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


عنوان مقاله [English]

Enhancing photovoltaic performance of the perovskite solar cells by using ZIF-8 MOF nanocrystals as interface layer between perovskite and electron transport material

نویسندگان [English]

  • hojat amrollahi biyoki 1
  • ahmad moshaei 1
  • mahmood borhani zarandi 2
چکیده [English]

Metal-organic frameworks (MOFs) has recently attracted significant research attention in the perovskite solar cells (PVSCs) owing to its facile solution processability and exceptional microporous structure.    In this study, due to superior properties of MOFs in their chemical and moisture stability, Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF-8) nanocrystals were used as an interlayer in conjunction with the perovskite film and electron transporting layer to surface modification of the perovskite layer and improve charge transfer in the solar cell structure. The scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) patterns show porous structure of ZIF-8 nanocrystals on mesoporousTiO
2
can acts as a scaffold for crystallization of perovskite layer with lowerdefect concentration. The optical and electrical characterization show that the ZIF-8 on the mesoporous TiO
2
layercan acts as auxiliary light absorbing layer at the short-wavelength range, leading to improved photovoltaic performance of the perovskite solar cells. As a result, the power conversion efficiencies (PCE) of the hole transport material (HTM) free perovskite solar cells with the structure of FTO/TiO
2
/CH
3
NH
3
PbI
3
/Au is enhanced from 5.19 to 6.11% when ZIF-8 is present. Achieving such a performance, due to deposition steps and solar cells fabrication have been done in environment conditions outside of glove box procedure, is significant. This study demonstrates the promising potential of using MOFs to fabricate efficient PVSCs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal-organic frameworks
  • Perovskite solar cells
  • Surface modification
  • ZIF-8
[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.