Kontrolliertes Wachstum von Perowskitschichten mit flüchtigen Alkylammoniumchloriden

Jun 25, 2023

Nature Band 616, Seiten 724–730 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Die Kontrolle der Kristallinität und Oberflächenmorphologie von Perowskitschichten durch Methoden wie Lösungsmitteltechnik1,2 und Zugabe von Methylammoniumchlorid3,4,5,6,7 ist eine wirksame Strategie zur Herstellung hocheffizienter Perowskit-Solarzellen. Insbesondere ist es aufgrund ihrer hervorragenden Kristallinität und großen Korngröße wichtig, dünne Perowskitfilme aus α-Formamidiniumbleiodid (FAPbI3) mit wenigen Defekten abzuscheiden. Hier berichten wir über die kontrollierte Kristallisation von Perowskit-Dünnfilmen mit der Kombination von Alkylammoniumchloriden (RACl), die zu FAPbI3 hinzugefügt wurden. Der Übergang von der δ-Phase zur α-Phase von FAPbI3 sowie der Kristallisationsprozess und die Oberflächenmorphologie der mit RACl beschichteten Perowskit-Dünnfilme unter verschiedenen Bedingungen wurden durch In-situ-Weitwinkel-Röntgenbeugung mit streifendem Einfall und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Es wurde angenommen, dass sich der Vorläuferlösung zugesetztes RACl während des Beschichtens und Temperns leicht verflüchtigt, da es in RA0 und HCl dissoziiert und RA+ durch die Bindung von RA⋯H+-Cl− an PbI2 in FAPbI3 deprotoniert wird. Somit bestimmten die Art und die Menge an RACl die Geschwindigkeit des Übergangs von der δ-Phase zur α-Phase, die Kristallinität, die bevorzugte Orientierung und die Oberflächenmorphologie des endgültigen α-FAPbI3. Die resultierenden dünnen Perowskitschichten ermöglichten die Herstellung von Perowskit-Solarzellen mit einem Energieumwandlungswirkungsgrad von 26,08 % (zertifiziert 25,73 %) bei Standardbeleuchtung.

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Diese Arbeit wurde durch das Basic Science Research Program (NRF-2018R1A3B1052820) durch die National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, finanziert vom Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunftsplanung (MSIP). HJM und TJS danken für die finanzielle Unterstützung durch die NRF-Vertragsnummer (NRF-2018R1A5A 1025224). Abschließend danken wir UCRF (UNIST Central Research Facilities) für die Unterstützung bei der Nutzung der Ausrüstung und dem Strahllinienpersonal im Pohang Accelerator Laboratory.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jaewang Park, Jongbeom Kim

Abteilung für Energie- und Chemieingenieurwesen, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Ulsan, Korea

Jaewang Park, Jongbeom Kim, Hyun-Sung Yun, Min Jae Paik, Eunseo Noh und Sang Il Seok

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Chonnam National University, Gwangju, Korea

Hyun Jung Mun

Abteilung für Strahllinienforschung, Pohang Accelerator Laboratory (PAL), Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, Republik Korea

Min Gyu Kim

Graduiertenschule für Halbleitermaterialien und Gerätetechnik, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Ulsan, Korea

Tae Joo Shin

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JP, JK und SIS haben diese Arbeit konzipiert und das Experiment entworfen. H.-SY führte ein Vorexperiment durch. JP und JK stellten die PSCs mit verschiedenen Elektroden her und charakterisierten die Perowskitfilme. MJP und EN bereiteten die Elektroden und Proben für die Analyse vor. HJM und TJS führten die GI-WAXD-Messungen durch und interpretierten sie. MGK hat die EXAFS-Messungen gemessen und interpretiert. SIS hat den Entwurf des Manuskripts verfasst und alle Autoren haben Feedback und Kommentare zur Überarbeitung des Manuskripts beigesteuert. SIS leitete und überwachte die Studie.

Korrespondenz mit Min Gyu Kim, Tae Joo Shin oder Sang Il Seok.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Qilin Dai, Hui Zhang und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Dünne Filme, die mit 10 Mol-% MACl (a) und BACl (b) schleuderbeschichtet wurden und dem FAPbI3-Vorläufer mit 35 Mol-% MACl zugesetzt wurden. Maßstabsbalken, 1 μm.

Dargestellt während des Temperns von RT auf 120 °C, unter Verwendung der dünnen Filme, die durch Auftropfen des Antilösungsmittels während des Schleuderbeschichtens der FAPbI3-Vorläuferlösungen mit 0, 5, 10 oder 15 Mol-% PACl, zugesetzt zu 35 Mol-% MACl, gebildet werden.

a–e, Kontrolle. f–j, Ziel. k–p, Referenz 1. q–u, Referenz 2. GI-WAXD gemessen, während die Temperatur von RT auf 120 °C erhöht und gehalten wird. v–y, vergrößerte 1D-GI-WAXD-Profile von Kontrollproben (v), Referenz 1 (w), Zielproben (x) und Referenzproben 2 (y) um den (100)α-Peak, um die Anfangstemperatur der δ-Phase zu untersuchen zum α-Phasenübergang. z, Diagramm der Anfangstemperatur des Übergangs von der δ-Phase zur α-Phase. 2D-GI-WAXD zeigt, dass die Übergangstemperatur von der δ- zur α-Phase allmählich abnimmt, wenn die Länge der Alkylgruppe in RACl von MACl zu PACl und BACl zunimmt. Die Siedepunkte und die Basizität von deprotoniertem MA0, PA0 und BA0 sind unterschiedlich. Daher kann es zu einer starken Säure-Base-Wechselwirkung zwischen der Lewis-Säure PbI2 und der Lewis-Base R-NH2 auf der Oberfläche von FAPbI3 kommen. Alkylsubstituenten wie Methyl, Propyl und Butyl sind elektronenspendende Gruppen und neigen dazu, mit zunehmender Länge zuzunehmen. Dies macht BA0 Lewis-basischer und erhöht die RH2N-PbI2-Wechselwirkung. Schließlich senkt BA0, das in BACl deprotoniert ist, die Oberflächenenergie von δ-FAPbI3 stärker, was zu einem schnelleren und effektiveren Übergang von der δ-Phase zur α-Phase führt.

Dargestellt beim Erhitzen von RT auf 120 °C unter Verwendung des dünnen Films, der beim Schleuderbeschichten der FAPbI3-Vorläuferlösungen mit 10 Mol-% PACl und 35 Mol-% MACl abgeschieden wurde, ohne dass das Antilösungsmittel tropfte.

Durch Auftropfen des Antilösungsmittels während der Schleuderbeschichtung der FAPbI3-Vorläuferlösungen, die jeweils 10 Mol-% MACl, PACl und BACl enthielten und 35 Mol-% MACl enthielten, wurden dünne Filme abgeschieden.

RDF, erhalten unter Verwendung theoretisch berechneter Pb-LIII-Kanten-EXAFS für α-FAPbI3, δ-FAPbI3 bzw. entspanntes FAPbI3.

Dargestellt für Referenz 1 und Referenz 2. VTFL ist eine mit Fallen gefüllte Grenzspannung.

a, Änderungen in der gegenseitig normalisierten integrierten Fläche, die durch α-Phasen-Peaks von in situ GI-WAXD erhalten wird, gemessen bei Erhöhung und Beibehaltung der Temperatur von RT auf 120 °C. b, Repräsentative 2D-GI-WAXD-Bilder von Ziel- und Referenzproben, 30 Minuten lang bei 120 °C getempert.

Ergänzende Abbildungen. 1–8 und Ergänzungstabellen 1 und 2.

Herstellung von Formamidinium-Bleitriiodid (FAPbI3)-Schwarzpulver durch Erhitzen auf 120 °C in einem Ölbad unter Rühren.

Filtrieren des ausgefällten FAPbI3 mit Filterpapier.

Abscheidung dünner Perowskitfilme durch Schleuderbeschichtung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20–30 % in der Umgebungsluft.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Park, J., Kim, J., Yun, HS. et al. Kontrolliertes Wachstum von Perowskitschichten mit flüchtigen Alkylammoniumchloriden. Natur 616, 724–730 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

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Eingegangen: 20. Juli 2022

Angenommen: 10. Februar 2023

Veröffentlicht: 16. Februar 2023

Ausgabedatum: 27. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

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