بهبود عملکرد سلول خورشیدی CsPbI2Br perovskite از طریق بهبود حلالیت اجزا

مواد CsPbI2Br perovskite به دلیل هزینه پایین تولید و داشتن توازن عالی بین بازده تبدیل توان (PCE) و پایداری، به عنوان یک کاندید عالی در زمینه فتوولتائیک و بهبود عملکرد سلول خورشیدی در نظر گرفته می شود. تا کنون بهترین بازده تبدیل توان (PCE) برای سلول های CsPbI2Br perovskite، در حدود 17.46% می باشد که این عدد علارغم اینکه در طول زمان بهتر شده است؛ نسبت به بازده تبدیل توان برای سلول های خورشیدی perovskite از نوع ارگانیک-غیر ارگانیک بسیار پایین تر است.

علت پایین بودن نسبی بازده تبدیل توان (PCE) برای CsPbI2Br perovskite داشتن شکاف باند (Band Gap) زیاد  می باشد که برای جذب نور خورشید حکم اساسی بازی می کند. علاوه برعامل شکاف باند، پایین بودن کیفیت نوع مواد فیلم چه در CsPbI2Br perovskite و چه در بقیه perovskite ها نیز نقش اساسی دارد؛ زیرا داشتن کیفیت پایین می تواند در جای خالی اتم ها، بینابینی اتمی و غیره منعکس شود. برخی محققان به منظور از بین بردن این عیوب در صدد برآمدند که علت ریشه ای این عیوب را برطرف نمایند.

بنابراین محققان برای بهبود کیفیت فیلم های perovskite با تغییر PbI2 یا PbBr2 با یون های halide که به سادگی حرکت می کنند به سایر منابع سرب نظیر lead acetate، lead thiocyanate (Pb(SCN)2)، lead nitrate (Pb(NO)3) و غیره تمرکز کردند. با این وجود، استفاده از این منابع سرب، ناخالصی های غیر ترکیبی را به فیلم های پروسکایت اضافه نمود. به موازات این تحقیقات، گزارش های زیادی نیز موجود می باشد که روش هایی برای حل مشکل مهاجرت یون ها به جای تغییر منابع سرب ارائه کرده اند.

به عنوان مثال، تیم تحقیقاتی Guojia Fang یک لایه سطحی از مواد arylammonium را توسط phenethylammonium iodide (PEAI) بر روی لایه فعال perovskite لایه نشانی کردند. آن ها به کمک آزمایش‌های تجربی و محاسبات نظری، تأیید نمودند که با لایه نشانی سطحی (PEAI)، از مهاجرت یون های halide در سطح فیلم های perovskite و تجمع نقص های یونی در لبه مرز جلوگیری می شود.

در نتیجه، perovskite اصلاح شده دارای بازده تبدیل توان (PCE) به مقدار 19.07٪ و VOC  در حدود 1.25 ولت می باشد. در نهایت پس از انجام تحقیقات و متدهای مختلف، یک مولکول آلی کوچک استامید (AT) با NH2– و Cdouble bondO به عنوان یک ماده افزودنی جهت تنظیم رشد کریستالی فیلم CsPbI2Br perovskite انتخاب شد. همانطور که انتظار می رفت قابلیت حل CsI و نقص‌های Pb0 ناشی از Pb2 + ناهماهنگ در فیلم ها به وجود آمده بودند؛ حذف شدند. له کمک اندازه گیری پراش ex-situ X-ray مشاهده شد که فاز δ تولید شده در طول تبلور، پس از افزودن AT سرکوب شد.

ساختار پایدار بلوری بدون فاز δ به این معنی است که عناصر اصلی به اندازه کافی وارد ساختار بلوری شده‌اند. با اندازه گیری های تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) و طیف تشدید مغناطیسی هسته ای (1H NMR) بهبود حلالیت CsI از پیوند هیدروژنی تشکیل شده بین AT و CsI تأیید شد. در نتیجه، تبدیل توان (PCE) سلول خورشیدی از 10.24 درصد به 13.36 درصد برای گروه اصلاح شده ارتقا یافت.

منبع