3 % H₂O zeigt das leistungsstärkste Bauelement eine PCE von 12,15 %, mit einer V_oc von 1,06 V, J_sc von 15,80 mA/cm² und FF von 72,56 %. Die signifikante Verbesserung der PCE wird dem additivbehandelten Perowskit-Film zugeschrieben, der eine höhere Kristallinität, größere ziegelsteinartige Körner, einheitliche Morphologie und vertikale Orientierung senkrecht zum Substrat aufweist. Die Details werden im Folgenden diskutiert. Durch weiteres Erhöhen des Volumenverhältnisses von H₂O auf 5 % verschlechtern sich die photovoltaischen Parameter der PVSCs. Abbildung 1c zeigt den stationären Photostromdichteverlauf, bei dem PCE eine Funktion der Zeit am maximalen Leistungspunkt (0,84 V) ist. Die PCE des Champion-Bauelements mit 3 % H₂O stabilisiert sich bei 11,78 % (schwarz) mit einer Photostromdichte von 14,02 mA/cm² (rot) in der Scannzeit von 200 s, und sie ist nahe am Wert, der aus der J-V-Kurve extrahiert wurde. Wichtig ist, dass die Lagerstabilität eine der Schlüsselanforderungen für die praktische Anwendung von PVSCs ist. Sowohl die unversiegelten Bauelemente ohne als auch mit 3 % H₂O wurden in Luftatmosphäre mit relativer Luftfeuchtigkeit von 25 ± 5 % bei 25 °C gelagert, um die Entwicklung ihrer PCE als Funktion der Zeit zu untersuchen. Wie in Abb. 1d gezeigt, behielt das Bauelement mit 3 % H₂O nach 720 h noch 85,76 % seiner initialen PCE, was viel stabiler war als das Bauelement ohne H₂O (52,76 %). Die signifikant verbesserte Stabilität wird den stabilen hydratisierten 2D-Perowskiten zugeschrieben, die während des Aufschleuderns und Glühprozesses erzeugt werden können. Die stabilen hydratisierten 2D-Perowskite widerstehen der Zersetzung des 2D-Perowskit-Films bis zu einem gewissen Grad [39, 40]. Basierend auf den obigen Ergebnissen schließen wir, dass das mit optimalem Wassergehalt behandelte Bauelement nicht nur eine überlegene photovoltaische Leistung liefert, sondern auch eine gute Stabilität zeigt.

Die statistischen Daten für photovoltaische Parameter von 16 PVSCs in jedem Fall sind in Abb. 2a–d dargestellt. Die Bauelemente ohne und mit 1,5 %, 3 % und 5 % H₂O zeigen die beste PCE von 2,29 %, 7,63 %, 12,15 % und 10,38 % mit dem Mittelwert von 1,85 %, 6,59 %, 11,38 % und 9,02 % jeweils (Tabelle 1). Diese statistischen Daten zeigen den gleichen Trend wie ihre entsprechenden Champion-Bauelemente, was die statistisch signifikanten Leistungsverbesserungen der Bauelemente bei geeigneter Menge deionisierten Wassers belegt.

SEM wurde durchgeführt, um die Auswirkungen von H₂O-Additiv auf Morphologie und Abdeckung von 2D-Perowskit-Filmen zu bewerten. Die Draufsicht-SEM-Bilder von BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Film mit verschiedenen Mengen H₂O-Additiv sind in Abb. 3a-c gezeigt, und die entsprechenden Querschnitts-SEM-Bilder sind in den Insets von Abb. 3a-c dargestellt. Der Perowskit-Film ohne H₂O (bezeichnet als Perowskit-oH₂O) zeigt eine schlechte Morphologie mit kleinen Mengen an Rissen und Poren, während der Film mit 3 % H₂O (bezeichnet als Perowskit-3% H₂O) eine gleichmäßigere Oberfläche ohne Risse aufweist. Eine große Menge an Hohlräumen und Rissen kann beobachtet werden, wenn 5 % H₂O (bezeichnet als Perowskit-5% H₂O) hinzugefügt wurde, was hauptsächlich auf die Zersetzung des hydratisierten Perowskits durch übermäßiges Volumen H₂O zurückzuführen ist [41]. Außerdem, wie im Inset von Abb. 3a gezeigt, besteht der Film ohne H₂O-Additiv aus zufällig orientierten kleinen Kristallkörnern mit vielen Korngrenzen. Die Korngröße des Perowskit-3% H₂O-Films ist größer als die des Perowskit-5% H₂O-Films, obwohl beide eine vertikal orientierte ziegelsteinartige Morphologie aufweisen. Die größeren Körner im 2D-Perowskit-Film führen zu fast keiner Korngrenze entlang der vertikalen Richtung. Es wurde berichtet, dass Korngrenzen Bereiche sind, in denen Fangzustände hauptsächlich verteilt sind [45, 46]. Daher tragen Perowskit-3% H₂O-Filme mit größeren vertikal orientierten Kristallkörnern zu effizienten PVSCs bei.

GIWAXS-Muster wurden verwendet, um die Rolle des Wasseradditivs im Kristallwachstum von 2D-Perowskit-Filmen weiter zu identifizieren. Wir vermuten, dass Wasseradditiv den Kristallisationsprozess von Perowskit aufgrund seines niedrigeren Siedepunkts und höheren Dampfdrucks im Vergleich zu DMF regulieren kann [40]. Darüber hinaus erhöht die Einbindung einer geeigneten Menge Wasser in DMF die Löslichkeit der Perowskit-Ionenverbindung, was zu verbesserter Qualität der Perowskit-Filme mit erhöhter Kristallinität führt [47]. Die SEM- und GIWAXS-Ergebnisse in dieser Arbeit sind konsistent mit der Vermutung. Wie in Abb. 3d gezeigt, zeigt der Perowskit-oH₂O-Film mehrere Bragg-Ringe bei spezifischen q-Werten, was auf hauptsächlich zufällig orientierte Kristallkörner innerhalb dieses polykristallinen Films hinweist. Der Perowskit-3% H₂O-Film zeigt jedoch scharfe und diskrete Bragg-Spots entlang der gleichen q-Position (Abb. 3e), was auf gut ausgerichtete Kristallkörner mit (111)-Ebenen parallel zum Substrat hinweist [17]. Zudem werden dunklere Bragg-Spots im Perowskit-3% H₂O-Film beobachtet, während die weniger deutlichen Beugungsringe im Perowskit-oH₂O-Film, was die erhöhte Kristallinität des Perowskit-3% H₂O-Films demonstriert. Der hochorientierte Perowskit-3% H₂O-Film, der senkrecht zum Substrat steht, kann einen effizienten Ladungstransportkanal bilden, was zu verbesserter photovoltaischer Leistung führt [14, 17].

Um die Auswirkungen der durch Wasserzugabe resultierenden morphologischen und kristallographischen Veränderungen auf die optischen Eigenschaften der Filme zu enthüllen, führten wir Absorptionsspektroskopie-Messungen durch, wie in Abb. 4a gezeigt. Sowohl der Perowskit-oH₂O-Film als auch der Perowskit-3% H₂O-Film zeigen multiple Exziton-Absorptionspeaks im UV-Vis-Absorptionsspektrum, was die Existenz mehrerer Perowskit-Phasen mit unterschiedlichen n-Werten anzeigt, obwohl nominell als „n = 4“ hergestellt. Der Perowskit-3% H₂O-Film zeigt jedoch eine leicht erhöhte Absorption im Bereich von 400–600 nm im Vergleich zum Perowskit-oH₂O-Film. Aus den Querschnitts-SEM-Bildern (Insets von Abb. 3a-c) kann geschlossen werden, dass alle 2D-Perowskit-Filme fast die gleiche Dicke aufweisen. Daher führen wir die erhöhte Absorption auf einen einheitlichen, hochkristallinen und hochorientierten Perowskit-Film zurück, der durch Wasseradditiv induziert wird [14, 48]. Die externen Quanteneffizienz (EQE) Spektren der PVSC ohne H₂O-Additiv und der PVSC mit 3 % H₂O sind in Abb. 4b dargestellt, und die entsprechenden abgeleiteten integrierten Stromwerte sind auf der rechten y-Achse aufgetragen. Der integrierte J_sc aus dem EQE-Spektrum der PVSC ohne H₂O-Additiv und der PVSC mit 3% H₂O beträgt 5,16 mA/cm² bzw. 15,20 mA/cm². Die Werte liegen nahe an den aus der J-V-Kurve gemessenen Ergebnissen. Offensichtlich sind die EQE-Werte des Bauelements mit 3 % H₂O im größten Teil des sichtbaren Lichtbereichs viel höher als die des Bauelements ohne Additiv. Dieses Phänomen resultiert nicht nur aus der verbesserten Lichtabsorption, sondern hauptsächlich aus dem effizienteren Ladungstransport im hochorientierten 2D-Perowskit-Film mit besserer Kristallinität.

Weiterhin haben wir die Dunkelstrom-Spannungskurven der Loch-nur-Bauelemente (HODs) mit einer Struktur von ITO/PEDOT:PSS/2D-Perowskit/Spiro-OMeTAD/Au gemessen, um die Fangzustandsdichte (N_t) in 2D-Perowskit-Filmen zu charakterisieren (Abb. 4c). N_t wurde durch die Fanggrenzspannung (V_TFL) gemäß Gleichung (1) bestimmt [14, 46, 49]:

$$ N_t = \frac{2 \varepsilon_0 \varepsilon_r V_{TFL}}{q L^2} $$ (1)

wobei ε₀ die Vakuumpermittivität, ε_r die relative Dielektrizitätskonstante des 2D-Perowskits, q die Elementarladung und L die Dicke des 2D-Perowskit-Films ist. Beide Perowskit-Filme haben den gleichen ε_r-Wert und die gleiche Dicke. Daher ist N_t positiv mit dem V_TFL-Wert korreliert. Wie in Abb. 4c gezeigt, ist der V_TFL-Wert, der aus dem 2D-Perowskit-3% H₂O-basierten HOD erhalten wurde, offensichtlich niedriger als der aus dem 2D-Perowskit-oH₂O-basierten HOD. Es zeigt, dass die Fangzustandsdichte im 2D-Perowskit-3% H₂O-Film reduziert wurde. Dies wurde durch die zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL) Spektren der 2D-Perowskit-Filme, die auf nicht-leitendem Glas abgeschieden wurden, weiter bestätigt. Der Zeitabfall der Fluoreszenzsignale wurde an zwei Exponentialfunktionen angepasst, wie in Abb. 4d dargestellt. Begünstigt durch hochwertige Filme mit wenigen Korngrenzen, wie in Abb. 2 belegt, hat der 2D-Perowskit-3% H₂O-Film eine längere Fluoreszenzlebensdauer von 10 ns im Vergleich zum 2D-Perowskit-oH₂O-Film (2 ns), was die reduzierte Volumen-Defektdichte im 2D-Perowskit-3% H₂O-Film demonstriert.

Basierend auf allen oben genannten Ergebnissen beweisen wir, dass die Einbindung eines geeigneten Wasseradditivs in die Vorläuferlösung das Kristallwachstum von BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Perowskit-Film mit vergrößerter Korngröße und einheitlicher Filmabdeckung steuern kann, was zu einer reduzierten Fangzustandsdichte führt. Und dieser hochkristalline und hochorientierte BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Perowskit-Film, der durch Wasseradditiv induziert wird, würde den Ladungstransport erleichtern [8, 9, 14]. Daher bringen die hochwertigen BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Perowskit-Filme eine umfassende Verbesserung von V_oc, J_sc, FF der entsprechenden PVSCs.

Fazit

Zusammenfassend haben wir die Auswirkungen von H₂O-Additiv auf 2D BA₂MA₃Pb₄I₁₃ Perowskit-Dünnfilme und die entsprechende Bauelementleistung untersucht. Durch Optimierung der Menge des H₂O-Additivs werden Oberflächenmorphologie, Korngröße und Kristallinität des BA₂MA₃Pb₄I₁₃-Films offensichtlich verbessert und bevorzugte kristalline Orientierung erzielt. Daher liefert der optimierte 3 % H₂O-Additiv-basierte 2D-PVSC eine signifikante Verbesserung der PCE von 2,29 auf 12,15 %. Gleichzeitig wird auch die Lagerstabilität der Bauelemente verbessert. Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Kontrolle der 2D-Perowskit-Kristallisation über H₂O-Additiv ein effektiver Weg ist, um effiziente und stabile 2D-PVSCs zu erhalten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

PCE:

Leistungsausbeute (Power Conversion Efficiency)

PVSCs:

Perowskit-Solarzellen

PEA⁺:

Phenethylammonium

BA⁺:

Butylammonium

H₂O:

Wasser

NH₄SCN:

Ammoniumthiocyanat

NH₄Cl:

Ammoniumchlorid

DMSO:

Dimethylsulfoxid

TSC:

Thiosemicarbazid

MAI:

Methylammoniumiodid

BAI:

n-Butylammoniumiodid

PC₆₁BM:

Phenyl-C61-buttersäure-methylester

BCP:

Bathocuproin

Spiro-MeOTAD:

2,2',7,7'-Tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluoren

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

J-V:

Stromdichte-Spannung

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

GIWAXS:

Grazing-Inzidenz-Weitwinkel-Röntgenstreuung

EQE:

Externe Quanteneffizienz

TRPL:

Zeitaufgelöste Photolumineszenz

V_oc:

Leerlaufspannung

J_sc:

Kurzschlussstromdichte

FF:

Füllfaktor

HODs:

Loch-nur-Bauelemente