Croissance contrôlée des couches de pérovskite avec des chlorures d'alkylammonium volatils

Jun 25, 2023

Nature volume 616, pages 724–730 (2023)Citer cet article

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Le contrôle de la cristallinité et de la morphologie de surface des couches de pérovskite par des méthodes telles que l'ingénierie des solvants1,2 et l'ajout de chlorure de méthylammonium3,4,5,6,7 est une stratégie efficace pour obtenir des cellules solaires à pérovskite à haut rendement. En particulier, il est indispensable de déposer des couches minces de pérovskite d'iodure de plomb α-formamidinium (FAPbI3) présentant peu de défauts du fait de leur excellente cristallinité et de leur grande taille de grains. Nous rapportons ici la cristallisation contrôlée de films minces de pérovskite avec la combinaison de chlorures d'alkylammonium (RACl) ajoutés à FAPbI3. La transition de phase δ à phase α de FAPbI3, le processus de cristallisation et la morphologie de surface des films minces de pérovskite recouverts de RACl dans diverses conditions ont été étudiés par diffraction des rayons X à grand angle d'incidence rasante in situ et microscopie électronique à balayage. On pense que RACl ajouté à la solution de précurseur se volatilise facilement pendant le revêtement et le recuit en raison de la dissociation en RA0 et HCl avec déprotonation de RA + induite par la liaison de RA⋯H + -Cl− à PbI2 dans FAPbI3. Ainsi, le type et la quantité de RACl ont déterminé la vitesse de transition de la phase δ à la phase α, la cristallinité, l'orientation préférée et la morphologie de surface de l'α-FAPbI3 final. Les couches minces de pérovskite résultantes ont facilité la fabrication de cellules solaires en pérovskite avec un rendement de conversion de puissance de 26,08 % (certifié 25,73 %) sous un éclairage standard.

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Ce travail a été soutenu par le programme de recherche scientifique fondamentale (NRF-2018R1A3B1052820) par l'intermédiaire de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le ministère des Sciences, des TIC et de la planification future (MSIP). HJM et TJS reconnaissent le soutien financier du numéro de contrat NRF (NRF-2018R1A5A 1025224). Enfin, nous remercions l'UCRF (UNIST Central Research Facilities) pour son soutien dans l'utilisation de l'équipement et le personnel de la ligne de lumière du Pohang Accelerator Laboratory.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Jaewang Park, Jongbeom Kim

Département de génie énergétique et chimique, Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), Ulsan, Corée

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

Département de science et génie des matériaux, Université nationale de Chonnam, Gwangju, Corée

Hyun Jung Mun

Beamline Research Division, Pohang Accelerator Laboratory (PAL), Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, République de Corée

Min Gyu Kim

École supérieure d'ingénierie des matériaux et dispositifs semi-conducteurs, Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), Ulsan, Corée

Tae Joo Shin

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JP, JK et SIS ont conçu ce travail et conçu l'expérience. H.-SY a réalisé une expérience préliminaire. JP et JK ont fabriqué les PSC avec diverses électrodes et caractérisé les films de pérovskite. MJP et EN ont préparé les électrodes et les échantillons pour analyse. HJM et TJS ont effectué et interprété les mesures GI-WAXD. MGK a mesuré et interprété les mesures EXAFS. SIS a rédigé le brouillon du manuscrit et tous les auteurs ont contribué en retour et en commentaires pour la révision du manuscrit. SIS a dirigé et supervisé l'étude.

Correspondance avec Min Gyu Kim, Tae Joo Shin ou Sang Il Seok.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature remercie Qilin Dai, Hui Zhang et les autres évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Films minces revêtus par centrifugation avec 10% en moles de MACl (a) et BACl (b) ajoutés au précurseur FAPbI3 contenant 35% en moles de MACl. Barres d'échelle, 1 μm.

Montré pendant le recuit de RT à 120 ° C, en utilisant les films minces formés en égouttant l'antisolvant pendant le spin-coating des solutions de précurseur FAPbI3 contenant 0, 5, 10 ou 15 mol% de PACl ajouté à 35 mol% de MACl.

a–e, Contrôle. f–j, cible. k–p, Référence 1. q–u, Référence 2. GI-WAXD mesuré tout en augmentant et en maintenant la température de RT à 120 °C. v–y, profils GI-WAXD 1D agrandis des échantillons de contrôle (v), de référence 1 (w), cible (x) et de référence 2 (y) autour du pic (100)α pour étudier la température de début de la phase δ à la transition de phase α. z, Tracé de la température de début de la transition de la phase δ à la phase α. 2D GI-WAXD montre que la température de transition de la phase δ à la phase α diminue progressivement à mesure que la longueur du groupe alkyle dans RACl augmente de MACl à PACl et BACl. Les points d'ébullition et la basicité des MA0, PA0 et BA0 déprotonés sont différents. Ainsi, une forte interaction acide-base peut se produire entre l'acide de Lewis PbI2 et la base de Lewis R-NH2 à la surface de FAPbI3. Les substituants alkyle tels que méthyle, propyle et butyle sont des groupes donneurs d'électrons et ont tendance à augmenter avec l'augmentation de la longueur. Cela rend BA0 plus basique de Lewis, augmentant l'interaction RH2N – PbI2. Finalement, BA0 déprotoné dans BACl abaisse davantage l'énergie de surface de δ-FAPbI3, conduisant à une transition de phase δ à phase α plus rapide et plus efficace.

Montré pendant le chauffage de la température ambiante à 120 ° C en utilisant le film mince déposé sans goutter l'antisolvant pendant le revêtement par centrifugation des solutions de précurseur FAPbI3 avec 10% en moles de PACl ajoutés à 35% en moles de MACl.

Des films minces ont été déposés par goutte à goutte de l'antisolvant lors du spin-coating des solutions de précurseur FAPbI3 contenant respectivement 10% en moles de MACl, PACl et BACl, ajoutés à 35% en moles de MACl.

RDF obtenu en utilisant l'EXAFS de bord Pb LIII théoriquement calculé pour l'α-FAPbI3, δ-FAPbI3 et relaxé-FAPbI3, respectivement.

Illustré pour la référence 1 et la référence 2. VTFL est la tension limite remplie de pièges.

a, Changements dans la zone intégrée mutuellement normalisée obtenus par les pics de phase α de GI-WAXD in situ mesurés tout en augmentant et en maintenant la température de RT à 120 ° C. b, Images GI-WAXD 2D représentatives de la cible et de la référence 2 échantillons recuits à 120 ° C pendant 30 min.

Fig. supplémentaires. 1 à 8 et tableaux supplémentaires 1 et 2.

Préparation de poudre noire de triiodure de plomb formamidinium (FAPbI3) par chauffage à 120 °C dans un bain d'huile sous agitation.

Filtration de la FAPbI3 précipitée à l'aide de papier filtre.

Dépôt de couches minces de pérovskite par centrifugation à une humidité relative de 20 à 30 % dans l'air ambiant.

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Réimpressions et autorisations

Park, J., Kim, J., Yun, HS. et coll. Croissance contrôlée des couches de pérovskite avec des chlorures d'alkylammonium volatils. Nature 616, 724–730 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

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Reçu : 20 juillet 2022

Accepté : 10 février 2023

Publié: 16 février 2023

Date d'émission : 27 avril 2023

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

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