Исследование и оптимизация процессов кристаллизации растворов гибридных галогенидных перовскитов состава CH 3 NH 3 PBI 3

Е. Муратова; Муратова Е. Н.; В. Мошников; Мошников В. А.; А. Алешин; Алешин А. Н.; И. Врублевский; Врублевский И. А.; Н. Лушпа; Лушпа Н. В.; А. Тучковский; Тучковский А. К.

doi:10.31857/S013266512360022X

Исследование и оптимизация процессов кристаллизации растворов гибридных галогенидных перовскитов состава CH₃NH₃PBI₃

Authors: Муратова Е.¹, Мошников В.¹, Алешин А.², Врублевский И.³, Лушпа Н.³, Тучковский А.³
Affiliations:
1. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)
2. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
3. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Issue: Vol 49, No 6 (2023)
Pages: 662-671
Section: Articles
URL: https://rjmseer.com/0132-6651/article/view/663372
DOI: https://doi.org/10.31857/S013266512360022X
EDN: https://elibrary.ru/OBCVAA
ID: 663372

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription or Fee Access

Abstract

Для осаждения и кристаллизации раствора гибридного галогенидного соединения состава CH₃NH₃PbI₃, обладающего структурой перовскита использовался метод одноступенчатого центрифугирования. Процесс отжига слоев со структурой перовскита проводился в диапазоне температур 80–140°С, во время которого происходило удаление избытка растворителя N-метилпирролидона за счет испарения. Проведен рентгенофазовый анализ синтезированного слоя. Изучены морфология поверхности слоев после кристаллизации и спектры пропускания в оптическом диапазоне. Эксперименты и результаты исследований показали, что оптимальным температурным режимом при формировании и кристаллизации пленок перовскита трийодидметиламмоний свинец являлась температура 100–110°С. Слои со структурой перовскита, полученные в таких режимах обработки, имели морфологию поверхности с равномерной зернистой структурой кристаллов и характеризовались высокой однородностью. Более того, в солнечных ячейках, полученных на основе перовскитоподобных структур CH₃NH₃PbI₃ с температурой отжига 100–110°С токи короткого замыкания достигали значений 16.0 мА/см². В тоже время при температурах отжига слоев со структурой перовскита выше 120°С максимальное значение токов короткого замыкания не превышало 14.0 мА/см².

Keywords

гибридные галогенидные перовскиты, кристаллизация растворов, морфология поверхности, зернистая структура, спектры пропускания, солнечные ячейки

References

Gao P., Grätzel M., Nazeeruddin M.K. Organohalide lead perovskites for photovoltaic applications // Energy and Environmental Science. 2014. V. 7. № 8. P. 2448.
Yin W.J., Yang J.H., Kang J., Yan Y., Wei S.H. Halide perovskite materials for solar cells: A theoretical review // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. № 17. P. 8926–8942.
Brenner T.M., Egger D.A., Kronik L., Hodes G., Cahen D. Hybrid organic – Inorganic perovskites: Low-cost semiconductors with intriguing charge-transport properties // Nature Reviews Materials. 2016. V. 1. № 1. P. 15007.
Li W.G., Rao H.S., Chen B.X., Wang X.D., Kuang D. Bin. A formamidinium-methylammonium lead iodide perovskite single crystal exhibiting exceptional optoelectronic properties and long-term stability // J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. № 36. P. 19431–19438.
Zhumekenov A.A., Saidaminov M.I., Haque M.A., Alarousu E., Sarmah S.P., Murali B., Dursun I., Miao X.H., Abdelhady A.L., Wu T., Mohammed O.F., Bakr O.M. Formamidinium Lead Halide Perovskite Crystals with Unprecedented Long Carrier Dynamics and Diffusion Length // ACS Energy Lett. 2016. V. 1. № 1. P. 32–37.
Brivio F., Frost J.M., Skelton J.M., Jackson A.J., Weber O.J., Weller M.T., Goñi A.R., Leguy A.M.A., Barnes P.R.F., Walsh A. Lattice dynamics and vibrational spectra of the orthorhombic, tetragonal, and cubic phases of methylammonium lead iodide // Phys. Rev. B – Condens. Matter Mater. Phys. 2015. V. 92. № 14. P. 144308.
Saliba M., Matsui T., Seo J.Y., Domanski K., Correa-Baena J.P., Nazeeruddin M.K., Zakeeruddin S.M., Tress W., Abate A., Hagfeldt A., Grätzel M. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: Improved stability, reproducibility and high efficiency // Energy Environ. Sci. 2016. V. 9. № 6. P. 1989–1997.
Saliba M., Matsui T., Domanski K., Seo J.Y., Ummadisingu A., Zakeeruddin S.M., Correa-Baena J.P., Tress W.R., Abate A., Hagfeldt A., Grätzel M. Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance // Science. 2016. V. 354. № 6309. P. 206–209.
Eperon G.E., Hörantner M.T., Snaith H.J. Metal halide perovskite tandem and multiple-junction photovoltaics // Nature Reviews Chemistry. 2017. V. 1. № 12. P. 0095.
Spivak Y., Muratova E., Moshnikov V., Tuchkovsky A., Vrublevsky I., Lushpa N. Improving the Conductivity of the PEDOT:PSS Layers in Photovoltaic Cells Based on Organometallic Halide Perovskites // Materials. 2022. V. 15. № 3. P. 990.
Aleshin A.N., Shirinkin P.P., Khripunov A.K., Saprykina N.N., Shcherbakov I.P., Trapeznikova I.N., Aleshin P.A., Petrov V.N. Photoluminescence and Photoconductivity of Lead Halide Perovskite Films Modified with Mixed Cellulose Esters // Tech. Phys. 2021. V. 66. № 7. P. 827–834.
Aleshin A.N., Shcherbakov I.P., Chikalova-Luzina O.P., Matyushkin L.B., Ovezov M.K., Ershova A.M., Trapeznikova I.N., Petrov V.N. Photo- and electroluminescence features of films and field effect transistors based on inorganic perovskite nanocrystals embedded in a polymer matrix // Synth. Met. 2020. V. 260. P. 116291.
Матюшкин Л.Б., Мошников В.А. Фотолюминесценция нанокристаллов перовскитов CsPbX3 (X = = Cl, Br, I) и твердых растворов на их основе // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 10. С. 1387–1392.
Aleshin A.N., Shcherbakov I.P., Gushchina E. V., Matyushkin L.B., Moshnikov V.A. Solution-processed field-effect transistors based on polyfluorene – cesium lead halide nanocrystals composite films with small hysteresis of output and transfer characteristics // Org. Electron. 2017. V. 50. P. 213–219.
Алешин А.Н., Щербаков И.П., Трапезникова И.Н., Петров В.Н. Полевые транзисторы с высокой подвижностью и малым гистерезисом передаточных характеристик на основе пленок CH3NH3PbBr3 // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 12. С. 2457–2461.
Алешин А.Н., Щербаков И.П., Кириленко Д.А., Матюшкин Л.Б., Мошников В.А. Светоизлучающие полевые транзисторы на основе композитных пленок полифлуорена и нанокристаллов CsPbBr3 // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 2. С. 388–394.
Li G., Tan Z.K., Di D., Lai M.L., Jiang L., Lim J.H.W., Friend R.H., Greenham N.C. Efficient Light-Emitting Diodes Based on Nanocrystalline Perovskite in a Dielectric Polymer Matrix // Nano Letters. 2015. V. 15. № 4. P. 2640–2644.
Perumal A., Shendre S., Li M., Tay Y.K.E., Sharma V.K., Chen S., Wei Z., Liu Q., Gao Y., Buenconsejo P.J.S., Tan S.T., Gan C.L., Xiong Q., Sum T.C., Demir H.V. High brightness formamidinium lead bromide perovskite nanocrystal light emitting devices // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 36733.
Lu M., Zhang Y., Wang S., Guo J., Yu W.W., Rogach A.L. Metal Halide Perovskite Light-Emitting Devices: Promising Technology for Next-Generation Displays // Advanced Functional Materials. 2019. V. 29. № 30. P. 1–35.
Guner T., Demir M.M. A Review on Halide Perovskites as Color Conversion Layers in White Light Emitting Diode Applications // Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 2018. V. 215. № 13. P. 1–11.
Tiwari A., Satpute N.S., Mehare C.M., Dhoble S.J. Challenges, recent advances and improvements for enhancing the efficiencies of ABX3-based PeLEDs (perovskites light emitting diodes): A review // J. Alloys and Compounds. 2021. V. 850. P. 156827.
Dou L., Yang Y.M., You J., Hong Z., Chang W.H., Li G., Yang Y. Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 5404.
Zhao Y., Zhu K. Organic-inorganic hybrid lead halide perovskites for optoelectronic and electronic applications // Chemical Society Reviews. 2016. V. 45. № 3. P. 655–689.
Saidaminov M.I., Haque M.A., Savoie M., Abdelhady A.L., Cho N., Dursun I., Buttner U., Alarousu E., Wu T., Bakr O.M. Perovskite Photodetectors Operating in Both Narrowband and Broadband Regimes // Adv. Mater. 2016. V. 28. № 37. P. 8144–8149.
Oku T. Crystal Structures of CH3NH3PbI3 and Related Perovskite Compounds Used for Solar Cells // Solar Cells – New Approaches and Reviews. 2015. P. 77–101.
Cai B., Zhang W.H., Qiu J. Solvent engineering of spin-coating solutions for planar-structured high-efficiency perovskite solar cells // Cuihua Xuebao/Chinese J. Catal. 2015. V. 36. № 8. P. 1183–1190.
Jeon N.J., Noh J.H., Kim Y.C., Yang W.S., Ryu S., Seok S.Il. Solvent engineering for high-performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells // Nat. Mater. 2014. V. 13. № 9. P. 897–903.
Jain S.M., Philippe B., Johansson E.M.J., Park B.W., Rensmo H., Edvinsson T., Boschloo G. Vapor phase conversion of PbI2 to CH3NH3PbI3: Spectroscopic evidence for formation of an intermediate phase // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. № 7. P. 1–40.