Crecimiento controlado de capas de perovskita con cloruros de alquilamonio volátiles

Jun 25, 2023

Nature, volumen 616, páginas 724–730 (2023)Citar este artículo

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El control de la cristalinidad y la morfología de la superficie de las capas de perovskita mediante métodos como la ingeniería de solventes1,2 y la adición de cloruro de metilamonio3,4,5,6,7 es una estrategia eficaz para lograr células solares de perovskita de alta eficiencia. En particular, es esencial depositar películas delgadas de perovskita de yoduro de plomo α-formamidinio (FAPbI3) con pocos defectos debido a su excelente cristalinidad y gran tamaño de grano. Aquí informamos la cristalización controlada de películas delgadas de perovskita con la combinación de cloruros de alquilamonio (RACl) agregados a FAPbI3. La transición de fase δ a fase α de FAPbI3 y el proceso de cristalización y la morfología de la superficie de las películas delgadas de perovskita recubiertas con RACl en diversas condiciones se investigaron mediante difracción de rayos X de gran angular de incidencia rasante in situ y microscopía electrónica de barrido. Se creía que el RACl agregado a la solución precursora se volatilizaba fácilmente durante el recubrimiento y el recocido debido a la disociación en RA0 y HCl con desprotonación de RA+ inducida por la unión de RA⋯H+-Cl− a PbI2 en FAPbI3. Por lo tanto, el tipo y la cantidad de RACl determinaron la velocidad de transición de la fase δ a la fase α, la cristalinidad, la orientación preferida y la morfología superficial de la α-FAPbI3 final. Las finas capas de perovskita resultantes facilitaron la fabricación de células solares de perovskita con una eficiencia de conversión de energía del 26,08 % (25,73 % certificado) bajo iluminación estándar.

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Jeon, Nueva Jersey y col. Ingeniería de solventes para células solares de perovskita híbridas orgánicas e inorgánicas de alto rendimiento. Nat. Mate. 13, 897–903 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chao, L. et al. Ingeniería de solventes de la solución precursora para la producción de grandes áreas de células solares de perovskita. Adv. Mate. 33, 2005410 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Fei, C. et al. Crecimiento controlado de películas de perovskita texturizada hacia células solares de alto rendimiento. Nanoenergía 27, 17–26 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Yang, M. et al. Tinta de perovskita con amplia ventana de procesamiento para células solares escalables de alta eficiencia. Nat. Energía 2, 17038 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Jeon, Nueva Jersey y col. Un material de transporte de agujeros terminado en fluoreno para células solares de perovskita altamente eficientes y estables. Nat. Energía 3, 682–689 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Min, H. et al. Células solares de perovskita con capas intermedias atómicamente coherentes sobre electrodos de SnO2. Naturaleza 598, 444–450 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kim, M. et al. El cloruro de metilamonio induce la estabilización de fase intermedia para células solares de perovskita eficientes. Julio 3, 2179–2192 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Li, P. et al. Perovskita 2D pura de fase para células solares de perovskita heteroestructuradas 2D-3D de alto rendimiento. Adv. Mate. 30, 1805323 (2018).

Artículo Google Académico

Jung, M., Shin, TJ, Seo, J., Kim, G. y Seok, SI Características estructurales y sus funciones en perovskitas de yoduro de plomo y metilamonio blindadas con surfactante para células solares altamente eficientes y estables. Entorno Energético. ciencia 11, 2188–2197 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Mahmud, MA et al. Origen de la mejora de la eficiencia y la estabilidad en células solares de perovskita 2D-3D de dimensiones mixtas de alto rendimiento: una revisión. Adv. Función Mate. 32, 2009164 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Yun, H.-S. et al. Procesamiento de solución verde a base de etanol de capas de perovskita de triyoduro de plomo α-formamidinio. Nat. Energía 7, 828–834 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Dong, Q. et al. Papel crítico de las organoaminas en la degradación irreversible de un coloide precursor de perovskita de haluro metálico: mecanismo y estrategia de inhibición. ACS Energía Lett. 7, 481–489 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Liang, J. et al. Perovskita volátil 2D Ruddlesden-Popper: una toxina para las células solares de triyoduro de plomo α-formamidinio. Adv. Función Mate. Rev. 32, 2207177 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, Y. et al. Aditivo de cloruro de propilamonio para células solares de perovskita FAPbI3 eficientes y estables. Adv. Materia Energética. 11, 2102538 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Park, B.-w et al. Estabilización de fase α de triyoduro de plomo de formamidinio con cloruro de isopropilamonio para células solares de perovskita. Nat. Energía 6, 419–428 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Min, H. et al. Células solares estables y eficientes mediante el uso de banda prohibida inherente de yoduro de plomo de formamidinio en fase α. Ciencia 366, 749–753 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Han, Q. et al. Yoduro de plomo de formamidinio de cristal único (FAPbI3): información sobre las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas. Adv. Mate. 28, 2253–2258 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Jeon, Nueva Jersey y col. Ingeniería composicional de materiales de perovskita para celdas solares de alto rendimiento. Naturaleza 517, 476–480 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Huang, Y., Lei, X., He, T., Jiang, Y. y Yuan, M. Avances recientes en la energía fotovoltaica de perovskita dominada por formamidinio. Adv. Materia Energética. 12, 2100690 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Lu, H. et al. Deposición asistida por vapor de células solares de perovskita FAPbI3 de fase negra altamente eficientes y estables. Ciencia 370, eabb8985 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Canción, S. et al. Ingeniería molecular de cationes espaciadores orgánicos para células solares de perovskita de formamidinio eficientes y estables. Adv. Materia Energética. 10, 2001759 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, T. et al. Cristalización espontánea a baja temperatura de α-FAPbI3 para células solares de perovskita altamente eficientes. ciencia Toro. 64, 1608–1616 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Li, G., Zhang, T., Xu, F. y Zhao, Y. Una deposición fácil de α-FAPbI3 puro de fase y grano grande para células solares de perovskita a través de una cristalización instantánea. Mate. Hoy Energía 5, 293–298 (2017).

Artículo Google Académico

Du, T. et al. Cristalización a baja temperatura y sin aditivos de perovskita α-FAPbI3 estable. Adv. Mate. 34, 2107850 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Zheng, G. et al. Manipulación de la orientación de las facetas en películas policristalinas de perovskita híbrida por cascada de cationes. Nat. común 9, 2793 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tan, WL et al. La unión orientada como mecanismo para la evolución de la microestructura en películas delgadas de perovskita híbrida derivada de cloruro. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 11, 39930–39939 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Chen, Z. et al. Formación a temperatura ambiente de películas de α-FAPbI3 de grado semiconductor para células solares de perovskita eficientes. Rep. celular Phys. ciencia 1, 100205 (2020).

Artículo Google Académico

Yadavalli, SK et al. Mecanismos de crecimiento y estabilidad excepcionales del grano en películas delgadas de triyoduro de plomo y formamidinio para células solares de perovskita. Acta Mater. 193, 10–18 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Yadavalli, SK, Zhou, Y. & Padture, NP Crecimiento de grano excepcional en películas delgadas de perovskita de yoduro de plomo y formamidinio inducidas por la transformación de fase δ a α. ACS Energía Lett. 3, 63–64 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Xie, F. et al. Recristalización vertical para células solares de perovskita de estructura invertida basadas en formamidinio altamente eficientes y estables. Entorno Energético. ciencia 10, 1942–1949 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, H. et al. Influencia de la incorporación de Cl en el precursor de perovskita en el crecimiento cristalino y la estabilidad de almacenamiento de las células solares de perovskita. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 11, 6022–6030 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Lee, J.-W. et al. Células solares de perovskita de formamidinio puro en fase estabilizada con perovskita 2D. Nat. común 9, 3021 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Piedra, KH et al. Transformación de precursor cristalino a perovskita en MAPbI3 derivado de PbCl2. Nat. común 9, 3458 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, X. et al. Envejecimiento de la solución de perovskita: ¿qué sucedió y cómo inhibir? Química 6, 1369–1378 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhao, Y. & Zhu, K. Células solares planas de perovskita eficientes basadas en nanoláminas CH3NH3PbI2Br de banda prohibida de 1,8 eV mediante descomposición térmica. Mermelada. química Soc. 136, 12241–12244 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Stolterfoht, M. et al. Visualización y supresión de la recombinación interfacial para células solares de perovskita pin de área grande y alta eficiencia. Nat. Energía 3, 847–854 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Le Corre, VM et al. Revelación de la movilidad del portador de carga y densidades de defectos en perovskitas de haluro metálico a través de mediciones de corriente limitadas por espacio de carga. ACS Energía Lett. 6, 1087–1094 (2021).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Duijnstee, EA et al. Hacia la comprensión de las mediciones de corriente limitada de carga espacial en perovskitas de haluro metálico. ACS Energía Lett. 5, 376–384 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Min, H., Ji, S.-G. & Seok, SI Relajación de capas delgadas de perovskita de haluro tensas externamente con ligandos neutros. 6 julios, 2175–2185 (2022).

Artículo CAS Google Académico

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación de Ciencias Básicas (NRF-2018R1A3B1052820) a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de Ciencia, TIC y Planificación Futura (MSIP). HJM y TJS reconocen el apoyo financiero del número de contrato de NRF (NRF-2018R1A5A 1025224). Finalmente, agradecemos a UCRF (Instalaciones Centrales de Investigación de UNIST) por su apoyo en el uso del equipo y al personal de la línea de luz en el Laboratorio Acelerador de Pohang.

Estos autores contribuyeron igualmente: Jaewang Park, Jongbeom Kim

Departamento de Energía e Ingeniería Química, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), Ulsan, Corea

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

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional de Chonnam, Gwangju, Corea

Hyun Jung Mun

División de Investigación de Líneas de Luz, Laboratorio de Aceleradores de Pohang (PAL), Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), Pohang, República de Corea

Min Gyu Kim

Escuela de Posgrado en Ingeniería de Dispositivos y Materiales Semiconductores, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), Ulsan, Corea

Tae Joo Shin

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JP, JK y SIS concibieron este trabajo y diseñaron el experimento. H.-SY realizó un experimento preliminar. JP y JK fabricaron las PSC con varios electrodos y caracterizaron las películas de perovskita. MJP y EN prepararon los electrodos y las muestras para su análisis. HJM y TJS realizaron e interpretaron las mediciones de GI-WAXD. MGK midió e interpretó las mediciones EXAFS. SIS redactó el borrador del manuscrito y todos los autores aportaron opiniones y comentarios para la revisión del manuscrito. SIS dirigió y supervisó el estudio.

Correspondencia a Min Gyu Kim, Tae Joo Shin o Sang Il Seok.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Qilin Dai, Hui Zhang y los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Películas delgadas recubiertas por rotación con MACl al 10 % en moles (a) y BACl (b) añadidas al precursor de FAPbI3 que contiene MACl al 35 % en moles. Barras de escala, 1 μm.

Se muestra durante el recocido de temperatura ambiente a 120 °C, usando las películas delgadas formadas por goteo del antisolvente durante el recubrimiento por rotación de las soluciones precursoras de FAPbI3 que contienen 0, 5, 10 o 15 mol% de PACl agregado a 35 mol% de MACl.

a–e, Control. f–j, objetivo. k–p, Referencia 1. q–u, Referencia 2. GI-WAXD medido mientras aumenta y mantiene la temperatura desde TA hasta 120 °C. v–y, perfiles 1D GI-WAXD ampliados de muestras de control (v), referencia 1 (w), objetivo (x) y referencia 2 (y) alrededor del pico (100)α para investigar la temperatura de inicio de la fase δ a la transición de fase α. z, Gráfico de la temperatura de inicio de la transición de la fase δ a la fase α. 2D GI-WAXD muestra que la temperatura de transición de la fase δ a la α disminuye gradualmente a medida que la longitud del grupo alquilo en RACl aumenta de MACl a PACl y BACl. Los puntos de ebullición y la basicidad de MA0, PA0 y BA0 desprotonados son diferentes. Por lo tanto, puede ocurrir una fuerte interacción ácido-base entre el ácido de Lewis PbI2 y la base de Lewis R-NH2 en la superficie de FAPbI3. Los sustituyentes alquilo, como metilo, propilo y butilo, son grupos donantes de electrones y tienden a aumentar al aumentar la longitud. Esto hace que BA0 sea más básico de Lewis, aumentando la interacción RH2N-PbI2. Eventualmente, BA0 desprotonado en BACl reduce más la energía superficial de δ-FAPbI3, lo que lleva a una transición de fase δ a fase α más rápida y efectiva.

Se muestra durante el calentamiento desde temperatura ambiente a 120 °C usando la película delgada depositada sin goteo del antisolvente durante el recubrimiento por rotación de las soluciones precursoras de FAPbI3 con 10 mol % de PACl agregado a 35 mol % de MACl.

Se depositaron películas delgadas goteando el antidisolvente durante el recubrimiento por rotación de las soluciones precursoras de FAPbI3 que contenían 10% en moles de MACl, PACl y BACl, respectivamente, añadidas a 35% en moles de MACl.

RDF obtenido utilizando Pb LIII-edge EXAFS calculado teóricamente para α-FAPbI3, δ-FAPbI3 y relajado-FAPbI3, respectivamente.

Se muestra para la referencia 1 y la referencia 2. VTFL es voltaje límite lleno de trampa.

a, Cambios en el área integrada mutuamente normalizada obtenidos por picos de fase α de GI-WAXD in situ medidos mientras se aumenta y mantiene la temperatura desde TA hasta 120 °C. b, Imágenes representativas 2D GI-WAXD de muestras objetivo y de referencia 2 recocidas a 120 °C durante 30 min.

Figs suplementarias. 1 a 8 y las tablas complementarias 1 y 2.

Preparación de polvo negro de triyoduro de plomo y formamidinio (FAPbI3) calentando a 120 °C en un baño de aceite con agitación.

Filtración de la FAPbI3 precipitada utilizando papel de filtro.

Depósito de películas delgadas de perovskita mediante revestimiento giratorio a una humedad relativa del 20 al 30% en el aire ambiente.

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Reimpresiones y permisos

Parque, J., Kim, J., Yun, HS. et al. Crecimiento controlado de capas de perovskita con cloruros de alquilamonio volátiles. Naturaleza 616, 724–730 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

Descargar cita

Recibido: 20 julio 2022

Aceptado: 10 febrero 2023

Publicado: 16 febrero 2023

Fecha de emisión: 27 de abril de 2023

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

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