MAPbI3ペロブスカイト太陽電池構造における斜め角度スパッタITO電極の効果

背景

インジウムスズ酸化物（ITO）は、酸化インジウム（In ₂ ）を含む透明な導電性材料です。 O ₃ ）および酸化スズ（SnO ₂ ）。約96 ％の透明度により、液晶ディスプレイ、発光ダイオード、太陽電池に広く使用されています。 導電率は約10Ω/ sqです[1,2,3,4,5]。さまざまなガス比と動作圧力でのアニーリングとスパッタリングを含む、ITO膜の抵抗と透過率を改善するためのいくつかの方法が研究されてきました[5、6、7、8]。斜めにスパッタされたITO膜の光電子特性が報告されています[9、10]。 ITO膜が堆積されると、影の効果により、基板上にある角度で傾斜した柱状構造を持つ膜として成長します。柱状ITOフィルムは、異なる形態、異方性光学特性、および異方性抵抗率を示します[10]。

最近、CH ₃ などのペロブスカイト材料を使用した太陽電池 NH ₃ PbI ₃ 、活性層は、その好ましい電力変換効率のために多くの関心を集めている[11、12、13、14、15、16、17、18]。ほとんどのペロブスカイト太陽電池は、基板としてITOやFTO（フッ素ドープ酸化スズ）などの透明導電性酸化物（TCO）ガラスを備えています。ただし、等方性TCOフィルムの光電子特性は、異方性TCOフィルムの光電子特性とは異なります。したがって、この作業では、CH ₃ を使用して平面ペロブスカイト太陽電池を開発します。 NH ₃ PbI ₃ （MAPbI ₃ ）視射角堆積（GLAD）が準備された斜めITO基板上のペロブスカイト。この調査では、MAPbI ₃ の光学的、構造的、および表面特性を調べます。 さまざまな温度でアニールされ、さまざまな時間スパッタされた斜めITO基板上のペロブスカイト膜。ペロブスカイト太陽電池の性能とペロブスカイト膜の特性との関係について説明します。

メソッド

この調査では、ITOガラスを1.5×1.5 cm ² のサイズの小片にカットしました。 基板として使用できます。 ITOガラス基板は、アセトン、エタノール、および脱イオン（DI）水を超音波発振器で5分間使用して完全に洗浄し、窒素で乾燥させました。図1aに示すように、ITOターゲットを使用してさまざまな斜めの角度でスパッタリングすることにより、ITOフィルムをITOガラス基板上に堆積させました。作動ガスと圧力は、それぞれ純アルゴンと5mTorrでした。堆積後、フィルムを300°Cで30分間アニーリングしました。

a 完成した構造と斜めスパッタリングシステムの概略断面図。 b 30°傾斜したスパッタ斜めITOを使用したサンプルの断面FESEM画像

ペロブスカイト太陽電池には、斜めにスパッタされたITO膜でコーティングされたガラス基板を使用しました。 PEDOT：PSSフィルムは、斜めのITOガラス基板を5000rpmで30秒間スピンコーティングすることによって作成されました。スピンコーティング後、フィルムを110°Cで10分間アニーリングしました。ペロブスカイト層は、2段階のスピンコーティングを使用して、1000 rpmで10秒間、5000 rpmで20秒間、PEDOT：PSS /斜めITOガラス基板上に堆積されました。 5000 rpmで20秒間のステップ中に、100μlの無水トルエンをその上に滴下することにより、湿式紡糸フィルムをクエンチしました。ペロブスカイト前駆体溶液は、1.25ミリモルの臭化メチルアンモニウムと1.25ミリモルのPbI ₂ を使用して調製しました。 （純度99.999％）1mLの共溶媒に溶解しました。ジメチルスルホキシド（DMSO）とγ-ブチロラクトン（GBL）の体積比は1：1でした。スピンコーティング後、フィルムを100°Cで10分間アニーリングしました。次に[6,6]-フェニル-C ₆₁ -酪酸メチルエステル（PCBM）をクロロベンゼン（20 mg / mL）に溶解し、ペロブスカイト層に3000 rpmで30秒間スピンコートし、電子伝達層として厚さ50nmの膜を形成しました。最後に、厚さ20 nmのAg電極を熱蒸着によって蒸着し、デバイスの構造を完成させました。サンプルは、堆積中に0.5cm×0.2cmのアクティブ領域を定義するシャドウマスクで覆われていました。図1aは、完全な構造を概略的に示しています。図1bは、30°傾斜した斜めにスパッタされたITOを使用したサンプルの断面FESEM画像を示しています。

結果と考察

フィルムの結晶性微細構造は、X線回折計を使用して観察された。電界放出型走査電子顕微鏡（FESEM）を使用して、サンプルの表面形態を観察しました。電流密度-電圧（ J – V ）太陽電池の特性は、1000Wキセノンランプの照射下でKeithley2420プログラマブルソースメーターを使用して測定されました。セル表面の照射パワー密度は1000W / m ² に校正されました。 。

図2は、MAPbI ₃ のXRDパターンを示しています。 さまざまな斜めの角度でのPEDOT：PSS /斜めITO層/ガラス上のペロブスカイトフィルム。 14.28°、28.5°、30.61°、および31.93°の4つの平均ピークは、（110）ペロブスカイト、（220）ペロブスカイト、（110）SnO ₂ に対応します。 、および（222）In ₂ O ₃ それぞれ平面。スパッタリング角度が0°から60°に増加すると、（110）SnO ₂ Sn原子の取り込みによって形成されます。結晶ドメインのサイズは、Scherrerの式[19]を使用して計算できます。 MAPbI ₃ の結晶ドメインのサイズ サンプルのペロブスカイトフィルムは約71.8nmです。したがって、MAPbI ₃ の結晶ドメインのサイズ ペロブスカイトは斜めITO層の影響を受けません。

MAPbI ₃ のXRDパターン PEDOT：PSS /斜めITO層/ガラス上のさまざまな斜角のペロブスカイトフィルム

図3は、MAPbI ₃ のSEM画像を示しています。 さまざまな斜め角度の斜めITO層/ガラス上のペロブスカイトフィルム。 MAPbI ₃ の粒子（または粒子）サイズ ペロブスカイト膜は、0°から80°までの斜めのスパッタリング角度で増加し、ITOの表面特性がペロブスカイト核生成サイトの数に影響を与えることを示しています。 ITOはペロブスカイト薄膜と直接接触しておらず、PEDOT：PSS薄膜がITOとペロブスカイトの間に挿入されているため、ITOの表面特性がペロブスカイト薄膜の特性に直接影響を与えることはありません。したがって、PEDOT：PSS薄膜の湿潤性[20]は、ITOの表面特性に関係しています。したがって、MAPbI ₃ のさまざまな粒子サイズ ペロブスカイト膜は、基板の湿潤性に関係している可能性があります[21、22]。図4に示すように、水滴の接触角に関する実験を行って、さまざまなITO /ガラスサンプル上のPEDOT：PSS薄膜の湿潤性を評価しました。接触角は、 MAPbI ₃ 薄膜、MAPbI ₃ の核形成と結晶成長を示します 薄膜は、PEDOT：PSS /斜めITO /ガラスの表面湿潤性を変えることで制御できます。図5に示すように、PEDOT：PSS /斜めITO /ガラスサンプルの表面湿潤性の変化を理解するために、斜めITO /ガラスサンプルの接触角画像を取得しました。PEDOT：PSS /斜めITO /の湿潤性ガラスサンプルは斜めITO /ガラスサンプルの湿潤性に反比例するため、斜めITO /ガラスサンプルの表面湿潤性を変えることにより、親水性PSSポリマーと疎水性PEDOTポリマーの垂直分布を操作できます。 PSSポリマーは、基板の表面が疎水性である場合（図5a）、主にPEDOT：PSS薄膜の上面に分布し、PEDOT：PSS薄膜の水滴接触角が小さくなることが示唆されています（図5a）。 4a）。実験結果（XRDおよびSEM）は、MAPbI ₃ 粒子は多結晶MAPbI ₃ 粒子[23]。

a – d MAPbI ₃ のSEM画像 PEDOT：PSS /斜めITO層/ガラス上のさまざまな斜角のペロブスカイトフィルム

a – d さまざまな斜角でのPEDOT：PSS /斜めITO層/ガラス上の水の接触角を示す画像。 CAの接触角

a – d さまざまな斜めの角度での斜めのITO層/ガラス上の水の接触角を示す画像

図6は、MAPbI ₃ のフォトルミネッセンス（PL）スペクトルを示しています。 さまざまな斜角用のPEDOT：PSS /斜めITO /ガラス上のペロブスカイトフィルム。 MAPbI ₃ による発光に対応して、768nmに1つの主要なピークが観察されます。 。この発見は、XRDの結果によって裏付けられています。 MAPbI ₃ のPL放出エネルギー ペロブスカイトは、斜めのITO層の下からは影響を受けません。さらに、光誘起励起子の分離の結果として、さまざまな斜めの角度でスパッタされたITO上のMAPbI3フィルムの異なるPL強度が得られました。 PEDOT：PSSとペロブスカイトの間のより良いインターフェースは、より良い励起子分離を提供し、より強いPL消光効果を誘発しました。したがって、図4に示すように、PEDOT：PSS /斜めITOの良好な表面湿潤性により、80°の傾斜角のITOは、ペロブスカイト層からPEDOT：PSSへの最高の励起子分離を示しました。

MAPbI ₃ のPLスペクトル PEDOT：PSS /斜めITO層/ガラス上のさまざまな斜角のペロブスカイトフィルム

図7は、電流密度-電圧（ J ）をプロットしたものです。 – V ）MAPbI ₃ に基づく太陽電池の曲線 さまざまな斜めの角度でスパッタされ、300°Cのアニーリング温度で熱処理される斜めのITO層を備えたペロブスカイト。スパッタリング時間は15分です。表1は、結果として得られる電力変換効率（Eff）、短絡電流密度（ J ）を示しています。 _sc ）、開回路電圧（ V _oc ）、およびMAPbI ₃ の曲線因子（FF） 太陽電池。斜めITO層の酸素含有量とその抵抗がスパッタリング角度とともに増加するため、デバイスの性能は、斜めITO層のスパッタリング角度が増加するにつれて低下します[10]。導電性が良好なため、斜め角度30°での蒸着後に最大の効率を達成できます。

電流密度-電圧（ J – V ）MAPbI ₃ に基づく太陽電池の さまざまな斜めの角度でスパッタされた斜めのITO層を備えたペロブスカイト

図8は、電流密度-電圧（ J ）をプロットしたものです。 – V ）MAPbI ₃ に基づく太陽電池の曲線 300°Cのアニーリング温度で熱処理を行う前に、斜めのITO層をさまざまなスパッタリング時間でスパッタリングしたペロブスカイト。表2は、対応する電力変換効率（Eff）、短絡電流密度（ J ）を示しています。 _sc ）、開回路電圧（ V _oc ）、およびMAPbI ₃ の曲線因子（FF） 太陽電池。斜めITO層のスパッタリング時間が15分である場合、層の厚さとその優れた導電性により、最適な効率が達成されます。 J を使用して、この堆積角度を使用して最良のデバイスが得られます。 _SC =20.46 mA / cm ² 、 V _OC =0.92 V、FF =60.00％、Eff =11.30％。

電流密度-電圧（ J – V ）MAPbI ₃ に基づく太陽電池の さまざまなスパッタリング時間でスパッタされた斜めITO層を備えたペロブスカイト

結論

要約すると、この作業はMAPbI ₃ の特性を示しました さまざまなスパッタリング時間とスパッタリング角度を使用して製造されたPEDOT：PSS /斜めスパッタITO /ガラス基板上のペロブスカイト膜。デバイスの性能は、短絡電流密度（ J 、30°で15分間のスパッタリングによって準備された斜めのITO層を使用して最適化されました。 _SC ）=20.46 mA / cm ² 、開回路電圧（ V _OC ）=0.92 V、曲線因子（FF）=66.0％、電力変換効率（Eff）=11.3％。デバイスの抵抗はスパッタリング角度とともに増加するため、斜めITO層のスパッタリング角度が30°から80°に増加すると、デバイスの性能が低下します。斜めのITO層は入射光の散乱を改善しますが、抵抗率が高いとデバイスの性能が低下します。したがって、導電性により斜め角度30°で蒸着することで最適な効率を実現できます。

略語

FESEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

GLAD：

視射角沈着

ITO：

インジウムスズ酸化物

J – V ：

電流密度-電圧

MAPbI ₃ ：

CH ₃ NH ₃ PbI ₃

PEDOT：PSS：

ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸

TCO：

透明導電性酸化物

XRD：

X線回折計