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邁可諾技術(shù)有限公司
主營(yíng)產(chǎn)品： 美國(guó)Laurell勻膠機(jī),WS1000濕法刻蝕機(jī),Cargille光學(xué)凝膠,EDC-650顯影機(jī),NOVASCAN紫外臭氧清洗機(jī) |
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2024-8-26 閱讀(2129)
空·穴·傳·輸·層
.2
01
Spiro-OMeTAD
Spiro-OMeTAD是PSC中常用的空穴傳輸層之一。它定期生產(chǎn)高效PSC，并用于當(dāng)前的世界器件8。
Spiro-OMeTAD可以進(jìn)行純?nèi)芤禾幚?，沒(méi)有退火步驟，這意味著它可以在低溫下輕松處理。事實(shí)上，Spiro-OMeTAD HTL已被證明與大規(guī)模鈣鈦礦生產(chǎn)兼容，Di Giacomo等人創(chuàng)建了超過(guò)10%PCE的>15cm2的器件12，Kim等人的研究表明，采用卷到卷工藝創(chuàng)建的Spiro-OMeTAD器件的PCE高達(dá)13.8%13。
然而，Spiro-OMeTAD需要添加幾種摻雜劑，以實(shí)現(xiàn)最大的導(dǎo)電性、空穴遷移率，并確保這些摻雜劑溶解在氯苯中。此外，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Spiro-OMeTAD可能會(huì)給PSC器件帶來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題14。這種劣化與上述摻雜劑有關(guān)，因此許多研究正在尋找用Zn-TFSI、Mg-TFSI?和Ca-TFSI?取代這些摻雜劑，到目前為止，在器件穩(wěn)定性方面已經(jīng)得到了改進(jìn)。
由于Spiro-OMeTAD是(目前)常用的HTL，因此我們列出了我們最喜歡的在常規(guī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建“Spiro"層的配方。
· 85mg/ml Spiro-OMeTAD(純度< 99.5%)溶解于氯苯中，并使其溶解2小時(shí)。
· 按照以下順序?qū)?span style="letter-spacing: 0.578px">摻雜劑加到該儲(chǔ)備溶液：
①.LiTFSI:從500mg/ml儲(chǔ)備液(溶解在乙腈中)中加入20μl/ml，劇烈溶解1分鐘。
②.tBP:來(lái)自儲(chǔ)備溶劑的34 μl/ml，溶解1分鐘。
③.Fk209 Co(III) TFSI Salt:從300mg/ml儲(chǔ)備液(溶解在乙腈中)中加入11μl/ml，溶解1分鐘。
· 該層應(yīng)沉積在手套箱等惰性環(huán)境中，溶液應(yīng)在沉積前立即用0.2µm過(guò)濾器過(guò)濾。
· 應(yīng)將25μl該溶液以4000 rpm的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)旋涂到鈣鈦礦層上30秒。然后，在進(jìn)一步處理之前，將其在黑暗干燥的空氣中放置過(guò)夜，以使Spiro OMeTAD氧化。
02
PTAA
聚[雙(4-苯基)(2，4，6-三甲苯基)胺(PTAA)是PSC的另一個(gè)空穴傳輸層。它具有許多與Spiro相同的性質(zhì)，因?yàn)樗且环N小的有機(jī)分子，但通常需要摻雜劑來(lái)實(shí)現(xiàn)這些高性能——與Spiro OMeTAD器件（即LiTFSI）中存在問(wèn)題的摻雜劑相同。因此，更穩(wěn)定的摻雜劑(例如Lewis酸摻雜劑)已經(jīng)被用于產(chǎn)生PCE > 19%的PTTA鈣鈦礦器件，其顯示出良好的器件穩(wěn)定性15。
還證明了無(wú)摻雜劑的PTAA可以與PCBM一起用作ETL的倒置器件，并且這些器件也顯示出良好的性能16。
03
PEDOT:PSS
PEDOT:PSS(聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽)經(jīng)常用于倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件中，并用于第一個(gè)固體PSC器件中，實(shí)現(xiàn)3.8%的效率17。
PEDOT:PSS具有良好的潤(rùn)濕性，在綠色溶劑中具有良好的溶解性，并且在可見(jiàn)光區(qū)非常透明。18然而，它的電導(dǎo)率比較低，因?yàn)镻SS是分子的一部分，是層中的隔離劑，并且該材料與大多數(shù)鈣鈦礦材料的能級(jí)不匹配。
此外，PEDOT:PSS會(huì)吸收周圍的水分，這在鈣鈦礦堆疊時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重破壞。摻雜PEDOT:PSS可以改善材料的電荷載流子動(dòng)力學(xué)、功函數(shù)和整體薄膜形態(tài)，從而獲得更好的PSC。然而，挑戰(zhàn)仍然是同時(shí)改善所有這些性能。
截至2019年，使用這種HTL實(shí)現(xiàn)的最高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率涉及用CsI摻雜PEDOT:PSS19。這降低了HTL的功函數(shù)，減少了PEDOT:PSS和鈣鈦礦之間的能壘，從而增加了空穴提取。Xhang等人發(fā)現(xiàn)摻雜NiPcS4的PEDOT:PSS的功函數(shù)略高于單獨(dú)的PEDOT/PSS20。然而，這種摻雜也顯著增加了低未占據(jù)分子軌道(LUMO )，這使得能夠通過(guò)該層進(jìn)行必要的電子阻擋。
相反，這導(dǎo)致了更高的JSC，以及更好、更穩(wěn)定的器件。
不·同·鈣·鈦·礦·層
.3
01
CsFAMAPb(IxB1-x)3
我們?cè)谶@里研究的是1.2M的高性能三重陽(yáng)離子鈣鈦礦(CsFAMAPb(IxBr1-x)3)，并帶有4∶1的DMF/DMSO溶劑混合物?；旌消u化物(碘和溴)和混合陽(yáng)離子(methylammonium, MA, formamidinium, FA and Cesium, Cs)PSC一直生產(chǎn)出穩(wěn)定性和耐用性相對(duì)較高的器件。直到過(guò)去幾年，TC設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生出了世界紀(jì)錄的PCE25–27。通常，這些鈣鈦礦在惰性環(huán)境中進(jìn)行處理以獲得最佳性能，但是這些鈣鈦礦用途極其廣泛。2020年，Bishop等人展示了一種使用這種TC油墨的全噴涂PSC裝置，其小面積效率為19.4%28，并且這種油墨已被證明是兼容的、可擴(kuò)展的技術(shù)，如空氣葉片淬火29。然而，三陽(yáng)離子鈣鈦礦也存在一些問(wèn)題。例如，甲基銨極易揮發(fā)，熱不穩(wěn)定，在有氧氣或濕氣的情況下會(huì)降解。因此，在PSC中使用它們會(huì)顯著降低器件的壽命。然而，當(dāng)正確封裝時(shí)，這些PSC在幾個(gè)月內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能。
在這里，我們使用上述前驅(qū)體制造器件，使用勻膠機(jī)按照以下旋轉(zhuǎn)退火步驟，將50µl的前驅(qū)體靜態(tài)旋涂到SnO2涂層的襯底上：
| 步驟 | 旋轉(zhuǎn)速度 | 持續(xù)時(shí)間 | 評(píng)論 |
| 攤開(kāi) | 200轉(zhuǎn)/秒 | 直到達(dá)到2000 rpm | |
| 旋轉(zhuǎn)1 | 2000轉(zhuǎn) | 10s | |
| 旋轉(zhuǎn)2 | 4000轉(zhuǎn) | 30s | 用100升反溶劑在20秒內(nèi)淬滅 |
| 退火 | 30分鐘 | 在100℃下退火 |
在鈣鈦礦沉積過(guò)程中，手套箱一直在不斷循環(huán)氮?dú)鈮嚎s氣體，以避免溶劑在主室內(nèi)積聚。隨后，如關(guān)于如何在手套箱中制造高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的描述，沉積Spiro OMeTAD和Au層“在鈣鈦礦和HTL沉積后2天對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試。在處理時(shí)，所有低于<10%PCE或<0.5 VOC的器件都被去除。這些結(jié)果總結(jié)如下。如下圖所示，6個(gè)像素的6個(gè)器件的平均PCE為16.4±1.8%。單個(gè)像素實(shí)現(xiàn)的最高PCE為19.0%，在1分鐘內(nèi)穩(wěn)定在17.6%。
6個(gè)三重陽(yáng)離子器件的器件指標(biāo)(左)和最佳器件的固定功率點(diǎn)跟蹤JV掃描(右)
02
CsFAPbI3
由于甲銨基鈣鈦礦（methylammonium-based perovskites）的各種不穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)穩(wěn)定、高性能的PSC時(shí)，formamidinium base perovskites是一個(gè)有吸引力的選擇。FAPbI3的帶隙也比MAPbI3更低，這意味著它可以吸收更大比例的太陽(yáng)光譜。這將導(dǎo)致更高的光電流，從而提高器件效率31.
然而，F(xiàn)APbI3是相不穩(wěn)定的，并且需要高溫才能轉(zhuǎn)化為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池所需的黑色(α-)相，從而落入吸收性較低的非鈣鈦礦(β-)相。
最近出現(xiàn)了formamidinium base perovskites的激增，其在不使用甲基銨陽(yáng)離子來(lái)穩(wěn)定α-鈣鈦礦相的情況下表現(xiàn)出令人驚嘆的器件穩(wěn)定性。目前（截至2021年11月），經(jīng)認(rèn)證的最高性能鈣鈦礦器件是摻雜的基于FAPbI3的鈣鈦礦，實(shí)現(xiàn)了25.5%的PCE8，并且還有其他幾個(gè)使用基于FAPbI3的鈣鈦礦非常成功的例子7,32,33，包括具有20.77cm2活性面積的槽模涂器件，實(shí)現(xiàn)了16.6%的PCE。
在這里，我們使用這種鈣鈦礦前驅(qū)體制造了一些器件，其中50µl通過(guò)以下旋轉(zhuǎn)退火步驟靜態(tài)旋涂到SnO2涂層的襯底上：
| 步驟 | 旋轉(zhuǎn)速度 | 持續(xù)時(shí)間 | 評(píng)論 |
| 旋轉(zhuǎn) | 5000轉(zhuǎn) | 50s | |
| 退火1 | 5分鐘 | 70℃ | |
| 退火2 | 10分鐘 | 手套箱外150℃ |
在鈣鈦礦沉積過(guò)程中，手套箱不斷循環(huán)氮?dú)庖员苊馊軇┰谑痔紫涫覂?nèi)積聚。隨后，沉積Spiro OMeTAD和Au層，并且在鈣鈦礦和HTL沉積后1天測(cè)試器件。在處理過(guò)程中，我們移除了所有PCE小于10%或VOC小于0.5 V 的器件。圖中顯示了所有器件的器件指標(biāo)，以及器件的JV掃描和固定功率跟蹤。
七個(gè)器件的平均器件性能為14.0±2.0%，最高器件掃描為17.0%，1分鐘后穩(wěn)定在16.0%。
由CsFAPbI?制成的PSC的器件指標(biāo)最佳器件的前驅(qū)(左)和JV掃描和穩(wěn)定功率點(diǎn)跟蹤(右)
03
MAPbI3
MAPbI3是PSC中最早使用的鈣鈦礦制劑之一。這里，將1.1M MAI與1.1M PbI2溶于DMF中。這通常是一種高性能的鈣鈦礦，并且可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行處理30。它們主要使用甲基銨作為A陽(yáng)離子會(huì)導(dǎo)致一些內(nèi)在的不穩(wěn)定性，因此，盡管它們最初可能具有優(yōu)異的性能，但如果封裝不當(dāng)，器件可能會(huì)在幾天內(nèi)惡化。
同樣地，我們使用這種鈣鈦礦前驅(qū)體制造了一些器件，其中50µl通過(guò)以下旋轉(zhuǎn)退火步驟靜態(tài)旋涂到SnO2涂層的襯底上:
| 步驟 | 旋轉(zhuǎn)速度 | 持續(xù)時(shí)間 | 評(píng)論 |
| 旋轉(zhuǎn)1 | 2000轉(zhuǎn) | 10s | |
| 旋轉(zhuǎn)2 | 5000轉(zhuǎn) | 30s | 用300 l反溶劑在20秒內(nèi)淬滅 |
| 退火 | 20分鐘 | 100℃ |
這些層被沉積在手套箱中。然而，不需要氮?dú)庋h(huán)來(lái)獲得最佳的器件性能。旋涂后，沉積Spiro OMeTAD和Au層，并在鈣鈦礦和HTL沉積一天后測(cè)試器件。加工時(shí)，所有< 10%PCE或< 0.5 VOC的器件都被去除。結(jié)果總結(jié)如下。
如下圖所示，3個(gè)6像素器件的平均PCE為17.6±1.1%，單像素的PCE為19.3%，在1分鐘內(nèi)穩(wěn)定在18.4%。
基于MAPbI?的PSC器件指標(biāo)最佳器件的前驅(qū)體(左)和JV掃描和穩(wěn)定功率點(diǎn)跟蹤(右)
04
I301
在這里，我們已經(jīng)使用我們的I301三陽(yáng)離子鈣鈦礦油墨制造了一些器件。這使用二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide）作為主要溶劑，使其成為更穩(wěn)定的鈣鈦礦溶液34，但它具有與前述三陽(yáng)離子油墨相同的化學(xué)計(jì)量(CsFAMAPb(IxBr1-x)3)。使用以下旋轉(zhuǎn)退火步驟將其中50µl靜態(tài)旋涂到SnO2涂覆的襯底上：
| 步驟 | 旋轉(zhuǎn)速度 | 持續(xù)時(shí)間 | 評(píng)論 |
| 旋轉(zhuǎn)1 | 1000轉(zhuǎn) | 10s | |
| 旋轉(zhuǎn)2 | 3000轉(zhuǎn) | 28s | 18秒后用100升反溶劑淬滅 |
| 退火 | 10分鐘 | 150℃ |
這里，所有< 10%PCE和< 0.4 Voc的器件都已移除。我們?cè)诖慊疬^(guò)程中使用了兩種不同的抗溶劑，以確定這是否會(huì)顯著影響器件性能。從下圖中可以看出，事實(shí)并非如此。使用乙酸乙酯作為反溶劑制備的I301器件的平均器件性能為17.1±0.7%，最佳性能為18.5%，而使用苯甲醚作為反溶劑的器件的平均PCE為17.3±1.3%，器件為19.4%。這表明使用一系列反溶劑可以制備高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
由I301前驅(qū)體制成的PSC的器件指標(biāo)(左)和最佳器件的JV掃描(右)
鈣鈦礦器件比較
這是一張比較這些PSC的表格。在這里，我們介紹了如何在手套箱環(huán)境中制造良好的鈣鈦礦層，并證明了用這些層可以形成良好的PSC。
參考
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9.High Efficiency Low-Temperature Processed Perovskite Solar Cells Integrated With Alkali Metal Doped ZnO Electron Transport Layers, R. Azmi et al., ACS Energy Lett., 3 (6), 1241–1246 (2018); DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00493.
10.Triple Cathode Buffer Layers Composed Of PCBM, C60, And LiF For High-Performance Planar Perovskite Solar Cells, X. Liu et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 7 (11), 6230–6237 (2015); DOI: 10.1021/acsami.5b00468.
11.Hysteresis-Free Low-Temperature-Processed Planar Perovskite Solar Cells With 19.1% Efficiency, H. Yoon et al., Energy Environ. Sci., 9 (7), 2262–2266 (2016); DOI: 10.1039/C6EE01037G.
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18.Recent Progress Of Inverted Perovskite Solar Cells With A Modified PEDOT:PSS Hole Transport Layer, W. Han et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 12 (44), 49297–49322 (2020); DOI: 10.1021/acsami.0c13576.
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20.Facile Phthalocyanine Doping Into PEDOT Leads To Highly Efficient And Stable Inverted Metal Halide Perovskite Solar Cells, X. F. Zhang et al., J. Mater. Chem. A, 6 (26), 12515–12522 (2018); DOI: 10.1039/c8ta03541e.
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30.High-Performance Perovskite Single-Junction And Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells Via Slot-Die Coating, A. S. Subbiah et al., ACS Energy Lett., 5 (9), 3034–3040 (2020); DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01297.
31.Formamidinium Lead Trihalide: A Broadly Tunable Perovskite For Efficient Planar Heterojunction Solar Cells, G. E. Eperon et al., Energy Environ. Sci., 7 (3), 982 (2014); DOI: 10.1039/c3ee43822h.
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