Сравнительный анализ энергоэффективности пленок перовскита в СЭ ГОНП

В предыдущей главе упоминалось о том, что типичная формула соединения перовскита, используемого в солнечной энергетике, выглядит следующим образом CH3NH3PbX3, где CH3NH3 – метиламмония ион, Pb – атом свинца, а X – ион из числа галогенов (может быть как йод - I, Br - бром, так и Cl - хлор). В ряде случаев органический катион CH3NH3 может быть заменен на катион формамидиниума NH2CH=NH2 с близким эффективным ионным радиусом [1]. Следует упомянуть и про возможные вариации металлического основания слоя гибридного органо-неорганического перовскита. В качестве альтернативы свинцу Pb может быть использовано олово в комбинации с йодом I.

Следовательно, в качестве слоя перовскита могут быть использованы соединения:

• •     CH 3 NH 3 PbI 3 ;

• •     CH 3 NH 3 PbBr 3 ;

• •     CH 3 NH 3 PbCl 3 ;

• •     CH 3 NH 3 SnI 3 ;

• •     (NH 2 CH=NH 2 )PbI 3 ;

• •     (NH 2 CH=NH 2 )PbBr 3 ;

• •     (NH 2 CH=NH 2 )PbCl 3 .

В работах [2, 3, 4, 5] отмечается, что в качестве слоя перовскита предпочтительнее использовать именно соединение на основе дийодида свинца. Связано это с тем, что последний имеет ширину запрещенной зоны в пределах от 1.5 эВ до 2.3 эВ. Следовательно, имеет более широкий диапазон поглощения света, что позволяет ему оставаться эффективным даже в отсутствии прямого солнечного света. Диапазон длин волн, в которых осуществляется поглощение квантов света, находится в пределах 2 1 = 540 нм (видимое излучение зеленого цвета) и 2 2 = 1400 (инфракрасное излучение) (рисунок 1).

Рисунок 1 – Спектр оптического излучения

Слой перовскита может быть изготовлен с помощью простых методов мокрой химии, таких как использование растворителей и паровой депозиции в центрифугировании. Связано это с тем, что тригалоидные перовскиты являются двойными солями. Следовательно, формирование тонких пленок гибридных органо-неорганических перовскитов сводится к возникновению перовскитной кубической кристаллической структуры из используемых солей при комнатной температуре из паровой и жидкой фаз [6].

Таким образом, для получения пленок гибридных органонеорганических перовскитов будет использоваться метод центрифугирования, который представляет собой нанесение раствора целевого материала в растворителе на подложку во время ее вращения. Преимуществом данного метода является способность быстро и легко наносить однородные пленки от нескольких нанометров до нескольких микрон в толщину (рисунок 2).

Рисунок 2 – Пример статического нанесения капли раствора на подложку

Для получения пленок гибридных органо-неорганических перовскитов на стеклянных подложках, покрытых слоем диоксида титана TiO 2 (см. пункт 2.2), использовалось следующее оборудование кафедры: вытяжной шкаф и центрифуга Centrifuge – 80-2 (рисунок 3) , приобретенные в рамках программы У.М.Н.И.К. – 2010 И.А. Прониным, проект - «Разработка методики получения пористой матрицы на основе ортокремневой кислоты в качестве контейнера для полупроводниковой массы чувствительного элемента газового сенсора».

Рисунок 3 – Центрифуга «Centrifuge 80-2»

Технические характеристики:

• •     максимальная скорость вращения 4000 об/мин;

• •     минимальная скорость вращения 200 об/мин;

• •     максимальная длительность вращения 60 секунд;

С целью фиксации подложки к центрифуге был разработан фиксатор для подложки, изображенный на рисунке 4. Фиксатор представляет собой шестиугольную пластину из фторопласта. Материал фиксатора был выбран из соображений практичности материала. Фторопласт – химически стойкий и прочный материал, это означает, что он не взаимодействует с попадающими на него веществами и соответственно не деформируется. В центре шестиугольника было вырезано прямоугольное отверстие для крепления подложки. Сам фиксатор был прикреплен к вращающему элементу центрифуги при помощи трех саморезов. После прикрепления фиксатора был пробный запуск центрифуги, который показал надежность и стабильность данной конструкции.

Рисунок 4 – Фиксатор для подложки

Также для получения слоя гибридного органо-неорганического перовскита потребуются:

• •     Растворитель - диметилформамид (DMF) 2C 3 H 7 NO;

• •     Магнитная мешалка;

• •     Дозатор;

Методика получения пленок гибридного органо-неорганического перовскита с помощью метода центрифугирования состоит из следующих этапов:

• 1.    Подготовить поверхности подложек (см. п. 2.1);

• 2.    Растворить дийодид свинца PbI 2 (см. п. 2.3) с помощью растворителя диметилформамида (DMF) 2C 3 H 7 NO в различных пропорциях 1:1, 1:2, 1:3.

• 3.    Перемешать получившийся раствор с помощью магнитной мешалки в течение 1 часа.

• 4.    Включить центрифугу, довести скорость вращения до 1500...3000 об/мин с шагом в 500 об/мин.

• 5.    С помощью скотча обозначить границы наносимого слоя.

• 6.    Нанести с помощью дозатора получившийся раствор на подложку, закрепленную в центрифуге.

• 7.    Спустя 20 секунд, убедившись, что весь растворитель испарился, извлечь стеклянную подложку с нанесенным на нее слоем гибридного органо-неорганического перовскита.

2C3H7NO + 2PbI2 = 2(CH3NH3)PbI2 + H20       (7)

Использованные источниики:

• 1.    Snaith H. J., Perovskites: the emergence of a new era for low-cost, high-efficiency solar cells // J. Phys. Chem. Lett. – 2013 - P. 3623-3630.

• 2.    Eperon, Giles E.; Stranks, Samuel D.; Menelaou, Christopher; Johnston, Michael B.; Herz, Laura M.; Snaith, Henry J., "Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells". Energy & Environmental Science – 2014

• 3.    Liling G., Zhang S., Guanghui Z., Xing Li, Hanxing L. Synthesis and Characterization of Layered Perovskite-type organic-inorganic hybrids ((R-NH3)2(CH3NH3)Pb2I7), Journal of Wuhan university of technology-mater. Sci. Ed. - 2012

• 4.    Silvia C., Edoardo M., Paolo F., Andrea L., Francesco G., MAPbI3.xClx mixed halide perovskite for hybrid solar cells: the role of chloride as dopant on the transport and structural properties, Chem. Mater. - 2013 - P.4613-4618.

• 5.    Bi D. Q., Bosch loo G., Schwarzmiiller S., Yang L., Johansson E. M. J., Efficient and stable CH3NH3Pbl3-sensitized ZnO nanorod array solid-state solar cells, Nanoscale – 2013 – P. 11686-11691