Methylammoniumhalogenidsalz-Grenzflächenmodifikation von Perowskit-Quantenpunkten/Triple

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5387 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Perowskit-Solarzellen (PeSCs) wurden aufgrund ihres hervorragenden Leistungsumwandlungswirkungsgrads (PCE) und ihrer geringen Kosten als neues Photovoltaikgerät eingeführt. Aufgrund der Einschränkungen des Perowskitfilms selbst war das Vorhandensein von Defekten jedoch unvermeidlich, was die Anzahl und Mobilität der Ladungsträger in Perowskit-Solarzellen erheblich beeinträchtigt und somit die verbesserte Effizienz und Stabilität von PeSCs einschränkt. Die Grenzflächenpassivierung zur Verbesserung der Stabilität von Perowskit-Solarzellen ist eine wichtige und wirksame Strategie. Hier verwenden wir Methylammoniumhalogenidsalze (MAX, Die MAI-Passivierungsschicht erhöhte die Leerlaufspannung von PeQDs/Triple-Kation-PeSC um 63 mV auf 1,04 V, mit einer hohen Kurzschlussstromdichte von 24,6 mA cm−2 und einem PCE von 20,4 %, was eine signifikante Unterdrückung demonstrierte der Grenzflächenrekombination.

Aufgrund der vielen hervorragenden Materialeigenschaften, die organisch-anorganische Halogenid-Perowskit-Materialien aufweisen, wie z. B. hoher Extinktionskoeffizient, hohe Ladungsträgermobilität und Ladungsträgerdiffusionslänge im Mikrometerbereich1,2,3,4,5. Perowskit-Solarzellen (PeSCs) haben im letzten Jahrzehnt große Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft auf sich gezogen und gelten als vielversprechende photovoltaische Materialien6,7. Auch der Wirkungsgrad der Stromumwandlung (Power Conversion Efficiency, PCE) stieg in nur wenigen Jahren von 3,8 auf 25,7 %8. Aufgrund der niedrigen Herstellungstemperatur von Perowskitmaterialien und der Schwierigkeit, den Kristallisationsprozess zu kontrollieren, war es jedoch leicht, eine große Anzahl von Defekten auf der Oberfläche und den Korngrenzen des endgültigen Perowskitfilms zu verursachen9,10, einschließlich unkoordinierter Pb2+-Jod-Fehlstellen , interstitielle Jodatome, Bleifehlstellen und Blei-Jod-Transpositionsdefekte usw. Diese Defekte verursachen häufig eine nichtstrahlende Rekombination und Ionenmigration von Trägern, wodurch die PCE und die Langzeitstabilität der PeSCs verringert werden11.

Derzeit sind Additivtechnik12 und Grenzflächentechnik13 die wichtigsten Methoden zur Reduzierung von Defekten in Passivierungs-Perowskitfilmen. Insbesondere kann die Additivtechnik den Kristallisationsprozess steuern und Defekte passivieren, indem Passivierungssubstanzen in die Vorläuferlösung eingebracht werden, was den Vorteil einer einfachen Bedienung und einer bemerkenswerten Wirkung hat. Bei der Realisierung der Defektpassivierung war die funktionelle Gruppe des Passivatormoleküls sehr wichtig. Carbonylgruppen14, Aminogruppen15, Carboxylgruppen16 und Phenethylammoniumiodid17 passivieren Defekte, indem sie Koordinationsbindungen mit ungesättigten freien Bindungen bilden, wodurch die Trägerlebensdauer verlängert und die Leistungsparameter der Vorrichtung verbessert werden. Bisher wurden eine Vielzahl von Molekülen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen als Passivierungsmittel in Perowskit-Vorläufer eingeführt. Beispielsweise führten Wang et al.18 Koffein in den Perowskit-Vorläufer ein und nutzten die starke Wechselwirkung zwischen C = O und Pb2+ des Koffeins, um die Aktivierungsenergie für die Keimbildung zu erhöhen, wodurch die Perowskit-Keimbildungsrate verzögert und die Perowskit-Qualität erhöht wurde. Das endgültige Gerät erhält 20,25 % PCE. Chen et al.19 synthetisierten ein π-konjugiertes und alkohollösliches kleines Molekül mit bilateralen Carboxyl- und Thiophengruppen, nämlich 2,5-Di(thiophen-2-yl)terephthalsäure (DTA), und fügten es der Ammoniumsalzvorstufe hinzu Zur Herstellung des Perowskitfilms nutzt er seine elektronenreichen Carboxylgruppen, um Lewis-Säure-Base-Addukte mit unkoordiniertem Pb2+ im Perowskitfilm zu bilden, um Korngrenzen und Oberflächendefekte zu passivieren und schließlich den Spannungsverlust des Geräts auf 0,38 V zu reduzieren. Obwohl diese Passivatormoleküle berichteten Obwohl sie einen offensichtlichen Passivierungseffekt auf Defekte in Perowskitfilmen zeigen, gab es auch Probleme wie eine komplexe Molekülstruktur und eine schwierige Synthese. Darüber hinaus müssen einige Oberflächenpassivatoren umweltschädliche Benzolsubstanzen als Lösungsmittel verwenden, wenn sie zur Oberflächenbehandlung von Perowskitfilmen verwendet werden, was dem Umweltschutz und der menschlichen Gesundheit nicht zuträglich ist20. Daher war es nach wie vor von großer Bedeutung, neuartige Passivatoren mit einfacher Struktur und Umweltfreundlichkeit als Additive zu finden, die in Perowskite eingebracht werden können, um hochwertige Perowskitfilme und leistungsstarke PeSCs herzustellen. Diese Arbeit berichtet über einen wirksamen Passivator zur Auflösung von Perowskit-Oberflächendefekten, nämlich Methylammoniumhalogenidsalz, um die Grenzfläche zwischen dem Perowskit-Quantenpunktfilm (PeQDs) und dem Dreikationen-Perowskitfilm Cs0.05FA0.81MA0.14PbBr0.14I2.86 (CsFAMA) zu modifizieren. Reduzierung von Defekten in Perowskiten. Darüber hinaus kann die Verwendung eines PeQDs-Films in der darunter liegenden Schicht des Dreikationen-Perowskitfilms die Lichtausnutzungsrate, die Leerlaufspannung (Voc) und die Kurzschlussstromdichte (Jsc) erhöhen und dadurch die PeQDs/Dreifachkationen verbessern. Kation PeSCs Leistung.

Nickelnitrat (99,9985 %), Ethylendiamin (99 %), Cs2CO3 (99,9 %), CsI (99,9 %), PbI2 (99,9985 %) und 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin ( BCP, 98 % wurden von Alfa Aesar bezogen. Ethylenglykol (99 %), Ethylacetat (99,8 %), Hexan (95 %), Oleylamin (OAm, 80–90 %), Methylammoniumchlorid (MACl, 98 %), N,N-Dimethylformamid (DMF, 99,5 %). ), Dimethylsulfoxid (DMSO, 99,5 %) und Toluol (99,5 %) wurden von Echo Chemcial bezogen. Octan (99 + %) und 1-Octadecen (ODE, 90 %) wurden von Acros Organics bezogen. Methylammoniumbromid (MABr, 99,999 %) und Methylammoniumiodid (MAI, 99,999 %) wurden von Lumineszenz Technology bezogen. Ölsäure (OA, 88 %), Formamidiniumiodid (FAI, 99,9 %), Fulleren-C60 (99,95 %), Ag (99,9 %) und strukturierte FTO-beschichtete Glassubstrate (8 Ω sq−1) wurden von SHOWA bezogen , STAREK Scientific, Uni-Onward, Ultimate Materials Technology und Ruilong.

Die Cs-Oleat-Vorläuferlösung wurde aus Cs2CO3 (0,407 g), ODE (20 ml) und OA (1,25 ml) in einem 45-ml-Kolben bei 120 °C 30 Minuten lang unter Rühren synthetisiert. PbI2 (0,5 g) und ODE (25 ml) wurden in einem 4-ml-Kolben 30 Minuten bei 120 °C gerührt. Vorgewärmtes (130 °C) OA (2,5 ml) und OAm (2,5 ml) in den PbI2-ODE-Reaktionskolben geben, bis das PbI2 vollständig aufgelöst ist. Dann wurden 2 ml des Cs-Oleat-Vorläufers schnell in die PbI2-Reaktionsmischung bei 180 °C injiziert und dann wurde die CsPbI3-Mischung in einem Eisbad abgeschreckt. Um die QDs zu reinigen, wurde der CsPbI3-Rohlösung eine EA-Lösung im Volumenverhältnis 3:1 zugesetzt und dann 5 Minuten lang bei 6000 U/min zentrifugiert. Der untere QDs-Niederschlag wurde zu Hexan und EA (Volumenverhältnis 1:1) gegeben, 5 Minuten lang mit Ultraschall behandelt und dann 5 Minuten lang bei 6000 U/min zentrifugiert. Schließlich wurde der erhaltene CsPbI3-QDs-Niederschlag in 3 ml Octan dispergiert, dann mindestens 24 Stunden lang gekühlt gelagert und der Überstand durch Zentrifugation bei 6000 U/min für 5 Minuten verwendet.

Gemusterte FTO-Anoden wurden nacheinander mit entionisiertem Wasser, Aceton, Ethanol und Isopropanol in einem Ultraschallreiniger gereinigt und anschließend 15 Minuten lang mit ultraviolettem Ozon behandelt. Nickelnitrat (0,291 g) wurde in Ethylendiamin (0,067 ml) und Ethylenglykol (1 ml) unter magnetischem Rühren bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gelöst. Die NiOx-Lochtransportschicht (HTL) wurde durch Schleuderbeschichten der gefilterten NiOx-Vorläuferlösung auf einem FTO-Substrat bei 3000 U/min für 30 s abgeschieden und auf einer Heizplatte bei 120 °C für 10 min getempert, gefolgt von einem Backen in einem Ofen bei 120 °C 300 °C für 1 Stunde. 60 μl CsPbI3-PeQDs-Lösung wurden 20 s lang bei 1000 U/min gleichmäßig auf dem NiOx-HTL verteilt. 5 mg Methylammoniumhalogenidsalze (MAX, , I) Salzlösung. Als nächstes wurden 100 μl MAX-Salzlösung 10 s lang bei 2000 U/min auf die CsPbI3-PeQDs-Schicht aufgeschleudert. Lösen Sie 461 mg PbI2, 139 mg FAI, 12,8 mg CsI und 15,7 mg MABr-Pulver in 1 ml Dimethylsulfoxid (DMSO)/Dimethylformamid (DMF) (1/4 Vol./Vol.) bei Raumtemperatur 25 °C für etwa 22 Stunden, um die Cs0,05FA0,81MA0,14PbBr0,14I2,86 Dreikationen-Perowskit-Vorläuferlösung mit einer Konzentration von 1 M herzustellen. 80 µL Perowskit-Vorläuferlösung wurden durch Schleuderbeschichtung auf die PeQDs/MAX-Schicht aufgetragen zweistufige Methode mit 1000 U/min für 10 s bzw. 5000 U/min für 40 s. Lassen Sie während der verbleibenden 20 s der zweiten Stufe schnell 100 l Toluol-Antilösungsmittel auf die PeQDs/MAX-Schicht fallen. Nach der Rotation wurde es für 5 Minuten in eine Petrischale gegeben und dann für 10 Minuten auf eine Heizplatte bei 100 °C gestellt, um einen Perowskitfilm mit drei Kationen Cs0,05FA0,81MA0,14PbBr0,14I2,86 zu bilden. Anschließend wurden nacheinander eine 20 nm dicke C60-Elektronentransportschicht und eine 5 nm dicke BCP-Elektronenblockierungsschicht durch Aufdampfen im Hochvakuum abgeschieden. Schließlich wurde eine 100 nm dicke Ag-Oberelektrode abgeschieden, deren schematische PeQDs/MAX/CsFAMA-PeSC-Struktur und Querschnitts-REM-Bild in Abb. 1 dargestellt sind.

(a) Schematische Darstellung des PeQDs/MAX/CsFAMA PeSC-Geräts. (b) Querschnittsbild des Rasterelektronenmikroskops (REM).

Absorptionsspektren von Perowskitfilmen wurden mit einem V-770 UV/VIS/NIR-Spektrophotometer (Jasco, Japan) getestet. Verwenden Sie ein Fluoreszenzspektrophotometer Modell Hitachi F-7000 (Tokio, Japan), um das Photolumineszenzspektrum (PL) von Perowskitfilmen zu testen. Röntgenbeugungsmuster (XRD) von Perowskitfilmen wurden mit einem PANalytical X'Pert PRO MRD-Diffraktometer (Almelo, Niederlande) unter Verwendung einer CuKα-Strahlungsquelle (λ = 1,5418 Å) getestet. Die Oberflächenmorphologien und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bilder der Perowskitfilme und PeQDs wurden mit einem ZEISS Sigma Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) (ZEISS, Deutschland) und einem JEM-2100F Transmissionselektronenmikroskop ( JEOL, Japan). Die Photostrom-Spannungs-Kurven (J–V) der PeQDs/Dreifachkationen-PeSCs wurden unter Verwendung eines MFS-PV-Basic-Sonnensimulators (Hong-Ming Technology Co., Ltd., Taiwan) mit einem Keithley 2420-Quellenmessgerät darunter erhalten Beleuchtung von AM 1,5G simuliertem Sonnenlicht bei 100 mW cm−2, kalibriert mit einer NREL PVM-894 Standard-Siliziumreferenzzelle (PV Measurements Inc., USA). Die externe Quanteneffizienz (EQE) wurde mit dem LSQE-R QE-System (LiveStrong Optoelectronics Co., Ltd., Taiwan) getestet, das mit einem LAMBDA 35 UV-VIS-NIR-Spektrophotometer (PerkinElmer, USA) und einer XES-204S 150 W Xenonlampe ausgestattet war (San-Ei Electric Co., Ltd., Japan) als Lichtquelle.

Die optischen Eigenschaften und die Morphologie von CsPbI3-PeQDs, die durch Heißinjektionsverfahren hergestellt wurden, wurden charakterisiert. Im Absorptionsspektrum der PeQDs-Lösung in Abb. 2a ist zu erkennen, dass ihr Absorptionspeak bei etwa 705 nm lag und im entsprechenden Fluoreszenzspektrum der PL-Peak bei 715 nm gemessen wurde. Abbildung 2b zeigt das XRD-Muster des CsPbI3-PeQDs-Films und zeigt, dass schwarze α-CsPbI3-Perowskit-Beugungspeaks bei 14,33°, 20,23° und 28,86° auftreten, was den Ebenen (100), (110) und (200) entspricht. Aus dem hochauflösenden TEM-Bild in Abb. 2c ging hervor, dass die so synthetisierten CsPbI3-PeQDs in kubischer Phase mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 18,6 nm vorlagen (Abb. 2d).

(a) Photolumineszenz (PL) und Absorptionsspektren, (b) XRD-Muster, (c) TEM-Bild und (d) Größenverteilungsdiagramm von CsPbI3-PeQDs.

Um die Auswirkung der Einführung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) auf die Oberflächenmorphologie von PeQDs/CsFAMA-Perowskitfilmen zu untersuchen, wurden die obigen Perowskitfilme durch SEM charakterisiert, wie in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3a zeigt den reinen CsFAMA-Perowskitfilm. Es ist zu erkennen, dass die Oberflächenpartikelgröße klein und anfällig für Defekte und Poren war. Wenn der CsFAMA-Perowskitfilm auf den PeQDs-Film aufgetragen wurde, wurde die Partikelgröße des CsFAMA-Perowskits größer und die Korngrenzen wurden leicht verringert, wie in Abb. 3b gezeigt. Da Korngrenzen einer der Hauptorte für Defekte waren, weisen Perowskitfilme mit größeren Körnern weniger Korngrenzen auf, wodurch eine höhere Filmqualität erzielt wird. Aus Abb. 3c–e lässt sich zwischen der Einführung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) in PeQDs/CsFAMA-Perowskit beobachten, dass die Partikelgröße von CsFAMA-Perowskit deutlich zunimmt. Der Grund für die vergrößerten Perowskitkörner könnte in der effizienten Modifikation der PeQDs-Schicht durch MAX-Salze (X = Cl, Br, I) liegen. Wenn CsFAMA-Perowskite auf PeQDs/MAX (X = Cl, Br, I) aufgetragen wurden, kann die schnelle Keimbildung von Perowskit gehemmt werden und Perowskite neigen dazu, bei geringer Keimbildungsdichte zu größeren Körnern zu wachsen. Die Ergebnisse zeigen, dass der PeQDs/MAI/CsFAMA-Perowskit weniger Korngrenzen aufweist, wodurch Defekte effektiv reduziert werden können. Die glatte Oberfläche des Perowskitfilms war vorteilhaft, um den Grenzflächenkontakt zwischen Perowskitschicht und HTL zu verbessern und die Effizienz der fotogenerierten Ladungsübertragung zu verbessern21.

SEM-Bilder von oben der Filme (a) CsFAMA, (b) PeQDs/CsFAMA und (c–e) PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA.

Abbildung 4 zeigt die Röntgenbeugungsmuster von CsFAMA-, PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA-Filmen, wobei die XRD-Muster mit stärkeren Peaks die Bildung kristalliner CSFAMA-Filme darstellen können. Die Hauptintensität des XRD-Beugungspeaks des PeQDs/CsFAMA-Films war höher als die des reinen CsFAMA-Perowskitfilms, was darauf hinweist, dass die CsFAMA-Beschichtung auf den PeQDs Defekte effektiv reduziert. Als die MAX-Salze (Cl, Br, I) weiter in PeQDs/CsFAMA eingeführt wurden, waren die XRD-Intensitäten der Beugungspeaks der PeQDs/MAI/CsFAMA-Filme höher als die der anderen beiden (PeQDs/MACl/CsFAMA und PeQDs). /MABr/CsFAMA), was eine bessere Filmqualität bedeutet. Darüber hinaus erschien der Nicht-Perowskit-β-Phasen-Peak (PbI2) (001) bei 12,7°. Es kann festgestellt werden, dass die PbI2-Peakintensitäten der PeQDs/MAI/CsFAMA- und PeQDs/MABr/CsFAMA-Filme niedriger waren, was darauf hindeutet Die Bildung von PbI2 wurde reduziert, was den Übergang von Trägern zum HTL erleichtern kann und nicht blockiert wird, um eine Rekombination zwischen Trägern auszulösen. Dies lässt vermuten, dass das MAX-Salz (X = Cl, Br, I) zu den Korngrenzen diffundiert und die Ladungsfallen an der Kornoberfläche und an den Korngrenzen passiviert, wodurch die Ionendiffusion verringert und die Bindung durch Blockierung dieser Korngrenzenkanäle gestärkt wird.

Röntgenbeugungsmuster (XRD) der Filme CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA.

Abbildung 5a zeigt die PL-Spektren von CsFAMA-, PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA-Filmen, gemessen unter Anregung mit einer Wellenlänge von 266 nm. Der PL-Peak des CsFAMA-Films lag bei 790 nm, während die PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA-Filme im Vergleich zum CsFAMA-Film eine leichte Blauverschiebung aufweisen. Die Blauverschiebung kann durch das Verschwinden des flachen Defektenergieniveaus nach der Passivierung von Oberflächendefekten verursacht werden, was zu einer Vergrößerung der Energiebandbreite führt22. Darüber hinaus beschleunigt das Defektniveau die strahlungslose Rekombination im Perowskitfilm, was zu einer Abnahme der Trägerkonzentration des Perowskitfilms nach Erreichen des stationären Gleichgewichts unter Photoanregungsbedingungen führt, wodurch die Strahlungsrekombinationsrate, d. h. die PL-Intensität, verringert wird Abfall. Dies lässt sich auch an der Intensität des PL-Peaks erkennen. Die PL-Intensität des CsFAMA-Films wurde nach der Passivierungsbehandlung mit PeQDs und MAX-Salzen (Cl, Br, I) deutlich verbessert. Unter ihnen war der PeQDs/MAI/CsFAMA-Film der wirksamste bei der Reduzierung von Defekten, was beweist, dass die strahlungslose Rekombination im Film unterdrückt wurde. Die Absorptionsspektren von CsFAMA-, PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA-Filmen sind in Abb. 5b dargestellt. Im Vergleich zu CsFAMA-Perowskitfilmen zeigten passivierte PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA-Perowskitfilme eine leicht erhöhte Lichtabsorption, von der erwartet wurde, dass sie die EQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br) verbessern , I)/CsFAMA PeSCs. Da die Hinzufügung der PeQDs-Schicht die Lichtsammeleffizienz der Filme verbessert und das MAX-Salz (Cl, Br, I) die Kristallqualität der Perowskite verbessert, kann der beobachtete Leistungsunterschied auf die PeQDs/MAX-Schicht (Cl) zurückgeführt werden , Br, I) Die Schnittstellentechnik führt zu einer effektiveren Ladungsübertragung und einer erhöhten Lichtabsorption im gesamten PSC-Gerät. Dieser Mechanismus kann durch die Ergebnisse der zeitaufgelösten PL-Abklingkurven von Perowskitfilmen weiter demonstriert werden. Wie in Abb. 5c und Tabelle 1 gezeigt, wurden die PL-Zerfallslebensdauern von PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX(Cl, Br, I)/CsFAMA-Perowskitfilmen mit 3,92, 3,33, 2,86 und 2,42 ns bestimmt, während die CsFAMA Perowskitfilm betrug 5,73 ns. Die schnellen Zerfallslebensdauern von PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MAX(Cl, Br, I)/CsFAMA-Perowskitfilmen waren deutlich kürzer als die von CsFAMA-Perowskitfilmen. Da die verkürzte Lebensdauer des schnellen Zerfalls auf einen schnelleren und effizienteren Ladungsträgertransfer an der Grenzfläche hinweist, kann der Schluss gezogen werden, dass CsFAMA-Perowskit in Kombination mit PeQDs/MAX(Cl, Br, I) bessere Grenzflächeneigenschaften und Ladungsübertragungskapazitäten aufweist.

(a) Photolumineszenz (PL), (b) Absorptionsspektren und (c) zeitaufgelöste PL-Abklingkurven der Perowskitfilme CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA.

Um die Auswirkung der Einführung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) auf die Photovoltaikleistung von PeSCs weiter zu untersuchen und die Reproduzierbarkeit von PeSCs zu bewerten, wurden jeweils mehr als 30 Zellen hergestellt und getestet. Abbildung 6 zeigt die statistischen Ergebnisse der Photovoltaik-Parameter der PeSCs basierend auf CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA. Das Gerät aus makellosem CSFAMA PeSC hatte einen durchschnittlichen Jsc von 23,1 mA cm−2, eine Voc von 0,93 V, einen Füllfaktor (FF) von 76,9 % und einen PCE von 16,2 %. Nach der Behandlung mit MAI-Salz wurden die Parameter auf einen durchschnittlichen Jsc von 24,6 mA cm−2, einen Voc von 1,03 V, einen FF von 77,8 % und einen PCE von 19,6 % erhöht. Die durchschnittlichen Photovoltaik-Eigenschaften aller anderen PeSCs waren ebenfalls besser als die des makellosen CSFAMA PeSC, was auf die Zuverlässigkeit der Testergebnisse hinweist. Dies weist darauf hin, dass die Einführung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) vermutlich eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Photovoltaik-Parameter spielt. Abbildung 7 zeigt die JV-Kurven der jeweils leistungsstärksten PeSCs, und die entsprechenden photovoltaischen Leistungsparameter sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Der PeSC auf Basis von reinem CsFAMA ergab einen PCE von 16,6 % mit einem Jsc von 23 mA cm−2. eine Voc von 0,94 V und eine FF von 77,1 %. Als die PeQDs-Schicht in den CsFAMA PeSC eingeführt wurde, wurden Jsc, Voc, FF und PCE deutlich auf 24,2 mA/cm−2, 0,977 V, 76,7 % und 18,1 % erhöht, was darauf hindeutet, dass das Hinzufügen der PeQDs-Schicht die Qualität verbessern könnte des CsFAMA-Films und erhöhen gleichzeitig den Photostrom. Als MAX-Salze (X = Cl, Br, I) die PeQDs/CsMAFA-Grenzfläche modifizierten, zeigte der optimierte PeSC, der mit MAI-behandelten PeQDs/CsMAFA-Perowskit hergestellt wurde, einen erhöhten Jsc von 24,6 mA cm−2, einen Voc von 1,04 V und einen FF von 79,9 %, folglich ein erhöhter PCE von 20,4 %. Andererseits kann beobachtet werden, dass der FF von PeQDs/CsFAMA- und PeQDs/MACl/CsFAMA-PeSCs niedriger war als der des ursprünglichen CsFAMA-PeSC, was möglicherweise durch den Nicht-Perowskit-β-Phasen-Peak verursacht wird. Darüber hinaus ergaben die Geräte, die auf der MACl- und MABr-behandelten PeQDs/CsMAFA-Schnittstelle basieren, lediglich PCEs von 18,8 % bzw. 19,5 %, was die positiven Auswirkungen dieses Oberflächenpassivierungsprozesses bestätigt. Der positive Effekt dieses Oberflächenpassivierungsprozesses zur wirksamen Reduzierung von Defekten wurde durch Modifizierung der PeQDs/CsMAFA-Schnittstelle mit MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) verifiziert. Abbildung 7b zeigt die Übertragung fotogenerierter Elektronen und Löcher, wenn PeQDs in die Grenzfläche zwischen der Perowskitschicht und der HTL eingefügt wurden. Da die Valenzbandposition von PeQDs zwischen HTL und Perowskit lag, kommt es in Verbindung mit der Passivierung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) zu einer günstigeren Ausrichtung der Energieniveaus an der Grenzfläche, um die Lochextraktion zu erleichtern. Die PeQDs fungierten als Barriere, um die Ladungsträgerrekombination an der Grenzfläche zwischen Perowskit und HTL zu reduzieren, wodurch Voc und Jsc verbessert und der Rückfluss von Elektronen aus dem Leitungsband des Perowskits zum HTL verhindert wurden, wodurch die Ladungssammlung verbessert wurde.

Statistische Verteilung von (a) Voc, (b) Jsc, (c) FF und (d) PCE der PeSCs basierend auf CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA.

(a) J-V-Kurven der leistungsstärksten PeSCs basierend auf CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA. (b) Bandenergiediagramm der gesamten Struktur.

Abbildung 8a zeigt die EQE-Spektren der PeSCs basierend auf CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA. Es ist ersichtlich, dass das Hinzufügen einer PeQDs-Schicht zu CsFAMA PeSC dessen Jsc und EQE effektiv erhöhen kann, und es gab einen relativ offensichtlichen Anstieg im Band von 500–750 nm. Durch den Quantenbeschränkungseffekt erfolgt die von PeQDs erzeugte Absorption in diesem Band. Darüber hinaus verbessert die Modifikation/Passivierung der Grenzfläche zwischen PeQDs und CsFAMA unter Verwendung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) die Filmkristallinität weiter und reduziert Defekte. Die Quanteneffizienz des Anzeigegeräts in diesem Wellenlängenbereich wird stark von der Grenzfläche hinter der lichtabsorbierenden Schicht beeinflusst. Dieses Phänomen zeigt, dass die Ladungsträgerrekombination an dieser Grenzfläche nach der Passivierung deutlich unterdrückt wird, und es erklärt auch den Verbesserungsmechanismus der Kurzschlussstromdichte des Geräts durch Passivierung. Um die Wirkung von MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) auf die Stabilität von PeSCs zu untersuchen, wurden die PCE-Zerfälle von mit MAX-Salz behandelten PeSCs und Kontroll-CsFAMA-PeSCs bei 25 °C in Stickstofflagerung und unter AM1 verfolgt und aufgezeichnet. 5G-Beleuchtung. Der PCE-Verlust von CsFAMA PeSC betrug nach 120-stündiger Lagerung mehr als 80 %. Darüber hinaus wurden durch die Hinzufügung der PeQDs-Schicht zu PeQDs/CsFAMA PeSC effektiv Defekte reduziert und das Phänomen der PCE-Dämpfung erheblich verbessert. Die mit MAX-Salzen (X = Cl, Br, I) behandelten PeSCs behielten 78,7 %, 85,1 % bzw. 77,9 % ihrer ursprünglichen Effizienz (Abb. 8b). Andererseits lag der Grund für die stärkere Abschwächung von PeQDs/MAI/CsFAMA-PeSCs darin, dass die Bindung zwischen Iodidionen und organischen Kationen schwach war. Nach mehreren Tagen der Exposition trat der Peak der Nicht-Perowskit-β-Phase auf, der zur Zersetzung der Perowskite und zu einer Verringerung der Stabilität führte.

(a) Externe Quanteneffizienzspektren (EQE) und (b) normalisierte PCE-Stabilitätsentwicklung (N2-gefüllte Glovebox) der PeSCs basierend auf CsFAMA, PeQDs/CsFAMA und PeQDs/MAX (Cl, Br, I)/CsFAMA.

Zusammenfassend verwendet diese Studie Methylammoniumhalogenidsalz (MAX, X = Cl, Br, I) als Modifikator/Passivator für die Zwischenschicht von PeQDs und Dreikationen-Perowskiten. CsPbI3-PeQDs und Cs0,05FA0,81MA0,14PbBr0,14I2,86-Dreifachkationen-Perowskite und Solarzellenvorrichtungen wurden durch Heißinjektion und zweistufige Methoden hergestellt. Der Einfluss von Methylammoniumhalogenidsalz auf die Morphologie, die optischen Eigenschaften von Perowskiten und die Geräteleistung von PeQDs/MAX/Triple-Cation-PeSCs wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass MAX-Salz die Wechselwirkung zwischen PeQDs/CsFAMA-Perowskit modifizieren/passivieren kann, um die Perowskit-Korngröße zu erhöhen und die Defekte von Perowskitfilmen wirksam zu reduzieren. Verglichen mit der Kontrollprobe aus reinem CsFAMA wurde die beste Leistung von PeSCs durch die Verwendung von MAI-Salz erreicht, der Jsc von unter dieser Bedingung hergestellten PeQDs/MAI/CsFAMA-Dreifach-Kation-PeSCs stieg von 23,0 mA cm−2 auf 24,6 mA cm−2 , Voc von 0,938 V auf 1,04 V, FF von 77,1 % auf 79,9 % und PCE von 16,6 % auf 20,4 %.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Ching-Ho Tien

Abteilung für elektrooptische Technik, National Taipei University of Technology, Nr. 1, Sec. 3, Chung-Hsiao E. Rd., Taipei, 10608, Taiwan

Hong-Ye Lai & Lung-Chien Chen

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L.-CC führte die Experimente durch, entwarf die Studie und gab wichtige Vorschläge zum Verfassen des gesamten Manuskripts. C.-HT konzipierte die ursprüngliche Idee, Datenanalyse und Interpretation und verfasste das Manuskript. H.-YL bereitete die Proben vor und führte alle Messungen durch. Alle Autoren haben diesem Manuskript zugestimmt.

Korrespondenz mit Lung-Chien Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tien, CH., Lai, HY. & Chen, LC. Die Grenzflächenmodifikation von Perowskit-Quantenpunkten/Dreifachkationen-Perowskiten durch Methylammoniumhalogenidsalz ermöglicht effiziente Solarzellen. Sci Rep 13, 5387 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32697-z

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Eingegangen: 19. Dezember 2022

Angenommen: 31. März 2023

Veröffentlicht: 3. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32697-z

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