RU2814810C1 - Method of producing photoelectric energy transducers based on perovskites - Google Patents
Method of producing photoelectric energy transducers based on perovskites Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814810C1 RU2814810C1 RU2023132427A RU2023132427A RU2814810C1 RU 2814810 C1 RU2814810 C1 RU 2814810C1 RU 2023132427 A RU2023132427 A RU 2023132427A RU 2023132427 A RU2023132427 A RU 2023132427A RU 2814810 C1 RU2814810 C1 RU 2814810C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- microflakes
- perovskites
- perovskite
- photoabsorbing
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 23
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 11
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical group CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 9
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 8
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 6
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 6
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 5
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 claims description 4
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 229910009819 Ti3C2 Inorganic materials 0.000 abstract description 23
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 73
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 20
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 11
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012296 anti-solvent Substances 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 4
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 3
- STTGYIUESPWXOW-UHFFFAOYSA-N 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline Chemical compound C=12C=CC3=C(C=4C=CC=CC=4)C=C(C)N=C3C2=NC(C)=CC=1C1=CC=CC=C1 STTGYIUESPWXOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DHDHJYNTEFLIHY-UHFFFAOYSA-N 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=CC=NC2=C1C=CC1=C(C=3C=CC=CC=3)C=CN=C21 DHDHJYNTEFLIHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical group 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Substances ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 2
- 239000011877 solvent mixture Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N Formamidine Chemical compound NC=N PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000761456 Nops Species 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- LEBNOLJDIRXMJN-UHFFFAOYSA-N [Pb].[I] Chemical compound [Pb].[I] LEBNOLJDIRXMJN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Substances CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 150000001767 cationic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 229910001411 inorganic cation Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-N mono-methylamine Natural products NC BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 108010020615 nociceptin receptor Proteins 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003283 slot draw process Methods 0.000 description 1
- 239000005361 soda-lime glass Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения преобразователей энергии (солнечных элементов и фотодиодов) на основе галогенидных перовскитов, имеющих в структуре фотоактивный слой, модифицированный микрочешуйками Ti3C2 в полимерной диэлектрической матрице.The invention relates to a technology for producing energy converters (solar cells and photodiodes) based on halide perovskites having in the structure a photoactive layer modified with Ti 3 C 2 microflakes in a polymer dielectric matrix.
Перовскитные фотоэлектрические преобразователи энергии (ФЭП) - это тип солнечных элементов, в которых в качестве светопоглощающего слоя используется гибридный органическо-неорганический материал на основе галогенидов свинца или олова. Галогенидные перовскиты - это класс материалов с общей формулой АВХ3, где А обычно представляет собой органический или неорганический катион, В - двухвалентный металл, такой как Pb или Sn, а X - галоидный ион, такой как Cl, Br или I. При использовании перовскитных ФЭП в качестве солнечных элементов возможно достижение высоких значений коэффициента полезного действия (КПД, от 20 до 25%), сопоставимого с аналогами на кристаллическом кремнии (c-Si). Однако существует серьезная проблема долговременной стабильности ФЭП на основе галогенидных перовскитов в эксплуатационных условиях, для которых характерно воздействие света высокой интенсивности (до 1000 Вт/м2) и нагрева (до 85°С). При высоких температурах молекула галогенидного перовскита может разлагаться, что приводит к образованию летучих компонентов (газы - метиламин или формамиддин) и потере структурной целостности. Также воздействие внешних факторов деградации приводит к формированию структурных дефектов, представленных вакансиями йода, дефектами замещения (йод - свинец, йод - органический катион) и пр. Заряженные ионные дефекты в галогенидных перовскитах мигрируют в электрическом поле, что ведет к обогащению интерфейсов с зарядо-транспортными слоями и электродами и электрохимической коррозии. Результатом описанных процессов является снижение КПД перовскитного ФЭП и критическое уменьшение вырабатываемой мощности, не позволяющие релевантно продолжительную эксплуатацию.Perovskite photovoltaic energy converters (PVCs) are a type of solar cell that uses a hybrid organic-inorganic material based on lead or tin halides as a light-absorbing layer. Halide perovskites are a class of materials with the general formula ABX3, where A is usually an organic or inorganic cation, B is a divalent metal such as Pb or Sn, and X is a halide ion such as Cl, Br or I. When using perovskite PV cells As solar cells, it is possible to achieve high values of efficiency (efficiency, from 20 to 25%), comparable to analogues based on crystalline silicon (c-Si). However, there is a serious problem with the long-term stability of PV cells based on halide perovskites under operating conditions characterized by exposure to high-intensity light (up to 1000 W/ m2 ) and heat (up to 85°C). At high temperatures, the halide perovskite molecule can decompose, resulting in the formation of volatile components (gases - methylamine or formamidine) and loss of structural integrity. Also, the impact of external degradation factors leads to the formation of structural defects represented by iodine vacancies, substitution defects (iodine - lead, iodine - organic cation), etc. Charged ionic defects in halide perovskites migrate in the electric field, which leads to enrichment of interfaces with charge-transport layers and electrodes and electrochemical corrosion. The result of the described processes is a decrease in the efficiency of the perovskite solar cell and a critical decrease in the generated power, which does not allow for relevant long-term operation.
Для преодоления этих проблем стабильности были предложены различные стратегии, включая использование пассивации и модификацию интерфейсов с зарядо-транспортными слоями, а также на границах зерен перовскитных фотопоглощающих пленок.To overcome these stability problems, various strategies have been proposed, including the use of passivation and modification of interfaces with charge transport layers as well as at grain boundaries of perovskite photoabsorbent films.
Известна технология получения перовсиктных солнечных элементов прямой архитектуры с буферным слоем на основе полиметил метакрилата [CN 110854272A, опублик. 21.11.2019], где описаны способы по использованию органического диэлектрика на интерфесе с электронно-зарядотранспортным слоем, позволяющим увеличить КПД и нивелировать эффекты гистерезиса.A known technology for producing perovsikt solar cells of direct architecture with a buffer layer based on polymethyl methacrylate [CN 110854272A, publ. 11.21.2019], which describes methods for using an organic dielectric at the interface with an electron charge transport layer, which allows increasing efficiency and leveling out hysteresis effects.
Недостатком данного способа является отсутствие данных по стабилизации достигнутых приборных характеристик.The disadvantage of this method is the lack of data on the stabilization of the achieved instrument characteristics.
Известна технология пассивации поверхности перовскитных слоев в структуре солнечных элементов [https://doi.org/10.1002/aenm.201801208 от 14.09.2018], в которой описан способ обработки поверхности перовскитного слоя смешанным композитом на основе полиметил метакрилата и фуллерена С60. Представленный способ позволяет получить существенный прирост в КПД, а также увеличить время жизни фотоносителей.The technology of passivation of the surface of perovskite layers in the structure of solar cells is known [https://doi.org/10.1002/aenm.201801208 dated September 14, 2018], which describes a method for treating the surface of a perovskite layer with a mixed composite based on polymethyl methacrylate and C60 fullerene. The presented method makes it possible to obtain a significant increase in efficiency, as well as to increase the lifetime of photocarriers.
Недостатком данного способа является отсутствие данных по возможной стабилизации устройств в эксплуатационных условиях.The disadvantage of this method is the lack of data on the possible stabilization of devices under operating conditions.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения перовскитного солнечного элемента для широкозонных перовскитов с полимерной прослойкой со стороны зарядо-транспортного слоя р-типа [https://doi.org/10.1038/s41598-020-79348-1 от 07.09.2020]. В работе представлен способ обработки поверхности перовсиктной пленки органическим диэлектриком, действующим как буфер для миграции ионных дефектов к анодному электроду. Представлены данные о стабилизации устройства в эксплуатационных условиях в период 300 часов.The closest to the claimed invention is a method for producing a perovskite solar cell for wide-gap perovskites with a polymer layer on the side of the p-type charge-transport layer [https://doi.org/10.1038/s41598-020-79348-1 from 09/07/2020]. The work presents a method for treating the surface of a perovsictic film with an organic dielectric, which acts as a buffer for the migration of ionic defects to the anode electrode. Data are presented on the stabilization of the device under operating conditions over a period of 300 hours.
Недостатком представленного способа является неполноценное подавление процессов коррозии, что отображается в снижении КПД в период менее 1000 ч.The disadvantage of the presented method is the inadequate suppression of corrosion processes, which is reflected in a decrease in efficiency in a period of less than 1000 hours.
Проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение КПД для ФЭП на основе галогенидных перовскитов в условиях воздействия внешних факторов деградации (повышенные температуры, воздействие света высокой интенсивности).The problem that this invention is aimed at solving is a decrease in efficiency for PV cells based on halide perovskites under conditions of exposure to external degradation factors (elevated temperatures, exposure to high-intensity light).
Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является повышение стабильности приборных характеристик ФЭП на основе галогенидных перовскитов при воздействии света и повышенных температур за счет применения фотоактивного слоя, модифицированного микрочешуйками Ti3C2 в полимерной диэлектрической матрице.The technical result achieved in the invention is to increase the stability of the device characteristics of solar cells based on halide perovskites when exposed to light and elevated temperatures through the use of a photoactive layer modified with Ti3C2 microflakes in a polymer dielectric matrix.
Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.
Способ получения фотоэлектрических преобразователей энергии на основе перовскитов заключается в том, что в фотопреобразователе, содержащем последовательно размещенные на подложке анодный электрод; селективно-транспортный слой р-типа проводимости, фотопоглощающий слой, селективно-транспортный слой n-типа проводимости, дырочно-блокирующий слой и катодный электрод, в фотоактивный слой добавляют микрочешуйки Ti3C2 в полимерной диэлектрической матрице.The method for producing photoelectric energy converters based on perovskites is that in a photoconverter containing an anode electrode placed in series on a substrate; a selective transport layer of p-type conductivity, a photoabsorbing layer, a selective transport layer of n-type conductivity, a hole-blocking layer and a cathode electrode; Ti3C2 microflakes in a polymer dielectric matrix are added to the photoactive layer.
Причем полимерная диэлектрическая матрица представляет собой прослойку сверхмолекулярного полиэтилена с молекулярной массой от 1.5 до 3.0 мл. а.е., в которой содержатся кластеры микрочешуек Ti3C2 на границах зерен перовскитного фотоактивного слоя.Moreover, the polymer dielectric matrix is a layer of supermolecular polyethylene with a molecular weight of 1.5 to 3.0 ml. a.u., which contains clusters of Ti 3 C 2 microflakes at the grain boundaries of the perovskite photoactive layer.
Кроме того модификация фотоактивного слоя реализуется при жидкофазной кристаллизации перовскитного раствора с добавлением суспензии микрочешуек Ti3C2 в соотношении 4% по объему, при этом суспензия получена порошка Ti3C2 в концентрации 0.2 мг/мл в среде раствора сверхмолекулярного полиэтилена концентрации 0.4 мг/мл в орто-ксилоле.In addition, modification of the photoactive layer is carried out by liquid-phase crystallization of a perovskite solution with the addition of a suspension of Ti3C2 microflakes in a ratio of 4% by volume, while the suspension is obtained of Ti3C2 powder at a concentration of 0.2 mg/ml in a solution of supermolecular polyethylene with a concentration of 0.4 mg/ml in ortho-xylene.
К тому же чистота порошка микрочешуек Ti3C2 должна быть не менее 99.5%, чистота материала сверхвысокомолекулярный полиэтилен должна быть не менее 99.0%.In addition, the purity of the Ti3C2 microflake powder must be no less than 99.5%, the purity of the ultra-high molecular weight polyethylene material must be no less than 99.0%.
Использование способа позволяет сформировать полимерную прослойку (матрицы) органического диэлектрика на границах зерен кристаллизованной перовскитной пленки, в которой содержатся кластеры микрочешуек Тi3С2. Формирование полимерной матрицы с кластерами микрочешуек Ti3C2 происходит во время проведения технологического процесса кристаллизации пленок на основе галогенидных перовскитов.Using the method makes it possible to form a polymer layer (matrix) of an organic dielectric at the grain boundaries of a crystallized perovskite film, which contains clusters of Ti 3 C 2 microflakes. The formation of a polymer matrix with clusters of Ti3C2 microflakes occurs during the technological process of crystallization of films based on halide perovskites.
При этом, для изготовления фотоактивного слоя на основе гибридных перовскитов используются жидкофазные методы нанесения - центрифугирование (спин коатинг), печать (струйная), скальпельное или слот дай вытягивание, спрей и пр. Для кристаллизации фотоактивных слоев на основе перовскитов применяются методы обработки антирастворителями, вакуумной обработки или воздействия воздушного потока с последующим отжигом.At the same time, to produce a photoactive layer based on hybrid perovskites, liquid-phase application methods are used - centrifugation (spin coating), printing (inkjet), scalpel or slot-draw, spray, etc. For the crystallization of photoactive layers based on perovskites, methods of treatment with anti-solvents, vacuum processing or exposure to air flow followed by annealing.
Модификация фотоактивного слоя на основе галогенидных перовскитов позволяет замедлить коррозионные процессы в структуре ФЭП путем подавления процессов миграции ионных дефектов и продуктов разложения перовскитной молекулы со стороны селективно-транспортного слоя n-типа и катодного электрода. Замедление химической коррозии на поверхности перовскитного фотоактивного слоя обеспечивается высокой стойкостью органического диэлектрика, а также пассивацией поверхностных состояний при образовании связей с низкоразмерным Ti3C2.Modification of the photoactive layer based on halide perovskites makes it possible to slow down corrosion processes in the PV structure by suppressing the processes of migration of ionic defects and decomposition products of the perovskite molecule from the n-type selective transport layer and the cathode electrode. The slowdown of chemical corrosion on the surface of the perovskite photoactive layer is ensured by the high resistance of the organic dielectric, as well as the passivation of surface states during the formation of bonds with low-dimensional Ti3C2.
Полимерная матрица на границах зерен фотоактивного слоя выполняет роль диффузионного буфера для ионных дефектов, а кластеры микрочешуек Ti3C2 осуществляют эффективный транспорт электронов через буфер.The polymer matrix at the grain boundaries of the photoactive layer acts as a diffusion buffer for ionic defects, and clusters of Ti 3 C 2 microflakes carry out efficient electron transport through the buffer.
Для получения суспензии Ti3C2 предварительно готовят смешанный раствор органического диэлектрика (сверхвысокомолекулярный полиэтилен) с низкомолекулярным полупроводником n- типа (C24H16N2 - Батофенантролин). Смешанный раствор получают в органических растворителях (орто-ксилол.). После получения раствора добавляют порошок микрочешуек Ti3C2 и проводят диспергирование путем ультразвуковой обработки.To obtain a Ti3C2 suspension, a mixed solution of an organic dielectric (ultra-high molecular weight polyethylene) with a low-molecular n-type semiconductor (C 24 H 16 N 2 - Bathophenanthroline) is first prepared. The mixed solution is prepared in organic solvents (ortho-xylene). After obtaining the solution, Ti3C2 microflake powder is added and dispersion is carried out by ultrasonic treatment.
Суспензию микрочешуек Ti3C2 добавляют в раствор галогенидных перовскитов в соотношении 4% по объему.A suspension of Ti3C2 microflakes is added to a solution of halide perovskites in a ratio of 4% by volume.
Чистота порошка микрочешуек Ti3C2 должна быть не менее 99.5%.The purity of Ti3C2 microflake powder must be at least 99.5%.
Чистота материала органического диэлектрика (сверхвысокомолекулярный полиэтилен) должна быть не менее 99.0%.The purity of the organic dielectric material (ultra-high molecular weight polyethylene) must be at least 99.0%.
Молекулярная масс органического диэлектрика должна находиться в диапазоне от 1.5 до 3 млн а.е.The molecular weight of the organic dielectric should be in the range from 1.5 to 3 million a.u.
Чистота материала органического полупроводника n-типа(C24H16N2 - Батофенантролин) должна быть не менее 98.0%.The purity of the n-type organic semiconductor material (C 24 H 16 N 2 - Bathophenanthroline) must be at least 98.0%.
Чистота органических растворителей (орто-ксилол) должна быть не менее 98.0%.The purity of organic solvents (ortho-xylene) must be at least 98.0%.
Принципиальным преимуществом изобретения является стабилизация приборных характеристик ФЭП на основе галогенидных перовскитов за счет модификации фотоактивного слоя микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице без проведения дополнительных технологических операций получения тонких пленок и обеспечивающего возможность масштабирования для промышленных процессов.The fundamental advantage of the invention is the stabilization of the device characteristics of solar cells based on halide perovskites due to modification of the photoactive layer with Ti3C2 microflakes in a polymer matrix without additional technological operations for producing thin films and providing the possibility of scaling for industrial processes.
Конечным результатом использования способа является увеличение времени работы ФЭП на основе галогенидных перовскитов с минимальным снижением приборных характеристик при воздействии внешних факторов деградации.The end result of using the method is an increase in the operating time of solar cells based on halide perovskites with a minimal decrease in device characteristics when exposed to external degradation factors.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена типовая схема фотопреобразователя на основе галогенидных перовскитов; на фиг. 2 представлена схема фотопреобразователя на основе галогенидных перовскитов с модифицированным фотоактивным слоем; на фиг. 3 - кривая вольтамперной характеристики типового перовскитного солнечного элемента; кривая вольтамперной характеристики перовскитных солнечных элементов с модифицированным фотоактивным слоем; на фиг. 4 - временные характеристики стабильности значений КПД при фото насыщении для ПСЭThe invention is illustrated by the drawing, where in FIG. Figure 1 shows a typical diagram of a photoconverter based on halide perovskites; in fig. Figure 2 shows a diagram of a photoconverter based on halide perovskites with a modified photoactive layer; in fig. 3 - current-voltage characteristic curve of a typical perovskite solar cell; current-voltage characteristic curve of perovskite solar cells with a modified photoactive layer; in fig. 4 - time characteristics of stability of efficiency values at photo saturation for PSE
На фиг. 1 представлен типовой фотопреобразователь на основе галогенидных перовскитов, который содержит последовательно размещенные на подложке 1, анодный электрод 2, селективно-транспортный слой р-типа проводимости 3, фотопоглощающий слой 4, селективно-транспортный слой n-типа проводимости 5, дырочно-блокирующий слой 6 и катодный электрод 7. Обозначение направления падающего света 8.In fig. Figure 1 shows a typical photoconverter based on halide perovskites, which contains an anode electrode 2, a selective transport layer of p-type conductivity 3, a photoabsorbing layer 4, a selective transport layer of n-type conductivity 5, and a hole-blocking layer 6, placed sequentially on a substrate 1. and cathode electrode 7. Indication of the direction of incident light 8.
На фиг. 2 представлен фотопреобразователь на основе галогенидных перовскитов, получаемый способом по изобретению, содержит последовательно размещенные на подложке 1, анодный электрод 2, селективно-транспортный слой р-типа проводимости 3, фотопоглощающий слой с микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице 9, селективно-транспортный слой n-типа проводимости 5, дырочно-блокирующий слой 7 и катодный электрод 7. Обозначение направление падающего света 8.In fig. Figure 2 shows a photoconverter based on halide perovskites, obtained by the method according to the invention, contains sequentially placed on a substrate 1, an anode electrode 2, a selective transport layer of p-type conductivity 3, a photoabsorbing layer with Ti3C2 microflakes in a polymer matrix 9, a selective transport layer n- conductivity type 5, hole-blocking layer 7 and cathode electrode 7. Designation direction of incident light 8.
Подложка 1, представляет собой несущую конструкцию, на которую нанесены все функциональные слои фотопреобразователя: стекло, пластики, кварц и прочие материалы с оптической прозрачностью.Substrate 1 is a supporting structure on which all the functional layers of the photoconverter are applied: glass, plastics, quartz and other materials with optical transparency.
Анодный электрод 2 представляет собой слой на основе проводящего материала, к которым относятся: In2O3:SnO2 (ITO, Al2O3: ZnO и его аналоги), тонкие слои металлов (Ag, Ni, Cu и пр.), слои низкоразмерных материалов (графен и аналогов в виде нанотрубок или нанопроволок). Анодный слой предназначен для сбора положительных зарядов-дырок, обладает оптической прозрачностью.The anode electrode 2 is a layer based on a conductive material, which includes: In 2 O 3 : SnO 2 (ITO, Al 2 O 3 : ZnO and its analogues), thin layers of metals (Ag, Ni, Cu, etc.), layers of low-dimensional materials (graphene and analogues in the form of nanotubes or nanowires). The anode layer is designed to collect positive charges-holes and has optical transparency.
Селективно-транспортный слой р-типа проводимости 3 представляет собой тонкопленочное покрытие на основе широкозонных оксидов (NiOx, CuOx и пр.) или органических полупроводников (Поли-3-гексил тиофена и пр.), обеспечивающих транспорт дырок, инжектированных из фото поглощающего слоя 4.Selective transport layer of p-type conductivity 3 is a thin-film coating based on wide-gap oxides (NiO x , CuO x , etc.) or organic semiconductors (Poly-3-hexyl thiophene, etc.), providing transport of holes injected from the photoabsorbing layer 4.
Фотопоглощающий слой 4 представляет собой тонкопленочное покрытие на основе галогенидных перовскитов, (общая хим. формула APbX3, где А является катионом в виде CH3NH3 + или (NH2)2СН+или С(NH2)3 +, прочих органических катионов, Cs+, Rb+или их смеси; X является анионом в виде Cl-, Br-, I- или их смеси).Photoabsorbing layer 4 is a thin-film coating based on halide perovskites (general chemical formula APbX 3 , where A is a cation in the form of CH 3 NH 3 + or (NH 2 ) 2 CH + or C(NH2) 3 + , other organic cations , Cs + , Rb + or mixtures thereof; X is an anion in the form of Cl - , Br - , I - or mixtures thereof).
Селективно-транспортный слой 5 представляет собой тонкопленочное покрытие n-типа проводимости на основе широкозонных оксидов (TiOx, SnOx и пр.), органических полупроводников (С60 и его аналогов, выполняющие роль транспортного материала), обеспечивающих транспорт электронов, инжектированных из фотопоглощающего слоя 4.Selective transport layer 5 is a thin-film coating of n-type conductivity based on wide-gap oxides (TiO x , SnO x , etc.), organic semiconductors (C 60 and its analogues, which act as a transport material), providing transport of electrons injected from the photoabsorbing material. layer 4.
Дырочно-блокирующий слой 6 представляет собой тонкопленочное покрытие на основе НОП, таких как батокупроин (2,9-диметил-4,7-дифенил-1,10-фенантролин, C26H20N2); бифен (4,7-дифенил-1,10-фенантролин, C24H16N2) и их аналоги, обладающих селективно-транспортными свойствами.The hole blocking layer 6 is a thin film coating based on NOPs such as bathocuproine (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, C 26 H 20 N 2 ); biphen (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, C 24 H 16 N 2 ) and their analogs with selective transport properties.
Катодный электрод 7, полученный ионно-лучевым методом и представляет собой слой на основе проводящего материала, к которым относятся: In2O3:SnO2 (ITO, Al2O3:ZnO и его аналоги), тонкие слои металлов (Ag, Ni, Cu и пр.).Cathode electrode 7, obtained by the ion beam method, is a layer based on a conductive material, which includes: In 2 O 3 : SnO 2 (ITO, Al 2 O 3 : ZnO and its analogues), thin layers of metals (Ag, Ni , Cu, etc.).
Направление падающего света на ФЭП показано стрелкой 8.The direction of the incident light on the photovoltaic cell is shown by arrow 8.
Фотопоглощающий слой 9, полученный способом по изобретению, представляет собой тонкопленочное покрытие на основе галогенидных перовскитов, (общая хим. формула APbX3, где А является катионом в виде CH3NH3 + или (NH2)2CH+ или С(NH2)3 +, прочих органических катионов, Cs+, Rb+или их смеси; X является анионом в виде Cl-, Br-, I- или их смеси) на поверхности которого сформирована полимерная матрица сверхмолекулярного полиэтилена с кластерами микрочешуек Ti3C2.The photoabsorbing layer 9 obtained by the method according to the invention is a thin film coating based on halide perovskites (general chemical formula APbX 3 , where A is a cation in the form of CH 3 NH 3 + or (NH 2 ) 2 CH + or C(NH2) 3 + , other organic cations, Cs + , Rb + or mixtures thereof; X is an anion in the form of Cl - , Br - , I - or a mixture thereof) on the surface of which a polymer matrix of supermolecular polyethylene with clusters of Ti3C2 microflakes is formed.
На фиг. 3 представлены кривые 10, 11 вольтамперные характеристики перовскитных солнечных элементов типовой структуры и полученных с добавлением в фотоактивный слой микрочешуек Ti3C2 в полимерной матрице соответственно.In fig. Figure 3 shows curves 10 and 11 of the current-voltage characteristics of perovskite solar cells of a standard structure and those obtained with the addition of Ti3C2 microflakes in a polymer matrix to the photoactive layer, respectively.
На фиг. 4 показаны кривая 12 изменения нормированного значения КПД во времени при постоянном нагреве до 80°С для типового перовскитного солнечного элемента при постоянном воздействии фотонасыщения (спектр 1,5 AM G, мощность 100 мВт/см2), влажности 60% и нагрева до 65°С; кривая 13 изменения нормированного значения КПД во времени при постоянном нагреве до 80°С для перовскитного солнечного элемента с добавлением микрочешуек Ti3C2 в полимерной матрице при постоянном воздействии фотонасыщения (спектр 1,5 AM G, мощность 100 мВт/см2), влажности 60% и нагрева до 65°С.In fig. Figure 4 shows curve 12 of changes in the normalized efficiency value over time with constant heating to 80°C for a typical perovskite solar cell under constant exposure to photosaturation (spectrum 1.5 AM G, power 100 mW/cm 2 ), humidity 60% and heating to 65° WITH; curve 13 of changes in the normalized efficiency value over time with constant heating to 80°C for a perovskite solar cell with the addition of Ti3C2 microflakes in a polymer matrix under constant exposure to photosaturation (spectrum 1.5 AM G, power 100 mW/cm2 ) , humidity 60% and heating up to 65°C.
ПримерExample
В примере показана возможность получения технического результата для тонкопленочных p-i-n структур перовскитных солнечных элементов при модификации фотоактивной слоя микро-чешуйками Ti3C2 в полимерной матрице. Достижение результата оценивалось при сравнении стабильности значений КПД для типового устройства перовскитного солнечного элемента (референс) и устройства, полученному по способу в данному изобретении.The example shows the possibility of obtaining a technical result for thin-film pin structures of perovskite solar cells by modifying the photoactive layer with Ti 3 C 2 micro-flakes in a polymer matrix. The achievement of the result was assessed by comparing the stability of efficiency values for a typical perovskite solar cell device (reference) and a device obtained using the method in this invention.
Типовой перовскитный солнечных элемент (ПСЭ) изготавливается в конфигурации p-i-n структуры в соответствии с фиг. 1. Перовскитный солнечных элемент, полученный способом по изобретению, изготавливается в конфигурации p-i-n структуры в соответствии с фиг. 2.A typical perovskite solar cell (PSC) is fabricated in a p-i-n structure configuration according to FIG. 1. A perovskite solar cell produced by the method of the invention is manufactured in a p-i-n structure configuration according to FIG. 2.
Приборная структура ПСЭ изготавливается на подложках из стекла марки Soda Lime (толщина 1.1 мм) с покрытием ITO, которое выполняет роль анодного электрода. Значения поверхностного электрического сопротивления покрытия ITO равны 15 Ом/кв.The PSE device structure is fabricated on Soda Lime glass substrates (1.1 mm thick) with an ITO coating, which acts as an anode electrode. The surface electrical resistance of the ITO coating is 15 Ohm/sq.
Подложки из стекла с покрытием ITO очищаются от органических загрязнений и пыли при ультразвуковой обработке в течение 20 минут в органических растворителях - ацетоне и изопропаноле особой чистоты (>99.8%).Glass substrates coated with ITO are cleaned of organic contaminants and dust by ultrasonic treatment for 20 minutes in organic solvents - acetone and isopropanol of special purity (>99.8%).
Далее для подложек из стекла с покрытием ITO производится обработка глубоким ультрафиолетом (длина волны излучения 210 нм), которая обеспечивает гидрофильность поверхности перед жидкофазным нанесением тонких пленок.Subsequently, ITO-coated glass substrates are subjected to deep ultraviolet treatment (wavelength 210 nm), which ensures the hydrophilicity of the surface before liquid-phase deposition of thin films.
Для жидкофазного получения р-транспортного слоя NiOx используется раствор хлорида никеля (NiCl2, чистота 99.9%), полученный при растворении соли в концентрации 20 мг/мл в деионизованой воде.For the liquid-phase preparation of the NiO x p-transport layer, a solution of nickel chloride (NiCl 2 , purity 99.9%) is used, obtained by dissolving the salt at a concentration of 20 mg/ml in deionized water.
Формирование р-транспортного слоя NiOx происходит при нанесении раствора NiCl2 на стеклянные подложки с покрытием ITO методом центрифугирования (спинкоатинга) в воздушной атмосфере. Центрифугирование происходит при скорости вращения подложки 1500 Оборотов/с в течение 60 секунд. После этого подложки с нанесенным покрытием отжигаются при 300°С в течение одного часа. Толщина полученного слоя NiOx составляет 40 нм.The formation of the NiO x p-transport layer occurs when a NiCl 2 solution is applied to glass substrates coated with ITO by centrifugation (spincoating) in an air atmosphere. Centrifugation occurs at a substrate rotation speed of 1500 Revolutions/s for 60 seconds. After this, the coated substrates are annealed at 300°C for one hour. The thickness of the resulting NiO x layer is 40 nm.
Для референсного перовскитного солнечного элемента фотопоглощающий слой представляет собой тонкую пленку галогенидного перовскита с химическим составом Cs0.2(CH3(NH2)2)0.8PbI3 (далее CsFAPbI3). Фотопоглощающий слой получают жидкофазным нанесением раствора перовскита методом центрифугирования, обработкой антирастворителем и термическим отжигом. Раствор перовскита с концентрацией 1.4 М получают в смеси растворителей диметилформамид (ДМФА, 99.8%, обезвоженный) / диметилсульфоксид (ДМСО,99.9%, обезвоженный) объемного соотношения 4:1 при растворении солей CsI (чистота 99.999%), СН3(NH2)2I (чистота 99.99%) и PbI2 (чистота 99.999%) в молярном соотношении 0,2:0,8:1 соответственно. Для полного растворения солей в перовскитном растворе выполняется нагрев раствора при 70°С в течение 4 часов. Перед нанесением фотопоглощающего слоя CsFAPbI3, перовскитный раствор фильтруется через тефлонный фильтр с пористостью 0,45 мкм. Формирование фотопоглощающего слоя CsFAPbI3 происходит при нанесении перовскитного раствора поверх р-транспортного слоя NiOx на стеклянной подложке с покрытием ITO методом центрифугирования в инертной среде аргона. Процесс центрифугирования происходит при скорости вращения подложки 5000 об/мин в течение 1 минуты. Для инициирования процесса кристаллизации фотопоглощающего слоя из раствора во время центрифугирования подложка покрывается антирастворителем - хлорбензолом (чистота 99,8%, обезвоженный). Отжиг пленки происходит при температуре 100°С в течение 10 минут. Толщина полученного фотопоглощающего слоя составляет 450 нм.For a reference perovskite solar cell, the photoabsorbing layer is a thin film of halide perovskite with the chemical composition Cs 0.2 (CH 3 (NH 2 ) 2 ) 0.8 PbI 3 (hereinafter CsFAPbI 3 ). The photoabsorbing layer is obtained by liquid-phase deposition of a perovskite solution by centrifugation, treatment with an antisolvent and thermal annealing. A perovskite solution with a concentration of 1.4 M is prepared in a solvent mixture of dimethylformamide (DMF, 99.8%, anhydrous) / dimethyl sulfoxide (DMSO, 99.9%, anhydrous) in a volume ratio of 4:1 with the dissolution of CsI salts (purity 99.999%), CH 3 (NH2) 2 I (purity 99.99%) and PbI 2 (purity 99.999%) in a molar ratio of 0.2:0.8:1, respectively. To completely dissolve the salts in the perovskite solution, the solution is heated at 70°C for 4 hours. Before applying the CsFAPbI 3 photoabsorbing layer, the perovskite solution is filtered through a Teflon filter with a porosity of 0.45 μm. The formation of a photoabsorbing layer of CsFAPbI 3 occurs when a perovskite solution is deposited on top of a NiO x p-transport layer on a glass substrate coated with ITO by centrifugation in an inert argon environment. The centrifugation process occurs at a substrate rotation speed of 5000 rpm for 1 minute. To initiate the process of crystallization of the photoabsorbent layer from solution during centrifugation, the substrate is coated with an antisolvent - chlorobenzene (purity 99.8%, dehydrated). The film is annealed at a temperature of 100°C for 10 minutes. The thickness of the resulting photoabsorbing layer is 450 nm.
Для перовскитного солнечного элемента, полученного способом по изобретению, фотопоглощающий слой представляет собой тонкую пленку галогенидного перовскита состава Cs0.2(CH3(NH2)2)0.8PbI3, модифицированного микро-чешуйками Ti3C2 в полимерной матрице сверхмолекулярного полиэтилена. Отдельно готовится раствор сверхмолекулярного полиэтилена в концентрации 0.7 мг/мл в орто-ксилоле. Для обеспечения растворения сверхмолекулярного полиэтилена процесс длится не менее 72 часов при температуре 80°С. После этого в раствор вводится порошок Ti3C2 в концентрации 0.2 мг/мл совместно с низкомолекулярным батофенантролином (C24H16N2), обеспечивающим расшелушивание порошка в микрочешуйки. Далее проводится обработка ультразвуком в течение 2 часов до образования устойчивой суспензии.For a perovskite solar cell obtained by the method according to the invention, the photoabsorbing layer is a thin film of halide perovskite with the composition Cs 0.2 (CH 3 (NH 2 ) 2 ) 0.8 PbI 3 , modified with micro-flakes of Ti 3 C 2 in a polymer matrix of supermolecular polyethylene. Separately, a solution of supermolecular polyethylene is prepared at a concentration of 0.7 mg/ml in ortho-xylene. To ensure the dissolution of supermolecular polyethylene, the process lasts at least 72 hours at a temperature of 80°C. After this, Ti3C2 powder is added to the solution at a concentration of 0.2 mg/ml together with low molecular weight bathophenanthroline (C 24 H 16 N 2 ), which ensures exfoliation of the powder into microflakes. Next, ultrasound treatment is carried out for 2 hours until a stable suspension is formed.
Раствор перовскита с концентрацией 1.4 М получают в смеси растворителей диметилформамид (ДМФА, 99.8%, обезвоженный) / диметилсульфоксид (ДМСО,99.9%, обезвоженный) объемного соотношения 4:1 при растворении солей CsI (чистота 99.999%), CH3(NH2)2I (чистота 99.99%) и PbI2 (чистота 99.999%) в молярном соотношении 0,2:0,8:1 соответственно. Для полного растворения солей в перовскитном растворе выполняется нагрев раствора при 70°С в течение 4 часов.A perovskite solution with a concentration of 1.4 M is prepared in a solvent mixture of dimethylformamide (DMF, 99.8%, anhydrous) / dimethyl sulfoxide (DMSO, 99.9%, anhydrous) in a volume ratio of 4:1 with the dissolution of CsI salts (purity 99.999%), CH 3 (NH 2 ) 2 I (purity 99.99%) and PbI 2 (purity 99.999%) in a molar ratio of 0.2:0.8:1, respectively. To completely dissolve the salts in the perovskite solution, the solution is heated at 70°C for 4 hours.
Полученную суспензию Ti3C2 добавляют в исходный перовскитный раствор в содержании 4% по объему и проводят повторную ультразвуковую обработку.The resulting Ti3C2 suspension is added to the initial perovskite solution at a content of 4% by volume and repeated ultrasonic treatment is carried out.
Формирование фотопоглощающего слоя CsFAPbI3, модифицированного микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице сверхмолекулярного полиэтилена, происходит при нанесении поверх р-транспортного слоя NiOx на стеклянной подложке с покрытием ITO методом центрифугирования в инертной среде аргона. Процесс центрифугирования происходит при скорости вращения подложки 5000 об/мин в течение 1 минуты. Для инициирования процесса кристаллизации фотопоглощающего слоя из раствора во время центрифугирования подложка покрывается антирастворителем - хлорбензолом (чистота 99,8%, обезвоженный). Отжиг пленки происходит при температуре 100°С в течение 10 минут. Толщина полученного фотопоглощающего слоя составляет 470 нм.The formation of a photoabsorbing layer of CsFAPbI 3 , modified with Ti 3 C 2 microflakes in a polymer matrix of supermolecular polyethylene, occurs when applied over a p-transport layer of NiO x on a glass substrate with an ITO coating by centrifugation in an inert argon environment. The centrifugation process occurs at a substrate rotation speed of 5000 rpm for 1 minute. To initiate the process of crystallization of the photoabsorbent layer from the solution during centrifugation, the substrate is coated with an antisolvent - chlorobenzene (purity 99.8%, dehydrated). The film is annealed at a temperature of 100°C for 10 minutes. The thickness of the resulting photoabsorbing layer is 470 nm.
N - транспортный слой представляет собой тонкую пленку органического полупроводника С60, который наносится поверх фото поглощающего слоя CsFAPbI3. N-транспортный слой выполняется терморезистивным напылением порошка С60 (чистота 99.9%) в глубоком вакууме при давлении 10-3 Па и скорости нанесения 0.02 нм/с.Толщина полученного слоя С60о составляет 40 нм.The N-transport layer is a thin film of organic semiconductor C60 , which is deposited on top of the photoabsorbing layer CsFAPbI3 . The N-transport layer is performed by thermoresistive spraying of C 60 powder (99.9% purity) in high vacuum at a pressure of 10 -3 Pa and an application speed of 0.02 nm/s. The thickness of the resulting C 60 o layer is 40 nm.
Катодный электрод из меди (Cu) выполняется терморезистивным методом в вакууме через теневые маски со скоростью 0.1 нм/с для формирования приборной структуры с фотоактивной областью заданной площади 0,14 см2.A cathode electrode made of copper (Cu) is made by the thermistive method in a vacuum through shadow masks at a speed of 0.1 nm/s to form a device structure with a photoactive region of a given area of 0.14 cm 2 .
Критерием достижения технического результата являлось изменение приборных характеристик (Vxx, Iкз, ФЗ, КПД).The criterion for achieving a technical result was a change in instrument characteristics (V xx , I short , FZ, efficiency).
Для оценки изменений приборных характеристик на изготовленных ПСЭ измерялись ВАХ при стандартных условиях спектра падающего света 1,5 AM G, мощности падающего света 100 мВт/см2, соответствии спектра источника солнечного имитатора класса AAA и калибровки по эталонному фотопреобразователю, влажности 60% и нагрева до 65°С.To assess changes in the instrument characteristics of the manufactured PSCs, the current-voltage characteristics were measured under standard conditions of an incident light spectrum of 1.5 AM G, an incident light power of 100 mW/ cm2 , compliance with the spectrum of a class AAA solar simulator source and calibration against a reference photoconverter, humidity 60% and heating to 65°C.
Достижение технического результата определялось при сравнении с конфигурацией устройств референсной конфигурации и содержащих фотоактивный слой, модифицированный микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице.The achievement of a technical result was determined by comparison with the configuration of devices with a reference configuration and containing a photoactive layer modified with Ti3C2 microflakes in a polymer matrix.
Приборные характеристики ПСЭ, изготовленные в соответствии с примером 1, представлены в таблице 1, фиг. 3.The instrument characteristics of the PSE, manufactured in accordance with example 1, are presented in Table 1, Fig. 3.
Анализ данных приборных характеристик pin солнечных элементов, полученных в соответствии с примером 1, демонстрирует, что в случае использовании фотоактивного слоя, модифицированный микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице происходит повышение приборных характеристик. Для типового перовскитного солнечного элемента были зафиксированы следующие приборные характеристики: напряжение холостого хода (Vxx) - 1.08 В, плотность тока короткого замыкания - 21.41 мА/см2, фактор заполнения - 77%, КПД - 17.97%.Analysis of the instrument characteristics of pin solar cells obtained in accordance with example 1 demonstrates that in the case of using a photoactive layer modified with Ti3C2 microflakes in the polymer matrix, the instrument characteristics increase. For a typical perovskite solar cell, the following instrument characteristics were recorded: open circuit voltage (Vxx) - 1.08 V, short circuit current density - 21.41 mA/cm 2 , fill factor - 77%, efficiency - 17.97%.
Получение перовскитных солнечных элементов способом по изобретению ведет к повышению плотности тока короткого замыкания на 4,2% (до 22.22 мА/см2) и КПД на 3.7% (до 18.57%). Таким образом можно заключить, что проведение данного технологического процесса ведет к повышению эффективности сбора фотоносителей в солнечном элементе, выраженном в приросте фототока.The production of perovskite solar cells by the method according to the invention leads to an increase in the short-circuit current density by 4.2% (up to 22.22 mA/cm 2 ) and efficiency by 3.7% (up to 18.57%). Thus, we can conclude that carrying out this technological process leads to an increase in the efficiency of photocarrier collection in the solar cell, expressed in the increase in photocurrent.
Для оценки изменений приборных характеристик на изготовленных ПСЭ измерялись ВАХ при стандартных условиях спектра падающего света 1,5 AM G, мощности падающего света 100 мВт/см2, соответствии спектра источника солнечного имитатора класса AAA и калибровки по эталонному фотопреобразователю.To assess changes in the instrumental characteristics of the manufactured PSCs, the current-voltage characteristics were measured under standard conditions of the incident light spectrum of 1.5 AM G, the incident light power of 100 mW/ cm2 , the correspondence of the spectrum of the AAA class solar simulator source and calibration against a reference photoconverter.
Для оценки стабильности значений КПД при постоянном освещении (фотонасыщении) ПСЭ выдерживались под светом спектра 1,5 AM G, мощности падающего света 100 мВт/см2 без электрической нагрузки (режим холостого хода). Изменения значения КПД оценивались по измерениям ВАХ с периодичностью не менее 72 часа. Проведение испытаний проводилось в помещении с атмосферой воздуха и температурой окружающей среды 65±2°С. Стабильность значений КПД для ПСЭ оценивалась по реперным точкам времени - спустя 142, 568 и 1000 часов после начала испытаний на стабильность.To assess the stability of efficiency values under constant illumination (photosaturation), PSCs were exposed to light of the 1.5 AM G spectrum, with an incident light power of 100 mW/cm 2 without an electrical load (idle mode). Changes in the efficiency value were assessed by measuring the current-voltage characteristics with a periodicity of at least 72 hours. The tests were carried out in a room with an air atmosphere and an ambient temperature of 65±2°C. The stability of efficiency values for PSE was assessed using reference time points - 142, 568 and 1000 hours after the start of stability tests.
Временные характеристики стабильности значений КПД при фото насыщении для ПСЭ, изготовленных в соответствии с примером 1, представлены на фиг. 4.The time characteristics of the stability of efficiency values at photo saturation for PSCs manufactured in accordance with example 1 are presented in Fig. 4.
Для типовых перовскитных солнечных элементов (кривая изменений нормализованных значений КПД - 12 на фиг. 4) потери КПД, вызванные необратимыми процессами коррозии для приборной структуры без инкапсуляции составили:For typical perovskite solar cells (the curve of changes in normalized efficiency values - 12 in Fig. 4), the efficiency losses caused by irreversible corrosion processes for a device structure without encapsulation were:
Спустя 142 часа воздействия освещения, нагрева и влажности - прирост на 5.2% относительно начальных значений;After 142 hours of exposure to lighting, heat and humidity - an increase of 5.2% relative to the initial values;
Спустя 568 часов воздействия освещения, нагрева и влажности - (-6.0) % относительно начальных значений;After 568 hours of exposure to lighting, heat and humidity - (-6.0)% relative to the initial values;
Спустя 1000 часов воздействия освещения, нагрева и влажности - (-21.0) % относительно начальных значений.After 1000 hours of exposure to lighting, heat and humidity - (-21.0)% relative to the initial values.
Для перовскитных солнечных элементов, модифицированный микрочешуйками Ti3C2 в полимерной матрице (кривая изменений нормализованных значений КПД - 13),:For perovskite solar cells modified with Ti3C2 microflakes in a polymer matrix (curve of changes in normalized efficiency values - 13):
Спустя 142 часа воздействия освещения, нагрева и влажности - прирост на 4.3% относительно начальных значений;After 142 hours of exposure to lighting, heat and humidity - an increase of 4.3% relative to the initial values;
Спустя 568 часов воздействия освещения, нагрева и влажности - (-0.2) % относительно начальных значений;After 568 hours of exposure to lighting, heat and humidity - (-0.2)% relative to the initial values;
Спустя 1000 часов воздействия освещения, нагрева и влажности - (-1.1) % относительно начальных значений.After 1000 hours of exposure to lighting, heat and humidity - (-1.1)% relative to the initial values.
Таким образом, достижение технического результата данного изобретения по примеру 1 по крайней реперной точке испытаний в 1000 часов демонстрирует многократное увеличение стабильности основной приборной характеристик в соответствии к рассчитанным потерям.Thus, the achievement of the technical result of this invention according to example 1 at the extreme test reference point of 1000 hours demonstrates a multiple increase in the stability of the main instrument characteristics in accordance with the calculated losses.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814810C1 true RU2814810C1 (en) | 2024-03-04 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2994926A1 (en) * | 2013-05-06 | 2016-03-16 | Greatcell Solar S.A. | Organic-inorganic perovskite based solar cell |
| WO2017200732A1 (en) * | 2016-05-20 | 2017-11-23 | Brown University | Method for manufacturing perovskite solar cells and multijunction photovoltaics |
| WO2018005749A1 (en) * | 2016-06-29 | 2018-01-04 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Methods for making perovskite solar cells having improved hole-transport layers |
| RU2697573C2 (en) * | 2014-12-23 | 2019-08-15 | Недерландсе Органисати Вор Тугепаст-Натюрветенсхаппелейк Ондерзук Тно | Method of making device of thin-film solar cells and such device of thin-film solar cells |
| CN106784328B (en) * | 2016-12-31 | 2020-05-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | High-performance perovskite thin film, preparation method thereof and solar cell |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2994926A1 (en) * | 2013-05-06 | 2016-03-16 | Greatcell Solar S.A. | Organic-inorganic perovskite based solar cell |
| RU2697573C2 (en) * | 2014-12-23 | 2019-08-15 | Недерландсе Органисати Вор Тугепаст-Натюрветенсхаппелейк Ондерзук Тно | Method of making device of thin-film solar cells and such device of thin-film solar cells |
| WO2017200732A1 (en) * | 2016-05-20 | 2017-11-23 | Brown University | Method for manufacturing perovskite solar cells and multijunction photovoltaics |
| WO2018005749A1 (en) * | 2016-06-29 | 2018-01-04 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Methods for making perovskite solar cells having improved hole-transport layers |
| CN106784328B (en) * | 2016-12-31 | 2020-05-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | High-performance perovskite thin film, preparation method thereof and solar cell |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FERDOWSI, PARNIAN ET AL. "ULTRATHIN POLYMERIC FILMS FOR INTERFACIAL PASSIVATION IN WIDE BAND-GAP PEROVSKITE SOLAR CELLS", SCIENTIFIC REPORTS, v. 10(1), p.22260, 2020. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Asghar et al. | Device stability of perovskite solar cells–A review | |
| Zhao et al. | Organic–inorganic hybrid lead halide perovskites for optoelectronic and electronic applications | |
| Song et al. | HC (NH 2) 2 PbI 3 as a thermally stable absorber for efficient ZnO-based perovskite solar cells | |
| EP3565015A1 (en) | Solar cell, light-absorbing layer, and method for forming light-absorbing layer | |
| EP3381070A1 (en) | Mixed cation perovskite | |
| Upama et al. | Role of fullerene electron transport layer on the morphology and optoelectronic properties of perovskite solar cells | |
| Kang et al. | Fabrication and degradation analysis of perovskite solar cells with graphene reduced oxide as hole transporting layer | |
| JP7232032B2 (en) | solar cell | |
| Jin et al. | Additive engineering induced perovskite crystal growth for high performance perovskite solar cells | |
| JP7088837B2 (en) | Solar cell | |
| Wang et al. | Influence of a compact CdS layer on the photovoltaic performance of perovskite-based solar cells | |
| JP7213557B2 (en) | Perovskite compound and light conversion device using the same | |
| WO2018068101A1 (en) | A method of forming a light absorbing perovskite layer for a photovoltaic cell and a photovoltaic cell comprising the light absorbing perovskite layer | |
| Wu et al. | Enhanced photovoltaic performance of perovskite solar cells by tuning alkaline earth metal-doped perovskite-structured absorber and metal-doped TiO2 hole blocking layer | |
| Wang et al. | Perovskite solar cells based on the synergy between carbon electrodes and polyethylene glycol additive with excellent stability | |
| Khorasani et al. | Application of combinative TiO2nanorods and nanoparticles layer as the electron transport film in highly efficient mixed halides perovskite solar cells | |
| Mathur et al. | Hydrophobic–Hydrophilic Block Copolymer Mediated Tuning of Halide Perovskite Photosensitive Device Stability and Efficiency | |
| WO2024109424A1 (en) | Additive and use method therefor | |
| Imran et al. | Highly efficient and stable inverted perovskite solar cells with two-dimensional ZnSe deposited using a thermal evaporator for electron collection | |
| Pathak et al. | Review on scanning probe microscopy analysis for perovskite materials and solar cells | |
| RU2814810C1 (en) | Method of producing photoelectric energy transducers based on perovskites | |
| Burgos et al. | Electrodeposition of ZnO nanorods as electron transport layer in a mixed halide perovskite solar cell | |
| Stockhausen et al. | Insights in perovskite solar cell fabrication: unraveling the hidden challenges of each layer | |
| US20180226203A1 (en) | Light-absorbing material containing perovskite compound, and perovskite solar cell including the same | |
| WO2023091046A1 (en) | Method of fabricating thin-film semiconductor photovoltaic converters |