بهبود عملکرد سلول‌های خورشیدی پروسکایتی با استفاده از نانوکریستال‌های چارچوب آلی-فلزی ZIF-8 در مرز مشترک پروسکایت و انتقال دهنده الکترون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

2 گروه اتمی و مولکولی، دانشکده فیزیک، دانشگاه یزد، یزد

چکیده

با توجه به قابلیت فراوری آسان و ساختار میکرومتخلخل چارچوب­های آلی-فلزی، بکارگیری این نانوساختارها در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. در این تحقیق، با توجه به خصوصیات برتری پایداری رطوبتی و شیمیایی چارچوب­های آلی-فلزی، از نانوکریستال­های ایمیدازول زئولیتی-8 (ZIF-8) با هدف اصلاح سطح و بهبود انتقال بار در سطح مشترک پروسکایت و لایه انتقال‌دهنده الکترون در ساختار سلول­خورشیدی پروسکایتی استفاده شده است. نتایج بررسی آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی و الگوی پراش پرتو ایکس از سطح پروسکایت نشان می­دهد ساختار متخلخل نانوکریستال‌های ZIF-8 بر روی لایه متخلخل TiO2می­تواند به عنوان یک داربست در تشکیل بهتر لایه پروسکایت با ساختار کریستالی منظم­تری عمل کند. نتایج حاصل از آنالیزهای جذب نوری و منحنی جریان-ولتاژ سلول خورشیدی پروسکایتی نشان می­دهد. این نوع چارچوب آلی-فلزی می­تواند به عنوان یک لایه جاذب کمکی در گستره طول­موج­های کوتاه عمل کند و منجر به بهبود عملکرد فتوولتائیک سلول­های خورشیدی پروسکایتی شود. با توجه به عدم استفاده از ماده انتقال­دهنده حفره، با بکارگیری ZIF-8 در لایه بالایی TiO2، بازده سلول خورشیدی پروسکایتی با ساختار FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Au بطور متوسط از 19/5 به 11/6 %بدست آمده است. دستیابی به چنین عملکردی، با توجه به انجام تمامی مراحل لایه‌نشانی و ساخت سلول، در شرایط محیطی و خارج از گلاوباکس، قابل توجه است. نتایج این پژوهش نشان می­دهد که چارچوب­های آلی-فلزی دارای پتانسیل بالایی در ساخت سلول‌های خورشیدی پروسکایتی با بازده مناسب را دارا است.

کلیدواژه‌ها


[1]     J.P. Correa-Baena, M. Saliba, T. Buonassisi, M. Grätzel, A. Abate, W. Tress, A. Hagfeldt, “Promises and challenges of perovskite solar cells.” Science, 358, 739-744, 2017.
[2]     N. J. Jeon, J. H. Noh, Y. C. Kim, W. S. Yang, S. Ryu, S. I. Seok, “Solventengineering for high-performance inorganic–organic hybrid perovskite solar cells.” Nature materials, 13, 897, 2014.
[3]     B. R. Sutherland, E. H. Sargent, “Perovskite photonic sources.” Nature Photonics, 10, 295, 2016.
[4]     F. Zhang, J. Song, M. Chen, J. Liu, Y. Hao, Y. Wang, J. Qu, P. Zeng, “Enhanced perovskite morphology and crystallinity for high performance perovskite solar cells using a porous hole transport layer from polystyrene nanospheres.” Physical Chemistry Chemical Physics, 18, 32903-32909, 2016.
[5]     G. E. Eperon, V. M. Burlakov, P. Docampo, A. Goriely, H. J. Snaith, “Morphological control for high performance, solution‐processed planar heterojunction perovskite solar cells.” Advanced Functional Materials, 24, 151-157, 2014.
[6]     H.-B. Kim, H. Choi, J. Jeong, S. Kim, B. Walker, S. Song, J. Y. Kim, “Mixed solvents for the optimization of morphology in solution-processed, inverted-type perovskite/fullerene hybrid solar cells.” Nanoscale, 6, 6679-6683, 2014.
[7]     Z. Wang, Z. Shi, T. Li, Y. Chen, W. Huang, “Stability of perovskite solar cells: a prospective on the substitution of the A cation and X anion.” Angewandte Chemie International Edition, 56, 1190-1212, 2017.
[8]     J. J. Perry IV, P. L. Feng, S. T. Meek, K. Leong, F. P. Doty, M. D. Allendorf, “Connecting structure with function in metal–organic frameworks to design novel photo-and radioluminescent materials.” Journal of Materials Chemistry, 22, 10235-10248, 2012.
[9]     S. Goswami, L. Ma, A. B. Martinson, M. R. Wasielewski, O. K. Farha, J. T. Hupp, “Toward metal–organic framework-based solar cells: enhancing directional exciton transport by collapsing three-dimensional film structures.” ACS applied materials & interfaces, 8, 30863-30870, 2016.
[10] J. L. Tatarko Jr, “The production, properties andapplications of the zinc imidazolate, ZIF-8.” 2015.
[11] J.-H. Im, H.-S. Kim, N.-G. Park, “Morphology-photovoltaic property correlation in perovskite solar cells: One-step versus two-step deposition of CH3NH3PbI3.” Apl Materials 2, 081510, 2014. .
[12]  D. Shen, A. Pang, Y. Li, J. Dou, M. Wei, “Metal–organic frameworks at interfaces of hybrid perovskite solar cells for enhanced photovoltaic properties.” Chemical communications, 54, 1253-1256, 2018.