基于鹵化鉛鈣鈦礦導體的無機空穴太陽能電池轉換為124ň率(共10頁)

1、基于(jy)鹵化(l hu)鉛鈣鈦礦導體(dot)的無機空穴太陽能電池轉換為12.4%效率摘要：因為獨特的光學和電學性質有機鹵化鉛鈣鈦礦在太陽能電池上應用吸引了廣泛的關注。在過去的2年在低溫溶液處理和真空蒸發(fā)技術的發(fā)展下，通過有機空穴傳輸材料迅速改善鈣鈦礦太陽能電池的整體轉換效率超過15%。然而,由于復雜的合成過程或高純度的要求有機空穴傳輸材料通常是非常昂貴的。在基于鹵化鉛鈣鈦礦設備我們將應用一個既有效的又廉價的無機p型的空穴傳輸材料硫氰酸銅。在全日光照下利用低溫溶液處理沉積方法,實現(xiàn)電源轉換效率為12.4%。這個工作利用鈣鈦礦結構通過多次利用碘化鉛沉積方法，為集成既豐富和廉價光伏應用材料打開

2、一扇門。這個混合有機-無機雜化鹵化鉛鈣鈦礦(CH3NH3PbX3 XCl,Br,I)首先被Mitzi和他的同事用于薄膜晶體管上,與此同時Miyasaka和他的同事應用于染料敏化太陽能電池的光收獲機配置,由于他們的大吸收系數(shù)、高電荷載流子遷移率和擴散寬度.光電薄膜引起強烈關注, 在介孔金屬氧化物的支架和平面異質結結構電源轉換效率(PCES)達到15%以上.盡管快速增加的效率是聯(lián)系在不同類型的鈣鈦礦和設備制造的演變而來的。傳熱介質通常用于限于有機化合物,最先進的四鈦螺雙勿和其他的小分子。例如芘芳基胺和導電聚合物. 當與n型半導體(二氧化鈦、氧化鋅)相比，由于鈣鈦礦本身就是限制材料進行進一步大規(guī)模應

3、用的材料所以成本相對較高。相比之下,有機傳熱介質、無機p型半導體他們的機動性高、穩(wěn)定、易于合成和低成本似乎是一個考慮到理想的選擇。碘化亞銅(CUI)只是作為一個基于空穴導體在鹵化鉛鈣鈦礦設備記錄為PCE6%。另一個引人關注的無機p型半導體是硫氰酸亞銅(CuSCN),它在整個可見光和近紅外譜顯示了良好的透明度,具有高的遷移率和良好的化學穩(wěn)定性。此外,它可以在低溫下通過溶液加工處理進行存儲,進而使柔性襯底更加兼容。在此,我們將演示一個由二氧化鈦與電子收集器一樣腳手架設備結構,領先金屬鹵化物鈣鈦礦和硫氰酸銅熱傳遞的收割者。在陽光充足照明結合CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)與CuSCN的PCE

4、高于12.4%,因此他們是應用具有成本效益的光伏設備。結果設備結構.單元太陽能電池和使用材料的能級圖如圖一所示. 圖一 設備(shbi)結構、太陽能電池(dinch)配置和能源材料電水平(shupng)圖。(a)單元的鈣鈦礦太陽能電池電路剖視圖：導電玻璃、緊密的二氧化鈦底層、浸潤的CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)多孔的二氧化鈦、CuSCN傳熱介質和金。（b）表示為TiO2/CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)/CuSCN/Au的電子注入和空穴溢出能級圖。 商用導電玻璃基片首次作為薄的二氧化鈦緊湊的下層,在旋涂膠體銳鈦礦膏之前形成介孔二氧化鈦薄膜的空穴阻擋層。光線收割CH3NH3Pb

5、I3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)應用于連續(xù)沉積法,在CH3NH3I溶液中提拉二氧化鈦后碘化鉛(PbI2)溶液覆蓋在光電陽極. 經過退火,在原子陰極上刮刀涂布技術將p型傳熱介質CuSCN有效萃取和收集。 圖2顯示了沒有CuSCN二氧化鈦電極頂面掃描電子顯微鏡檢查圖像。為了在CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)層收獲最大化的集光,裝運含有PbI2的二氧化鈦介孔材料從單一沉積到雙沉積,隨后在異丙醇碘化物迅速暴露乙酸甲脂溶液導致PbI2轉換CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)。在這兩種情況下,二氧化鈦介孔材料完全覆蓋著一層薄薄的CH3NH3PbI3覆蓋物。然而,當比較單倍和雙倍PbI2淀積的頂面圖像,

6、我們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦的覆蓋物在第一種情況仍是有氣孔的，但第二次時就比較均衡密集。添加的CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)可以完全覆蓋 CuSCN表面,但CuSCN晶粒是小的由單倍PbI2沉積膜形成圖(圖2.c)。因此,其剩余孔隙填充了鈣鈦礦的薄膜導致CuSCN隱藏在二氧化鈦表面里。因此,人們預計單倍PbI2 沉積不會有效地阻止二氧化鈦和熱導介質的聯(lián)系或者是CH3NH3PbI3和 金。 圖3是掃描電鏡設備(shbi)顯示了一個完整FTO玻璃/二氧化鈦/ CH3NH3PbI3 (鈣鈦礦-甲胺碘鉛)/CuSCN / 金結構(jigu)照片(zhopin)。CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)的外

7、層薄膜是200nm。由CuSCN熱傳遞介質的沉積通過刮刀形成600nm封蓋層,有效地阻止CH3NH3PbI3和金之間的聯(lián)系。 為了定性研究CH3NH3PbI3(鈣鈦礦-甲胺碘鉛)溶液里PbI2沉積的影響,應用電子探針顯微分析儀分析樣品橫截面。在整個設備里通過SEM繪圖有助于研究定量成分的組成和分布。這主要的鈦、鉛、銅和黃金的元素繪圖如圖4所示。請注意少量觀察到的鉛和銅元素(藍色像素)高于金的陰極是由于來自甲胺碘鉛和 HYPERLINK /view/450399.htm?fr=aladdin 硫氰酸亞銅的洗提鉛和銅陽離子鈣在橫截面制備期間聚焦離子束。事實上,微量粉的金屬離子難以完全避免離子轟擊和

8、在高濃度區(qū)觀察到的代表濃度低得多。沒有 HYPERLINK /view/450399.htm?fr=aladdin 硫氰酸亞銅,甲胺碘鉛覆蓋物看起來會更加統(tǒng)一,無孔的雙相沉積(2 PbI2)的方法(如圖4 b)。 鉛的濃度也比單一沉積的形成顯著提高(1 PbI2,圖4a)。硫氰酸亞銅的存在，觀測到的鉛信號高于鈦，這將是預期的在硫氰酸亞銅沉積過程中的鉛鈣鈦礦型覆蓋物的部分溶解。事實上,最高信號的地區(qū)對于雙沉積的鉛和鈦兩者之間的分裂甚至更大(如圖4d),這是與甲胺碘鉛轉換成 HYPERLINK /view/450399.htm?fr=aladdin 硫氰酸亞銅的溶解度是一致的。因為這種溶解效果可能

9、減少分流電阻，適當上限的二氧化鈦表面的甲胺碘鉛對于減少二氧化鈦和硫氰酸亞銅之間的分流是重要的。一個厚厚的在二氧化鈦頂端的甲胺碘鉛覆蓋層(-200納米)通過雙相沉積被獲得,而單一的沉積蓋層可能太薄以至于不能恰當?shù)馗綦x二氧化鈦和硫氰酸亞銅用電。 圖二 |掃描(somio)電子顯微鏡下的表面涂層(t cn)與結構.(a)二氧化鈦/甲胺碘鉛(單個沉積(chnj)。(b)二氧化鈦/甲胺碘鉛(雙相沉積)。(c)二氧化鈦/甲胺碘鉛(單個沉積)/ HYPERLINK /view/450399.htm?fr=aladdin 硫氰酸亞銅。(d)二氧化鈦/ 甲胺碘鉛(雙相沉積)/ HYPERLINK /view/4

10、50399.htm?fr=aladdin 硫氰酸亞銅。規(guī)模的固體物質長塊,1微米。 圖3 |橫截面掃描電鏡的完整的設備。二氧化鈦/ CH3NH3PbI3(2 PbI2雙重沉積)/ CuSCN /金。規(guī)模的固體物質長塊200nm。圖4 | 通過掃描(somio)電子顯微鏡探針的元素分析 (a)二氧化鈦/ 甲胺碘鉛 (單個沉積(chnj)/金。(b)二氧化鈦/甲胺碘鉛 雙相沉積(chnj)/金。(c)二氧化鈦/ 甲胺碘鉛 (單個沉積)/ 硫氰酸亞銅/金。(d)二氧化鈦/ 甲胺碘鉛 (雙相沉積)/硫氰酸亞銅/金。每一橫截面的s.e.m的上面部分觀察到的亮線是由于金的陰極。規(guī)模的固定物質長塊500納米

11、。光電性能：圖5顯示的是由，在無光和模擬光AM1.5G(100mWcm )照射下測量導電玻璃/緊湊的 二氧化鈦 /介孔的二氧化鈦 /甲胺碘鉛 （雙相沉積）/ 硫氰酸亞銅/金組成的裝置的伏安特性。 在相同的情況下我們假定一個參比電池來作對比。有硫氰酸亞銅的裝置顯示出其短路電流的密度為(Jsc) 為19.7 mAcm ,開路電壓為(Voc)1016 mv、填充因子(FF)為0.62,其光電轉換效率為12.4%。在沒有硫氰酸亞銅裝置的光電轉換效率為6.7%，短路電流從從19.7mAcm到11.9 mAcm和開路電壓Voc（從 1,016mV 到933mV）都明顯的降低。表1顯示的是在相同的條件下測量

12、性能良好的電池和一般的電池的光電參數(shù)。硫氰酸亞銅中高的空穴遷移率能獲得高的Jsc。進一步改善硫氰酸亞銅覆蓋層的厚度。能夠提高轉換效率（圖5b）,在比較有硫氰酸亞銅和無硫氰酸亞銅的光電效率。在450nm和800nm高光電流和有效的電荷注入和收集使得在有硫氰酸亞銅裝置能獲得更高的內部量子效應。另外，IPCE光譜顯示出在800nm和750nm有明顯的上升達到55%。在450 nm IPCE 85% 。我們也發(fā)現(xiàn)當使用硫氰酸亞銅作為空穴傳輸材料其開路電壓Voc有一個顯著的增加，達到了1v以上。 表1顯示的是單相沉積和雙相沉積PbI2的光電參數(shù)。在由于硫氰酸亞銅的情況下，單相和雙相沉積Jsc和Voc有明

13、顯差異,FF有明顯提高了。從伏安曲線中看到。在單相沉積情況測得串聯(lián)電阻(dinz)和并聯(lián)電阻分別為12.6 cm、956 cm，相對(xingdu)地，在雙相沉積為11.3 cm和3580 cm。串聯(lián)電阻和并聯(lián)(bnglin)電阻的明顯不同說明FF的提高從0.56到0.62,同時也提高了PCE，沒有 CH3NH3PbI3(二氧化鈦/ 硫氰酸亞銅 / 金)的裝置其Voc只有345 mV,比性能良好的電池其電壓降低了671 mV。因此,如果二氧化鈦和硫氰酸亞銅直接接觸和重組能夠更有效的收集電荷。討論 如果甲胺碘鉛確實是部分重新溶解的硫氰酸亞銅沉淀,它將導致二氧化鈦和硫氰酸亞銅之間的接觸增加。因此,

14、一疊厚厚的鈣鈦礦覆蓋物對于避免不利的重組是必要的。在我們的實驗中,更高的分流電阻雙相沉積的方法被觀察到,從而導致FF和PCE的改進?？傊?我們已經展示了應用程序的一個有效的無機p型HTM、硫氰酸亞銅，以及通過沉積在甲胺碘鉛基礎上的太陽能電池的解決方案過程。當比較到沒有HTM的設備時，硫氰酸亞銅的存在，導致整體效率通過短路電流增加65%和9%的開路電位改善到12.4%。高的短路電流和 IPCE 值表明高效充電抽取和收集從興奮的甲胺碘鉛二氧化鈦和硫氰酸亞銅，分別地，然后再到相應的電極。電子探針分析映射通過硫氰酸亞銅在部分溶解揭示了一個教條的單元配置暗示。組成這樣,厚厚的鈣鈦礦型覆蓋物用PbI2雙相

15、沉積的方法顯示了更高的分流電阻和光伏優(yōu)越的性能。即使有顯著的市場價格變化大小,比較典型的有機HTM(通常44 100美元每克)、硫氰酸亞銅(1美元每克)顯示了近兩個數(shù)量級低的價格,使其在大規(guī)模的應用上更有前途。這項研究在500 度熱板解決異丙氧化鈦(乙酰丙酮;0.6毫升鈦乙酰丙酮在8毫升乙醇) 為新人類豐富而廉價的無機HTM的集成開啟了大門。.注入以摩爾比為2:1乙酰丙酮鈦和異丙醇鹽來制備乙酰丙酮化鈦。為了制備的多孔二氧化鈦層,商業(yè)二氧化鈦糊劑以每25秒5000轉的速度將乙醇(7 g)稀釋涂抹在準備好的表面襯底上。在125攝氏度干燥后,這薄膜在500攝氏度里進行退火。 在1.3摩爾(m r)二

16、甲基甲酰胺溶液(rngy)的PbI2，以70攝氏度中攪拌(jiobn)PbI2會溶解。PbI2溶液以每18s的6500轉旋途堆積在多孔二氧化鈦薄膜。然后以70攝氏度烘干30分鐘。對于每個PbI2沉積，多孔的二氧化鈦薄膜都在70攝氏度的電熱板上受熱，然后完成的TiO2/PbI2薄膜將浸泡在含有CH3NH3I的二甲基甲酰胺溶液中20秒。然后用二甲基甲酰胺溶液去沖洗后以70攝氏度烘干30分鐘。CuSCN傳熱介質通過65攝氏度刮刀進行儲存。解決方法是用準備好的1毫升的硫化丙基去溶解6毫克的CuSCN。最后，500nm的黃金蒸發(fā)在背電極上。光伏特性?，F(xiàn)在的電壓特性記錄通過應用一個外部潛在偏差的細胞并在來

17、源數(shù)字圖像記錄生成光電流(6240年,ADCMT)。光源是來自有陽光過濾500 w氙燈配并燈的發(fā)射光譜與AM1.5G標準相匹配 。每次測量前,光線強度校準到參考的硅太陽能電池強度。對于電流-電壓測量,電壓階躍和延遲時間分別是10毫安和1毫秒。掃描開始從0 v(短路條件)到1.1 v(在開路光電壓)。在單色儀上使用300 w氙氣光源測量光電轉化效率。設備是用有效面積0.09平方厘米黑色金屬孔掩蓋了。掃描電鏡。使用高分辨率掃描(somio)電子顯微鏡進行研究(ynji)頂層和橫斷面圖像(t xin)(日本電子光學實驗室JSM-7400F,加速電壓:15千伏)。在二次電子透鏡探測器獲得照片。在日本電

18、子光學實驗室JSM-7400F進行了電子探針元素分析。在電子探針波長分散光譜學中加速電壓測量10千伏。為了提高空間分辨率,每個樣品用膠水固定并切除聚焦離子束,以免擴大相互作用穿過觀察表層。圖5 | J-V 和光電轉換效率光譜。(a)目前在100mw/cm2光子通量(AM1.5G)黑暗中測量太陽能電池異質結(紅色)和(黑)CuSCN的電壓特性如圖所示。(b)在增加CuSCN 傳熱介質改進后的光電流相對應電子轉換效率光譜顯示。進一步應用太陽能光電,平衡碳的電力生產。方法 制造太陽能電池。摻雜SnO2鍍膜玻璃襯底分別要用洗滌劑、水和乙醇去清洗,然后用紫外清潔劑處理15分鐘。在玻璃襯底上用微生物培養(yǎng)基

19、噴霧熱解法去噴涂緊湊二氧化鈦層。致謝 我們(w men)感謝(gnxi)Greatcell Solar SA ,Epalinges,瑞士(ru sh)的金融支持。研究導致這些結果已經收到從歐盟第七框架計劃(fp7/2007 - 2013)根據授權協(xié)議、MESO的604032項目,根據授權協(xié)議、 SANS的246124項目、CE-Mesolight歐洲先進的ECR授予協(xié)議，編號為247404和阿卜杜拉國王科技大學(KAUST,獲獎號為 KUS-C101521）的資金。M.K.N.感謝全球研究實驗室(GRL)計劃,韓國和通過韓國國家研究基金會(編號為R31 - 2008 - 000 - 10035

20、 - 0)的教育部、科學技術建立起來的世界一流大學項目(光伏材料、材料化學、韓國大學)。先進的低炭技術研究與發(fā)展計劃 (ALCA) 的日本科學和技術機構 (JST) 支持這項工作的一部分。 作者貢獻： P.Q.和S.T設計了實驗，制造和測量設備。N.T., K.M.和 H.N. 進行掃描電鏡和電子探針表征，S.I.,M.K.N.和M.G.監(jiān)督這個項目。所有作者對本次論文的討論和寫作都做出了貢獻。 附加信息: 競爭的經濟利益：作者聲明沒有競爭的經濟利益。再版和權限：信息在/reprintsandpermissions/的網站上可以在線獲取和引用。 本文引用：秦,p .etal .無機孔基于導體鹵

21、化鉛鈣鈦礦太陽能電池轉換效率為12.4%。Nat. Commun .5:3834 doi:10.1038 / ncomms4834(2014).參考文獻1. Kagan, C. R., Mitzi, D. B. & Dimitrakopoulos, C. D. Organicinorganic hybridmaterials as semiconducting channels in thin-film field-effect transistors.Science 286, 945947 (1999).2. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y. & Miyasaka, T. Organometal halideperovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. So