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Jul 17, 2023

逆ペロブスカイト太陽電池用の新しい正孔輸送材料としてのAgSCN

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7939 (2023) この記事を引用

1099 アクセス

85 オルトメトリック

メトリクスの詳細

チオシアン酸銀 (AgSCN) をベースとした新しい HTM は、ピン ペロブスカイト太陽電池 (PSC) で使用できるように設計されました。 大量収率を備えた AgSCN は研究室で合成され、XRD、XPS、ラマン分光法、UPS、および TGA によって解明されました。 迅速な溶媒除去アプローチにより、迅速なキャリア抽出と収集を可能にする薄くてコンフォーマル性の高い AgSCN フィルムの製造が可能になりました。 フォトルミネセンス実験では、AgSCN を添加すると、界面での PEDOT:PSS と比較して、HTL とペロブスカイト層の間の電荷移動能力が向上することが示されました。 多結晶ペロブスカイト膜の結晶学的不一致は、膜の微細構造と形態をさらに調べると発見され、AgSCN の表面にテンプレート型ペロブスカイトが発達していることを示しています。 よく知られている PEDOT:PSS によるデバイスと比較して、開回路電圧 (VOC) は、高い仕事関数を持つ AgSCN によって 0.1 ～ 1.14 V (PEDOT:PSS の場合は 1.04 V) 増加します。 電力変換効率 (PCE) が 16.66% である高性能 PSC は、制御された PEDOT:PSS デバイスの場合は 15.11% であるのに対し、CH3NH3PbI3 ペロブスカイトを使用すると効果的に生成されます。 溶液処理された無機 HTL は、耐久性があり効果的なフレキシブル ピン PSC モジュールを構築したり、ハイブリッド タンデム太陽電池のフロント セルとして使用したりするために簡単に使用できることが実証されました。

ペロブスカイト太陽電池 (PSC) の研究は、過去 10 年間で大きな進歩を遂げました。 PSC は 25.7% 以上の高い電力変換効率 (PCE) を達成しました。 それにもかかわらず、安定性の低さやコストの高さなど、さまざまな問題が依然として実用化を妨げています1、2、3、4。 従来の標準 PSC は、導電性 TCO 基板 (ITO または FTO)、電子輸送/抽出層 (ETL)、ペロブスカイトからの吸収層、正孔輸送/抽出層 (HTL)、および電極としてのバックコンタクトで構成されています5、6 。 PSC は、正孔輸送 / 抽出能力と、吸収層 (ペロブスカイト) から金属陽極 (正孔輸送材料 (HTM) または HTL) への電子移動を妨げる界面調整が成功しているため、効果的な PSC にとって重要です。 PTAA、Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS などの高度な HTM は、今日から商品化できます 8、9、10。 ただし、結晶化度の制限、移動性の低さ、高コスト、および湿気による潜在的な空気劣化は、これらの有機 HTM の問題の一部にすぎません 11、12。 低い処理温度で非常に安定した、無機、熱的、化学的に適合する代替品は非常にまれです 13,14。 効率の高い PSC のための、最新かつ低コストで入手しやすい HTM 代替品の作成は、当然ながら不可欠です。 適切な HTM には、高い移動度、最高度の占有分子軌道 (HOMO) エネルギー、および安定した化学的/物理的特性が必要です 14,15。 高い移動度、安定性、合成の容易さ、低コストを考慮すると、無機 p 型半導体は有機 HTM よりも優れた選択肢です 13、14、16。

PEDOT:PSS17 の有機正孔伝導体は、反転プレーナ PSC に基づく無機 HTM p 型材料に置き換えられます。 プレーナ型ヘテロ接合 PSC の VOC は、ペロブスカイト/電荷輸送中間層界面を介して大幅に確立されるため、PEDOT:PSS と CH3NH3PbI3 の間の界面でエネルギー損失が発生し、VOC18 が減少する可能性があります。 たとえば、PEDOT:PSS と比較した場合、CuSCN は VB = − 5.3 eV および CB = − 1.8 eV のエネルギー レベルで区別され、これは CH3NH3PbI3 (VB = − 5.4 eV) と一致します。 さらに、CuSCN は、3.6 eV の広いバンドギャップ (Eg) により、UV-Vis-NIR の範囲全体で優れた透明性を実現し、光活性材料が反転構造でより多くの光を吸収し、より高い光電流を生成することが容易になります 19。 この研究では、CuSCN20 の代替無機 HTM として AgSCN を採用しています。 特に、相補型金属ジカルコゲニド（CdTe）太陽電池21におけるCuおよびAgのドーピング源としての使用以外、溶液処理されたCuSCNおよびAgSCNは、無機HTLベースのPSCとして報告されていません。 CuSCN の利点は、正孔輸送層と Cu ドーピング源の両方として機能できることですが、AgSCN は抵抗率が高く、拡散速度が遅い Ag ドーピング源としてのみ機能する可能性があるという事実にあります21。 表S1（SI）では、AgSCNの新しい結果と比較して効率を高めるために、2015年から2020年の期間の無機HTMとしてCuSCNに基づく逆型PSCの光起電力パラメータをまとめました。 CuSCN は Cu+ で構成されていることが知られていますが、Cu+ は Cu2+ よりも安定性が低く、化学的安定性にとって望ましくないものです。 この構造は、イオンが他の分子に結合するときのイオンのエンタルピー (水和エネルギー) に依存しています。 Cu2+ イオンは Cu+ イオンよりも電荷密度が高く、より強い結合を形成して余分なエネルギーを放出します 22、23、24。

この研究では、HTL としての AgSCN を、吸収層としての CH3NH3PbI3 に基づく逆 PSC アーキテクチャの溶液処理を通じて初めて研究しました。 ピン型デバイスのアーキテクチャは、ITO/AgSCN/CH3NH3PbI3/PCBM/BCP/Ag で構成されます。 AgSCN-HTL を使用することによる予備実験では、16.66% の最大 PCE が得られました。

０．１ｍｏｌ／Ｌの塩化銀（ＡｇＣｌ）粉末を、連続的に撹拌しながら１時間かけて再蒸留（ＤＤ）水に溶解した。 撹拌終了後、透明な塩化銀溶液を０〜５℃の室温で１日間保管した。 ０．１ｍｏｌ／Ｌのチオシアン酸アンモニウム（ＮＨ ４ ＳＣＮ）を、１時間連続撹拌しながらＤＤ水に溶解した。 次に、塩化銀からの溶液を三角フラスコ（３００ｍＬ）に入れ、ＮＨ ４ ＳＣＮからの溶液を３時間撹拌しながら徐々に加えた。 AgSCNナノ構造からの沈殿物が析出した。 得られた沈殿物を水で何度も洗浄した後、真空オーブン中60℃で6時間脱水した。 1ステップの反応機構は以下の図1の通りです。

AgSCN の分子構造と合成手順。

超音波洗浄システムを使用して、ITO コーティングされたガラス (2 cm × 2 cm) のサイズの ITO 基板を洗浄しました。最初に洗浄剤と脱イオン水の組み合わせに浸し、その後脱イオン水で何度もすすぎました。 異なる濃度の硫化ジプロピル中での AgSCN のスピニングは、室温で 30 秒間、ITO 基板上で 3000 rpm での HTL 調製に慣れました。 AgSCN 薄膜の堆積は、相対湿度 (RH) 25 ～ 30 の乾燥グローブ ボックス内で行われ、ペロブスカイト層の堆積が始まる前に少なくとも 30 分間放置されます。 文献１８によれば、参照ＨＴＬとしてのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、大気中で（グローブボックスの外で）６０００ｒｐｍで４０秒間スピンコートされた。 その後、HTL でコーティングされた基板を次のステップのためにグローブ ボックスに移しました。 HTL 上の活性層は、ペロブスカイト前駆体溶液を 4000 rpm で 30 秒間スピン コーティングすることによって堆積されました。 12 秒後、350 \(\mu \) L のクロロベンゼンが垂直に鋳造されました。 50℃で90秒間のアニーリングの後、スピンコートされたフィルムを別のホットプレートに移し、100℃で10分間アニーリングしました。 PC61BM の溶液を 4000 rpm で 30 秒間、ペロブスカイト吸収体シート上の ETL に堆積させました。 30 秒間、BCP 溶液の緩衝層を 2000 rpm で回転させて表面を覆いました。 次に、セルを熱蒸発器のチャンバーに移し、120 nm で Ag を加熱蒸発させ、最終的にバックコンタクトを形成しました。 電極 ITO と Ag の間の重なりにより、0.1 cm2 の活性領域が明らかになります。

日本の島津製作所では、XRD-7000 X 回折計を使用して XRD パターンを測定しました。 TGA/DTA を使用して STA504 を評価しました。 ＵＶ吸収スペクトルを測定するために、島津ＵＶ−２５５０分光計を使用した。 ペロブスカイト層の粒径は、電界走査電子顕微鏡 (SEM、JSM-6700F) を使用して測定されました。 Thermo Fisher ESCALAB 250Xi を使用して、紫外光電子のスペクトルを分析しました。 AgSCN および PEDOT:PSS サンプルは、基板の角に配置された 4 つのはんだ付けポイントを使用して、Van der Pauw 幾何学形状 (Ecopia HMS-3000) でのホール効果測定によって特性評価されました。 660D 電気化学ワークステーション (Shanghai Chen hua Instrument Co., Ltd.、中国) を使用して、AC インピーダンス スペクトルを測定しました。 Newport シミュレーター (モデル 94043A) を使用して JV 曲線を取得し、シミュレートされた光強度は 100 mW/cm2 に設定され、Keithley 2400 光源メーターを使用して測定されました。 10 mV の電圧ステップと 0 ミリ秒の遅延で、-1.2 ～ 0.2 V の逆方向スキャンを実装しました。測定条件は 25 ～ 30 °C でした。 ロックインアンプ (SR-830​​) を使用して、操作された単色光によって生成された光電流を取得しました。 デバイスの EQE は、測定された光電流と光の強度を計算することによって決定されました。

図 1 に見られるように、新しい HTM は従来の沈殿反応を使用して妥当な収率で合成されました。 光物理的、電気化学的、熱的、電子構造の特徴と、HTM に関連する特性が体系的に調査されました。 AgSCN粒子のX線回折研究については、図2aを参照してください。 XRDスペクトルのピークは明らかに異なります。 すべては、ピーク位置だけでなく相対強度においても、結晶性 AgSCN に正確にインデックス付けできます。 すべてのパターンは AgSCN と非常によく一致し、JCPDS: 29–1443 と一致しました。 群内空間: C2/c、a = 8.774 Å、b = 7.972 Å、および c = 8.182 Åも一致しました。 2θ = 15.03°、18.97°、21.77°、24.87°、25.99°、28.88°、33.82°、36.96°、40.20°、48.42°のインデックス付きピークは、AgSCN 結晶 (110) の単斜晶面に割り当てられました。 (111)、(002)、(−112)、(−202)、(221)、(130)、(312)、(402)25,26。 図 2b は、AgSCN が細胞内で 8 分子の単斜晶系であることを示しています。 SCN- グループは、結合角 179.6(5)° を持ち、ほぼ直線的な分子構造を持っています。 低銀銀相互作用の長さは、AgSCN27 の一次元配列のジグザグのように、0.3249(2) ～ 0.3338(2) nm の範囲にあります。 顕著なピークの鋭い形状によって証明されるように、AgSCN には、再結合中心によって光誘起電荷を改善する欠陥がほとんどありませんでした。 したがって、AgSCNは、正孔抽出能力の高いHTLとして利用できる可能性がある。 一方、AgSCN の特性を評価するために、ラマン分光分析をさらに実行しました。 図S1、補足情報（SI）は、AgSCN内のSCNとCNを延長する対称的な振動を示し、2150および710cm-128のピークをもたらします。

(a) AgSCN の合成 HTM の X 線回折分析と対応する JCPDS カード。 (b) AgSCN 結晶の分子構造。

AgSCN の XPS の概要を図 3a に示し、すべての AgSCN ピークを示しています 29。 図 3b では 2 つのピークが観察され、Ag 3d XPS スペクトルを示しています。 それぞれ、368.4 eV での Ag 3d5/2 と 374.4 eV での Ag 3d3/2 は、一価の Ag 条件を示唆しています。 図3cでは、163.2 eVと164.4 eVのピークはSCN-のS 2pに割り当てられます。 図3dの284.5および286.25 eVのピークは、グループC〜CおよびSCN - に対応します。 図3eでは、N 1 s XPSスペクトルは、398.3 eVに現れたピークがカテゴリC = N – C30に属していることを示しています。

Ｘ線光電子分光分析には、（ａ）本発明のＡｇＳＣＮのすべてのピークを示す生成物のサーベイＸＰＳ、（ｂ）Ａｇ３ｄ、（ｃ）Ｓ２ｐ、（ｄ）Ｃ１ｓ、および（ｅ）Ｎ１ｓが含まれる。 。

ペロブスカイトと HTM 間のエネルギー準位を適切に調整することは、PSC のエネルギー損失を抑制するために重要です。 図４および図Ｓ２（Ｓ１）では、ここに示されているＵＰＳスペクトルは、ＡｇＳＣＮ薄膜の仕事関数を調査するために使用されている。 広域 UPS の全体を図 S2 (SI) に示します。 図4a、bで明らかになったように、AgSCNのフェルミエネルギー準位は、報告されているように、CuSCNの最も近い構造と比較して大幅にダウンシフトしました31、32、33。 AgSCN の場合、2 番目のカットオフでは、仕事関数はすべて ΦAgSCN = 16.15–21.22 eV = –5.07 ± 0.1 eV から計算される 5.07 eV 付近です13,34,35,36。 計算の詳細については、SI を参照してください。 フェルミ準位と仕事関数値を収集すると、価電子帯 (VB) は – 5.32 ± 0.2 eV になります。 AgSCN のエネルギーレベルの増加は、AgSCN とペロブスカイト間のバンドの整列を大幅に促進する可能性があります。 したがって、AgSCN は、PEDOT:PSS (前回の研究で実験的に測定した 37) および CuSCN のそれぞれ - 5.1 および - 5.3 eV と比較して、わずかに高い - 5.32 eV の VB を持っています 18,38。 AgSCN の仕事関数は、研究された他のペロブスカイトの仕事関数 (-5.4 eV) よりも正孔輸送と電子阻止によく適合していました。 強化された仕事関数は、HTL VB とペロブスカイト (VB) の間の可能性のある区別を増やすことにより、デバイスの VOC を高める可能性もあります 18。 AgSCN の CB を決定するために、図 4c に示すように、透過率スペクトル 39 を通じて αhʋ = A(hy − Eg)n (Tauc の方程式) によって AgSCN 薄膜の光学帯域を取得しました。 直線の曲線は、AgSCN の光学バンドギャップ (Eg) が 3.95 ± 0.1 eV に等しいことを示しています。 したがって、CB の最小値は最大 - 1.37 ± 0.1 eV になります。 図4dのエネルギー準位の概略図に示すように、逆構造PSCの有名なHTLとして使用されるPEDOT：PSSと比較して、AgSCNとペロブスカイト層の間の良好なエネルギー一致が注目されます。 ITO / PEDOT:PSSおよびITO / AgSCN薄膜の透過スペクトルを図S3に示します。 ITO/PEDOT:PSS と比較すると、AgSCN の伝送は、より重要な伝送のビットに関しては変化がなく、変換出力には影響しません。

(a) 紫外光電子分光法 (UPS) は価電子帯最大エネルギー (VBM) を示し、(b) AgSCN サンプルの仕事関数 (WF) を示します。 (c) Tuac の AgSCN 計算による直接バンドギャップ遷移。 (d) 真空に対して配置された概略エネルギーバンド図を備えた AgSCN ベース (ピン) PSC のデバイス アーキテクチャ。 (e) HTL として AgSCN を使用した基板上の PSC の断面 SEM 画像。

図4dに示されているITO / AgSCN / MAPbI3 / PCBM / BCP / AgからなるPSCデバイスの構成は、HTL層がペロブスカイトデバイスの機能にどのような影響を与えるかを知るために選択されました。 実験セクションには、デバイスの作り方の完全な説明が含まれています。 反転デバイス設計の断面の電界放射型走査電子顕微鏡（FE-SEM）写真を図4eに示します。ガラス/ITO、CH3NH3PbI3を含むAgSCN HTL、ETLとしてスピンコートされたPCBM、バッファ層としてBCP 、最後に上部電極として Ag を使用します。 AgSCN HTL に基づいた改良された効率的なセルは、その長さに沿って均一な堆積を有することが SEM 画像に示されています。 デバイスの製造プロセスは、ITO ガラスの上に極薄の AgSCN (50 nm) 層を形成することから始まりました。 次に、均質で緻密な厚さ 350 nm の MAPbI3 膜を、高品質のペロブスカイト層と優れた結晶性を備えた AgSCN 基板またはリファレンスとして PEDOT:PSS 上に堆積しました。どちらも電荷の効率的な生成と移動に役立つと期待されています。 。 その後、厚さ約 150 nm の PCBM/BCP 層をその上に塗布しました。 最終的には、Ag 電極をベースとした 120 nm を介してバック コンタクトが提供されました。 前述のデータに基づく図 4 の概略レベル図は、電子と正孔の効率的な伝達と抽出を説明しています。

ペロブスカイト太陽電池の活性層の吸光度は、電子正孔対の生成に非常に重要であり、セルの最終効率を一貫して決定します。 したがって、ITO / AgSCNまたはPEDOT：PSS / CH 3 NH 3 PbI 3 膜とHTMなしのITO / CH 3 NH 3 PbI 3 膜の吸収スペクトルが図S4で比較されます。 3 つのフィルムのほぼ同一の吸収挙動は、HTL として AgSCN を選択した方が PEDOT:PSS よりも優れており、CH3NH3PbI3 フィルムの吸収特性に影響を与えないことを示しています。 AgSCN または PEDOT:PSS の HTM に基づいて、光電子欠陥とペロブスカイト層の結晶性の影響を研究します。 アーバッハエネルギー（Eu）は、SIの詳細で説明されているアーバッハの経験則に基づいて吸収スペクトル（図S4）から導出されます。 図5aは、AgSCNおよびPEDOT:PSSを含む場合と含まない場合の基板上のCH3NH3PbI3層のEuを示しています。 AgSCN、PEDOT:PSS、CH3NH3PbI3 膜の Urbach エネルギーは、それぞれ 54、63、72 meV と計算されました。 HTL を含まない CH3NH3PbI3 膜の Eu 値は、AgSCN、PEDOT:PSS 膜よりも高く、より多くの欠陥状態と無秩序な原子を示していることがわかります。 したがって、吸収層は、HTM40、41 の AgSCN に基づいて改善されました。

(a) AgSCN および PEDOT:PSS を含む場合と含まない場合の基板上の CH3NH3PbI3 層のアーバッハ エネルギー (Eu)。 (b) PL、(c) 時間分解フォトルミネッセンス (TRPL) 分光法を使用して、HTL として AgSCN と PEDOT:PSS 薄膜のスペクトルを比較します。 （ d ）参照デバイスとしての AgSCN および PEDOT:PSS の最適条件に基づいて準備されたデバイスの J - V 曲線。 (e) 最適化された AgSCN および PEDOT:PSS の統合された JSC および EQE スペクトル。 （ f ）PSCから作成されたデバイスと、太陽AM1.5照明下で0.8 VのDCバイアスでのAgSCNおよびPEDOT：PSS基板の対応するナイキストプロット（点線は近似曲線を示します）。

HTL としての AgSCN の有益な機能を調査するために多くの研究が行われてきました。 たとえば、AgSCN-HTL 層の電荷抽出能力を評価するために、定常状態のフォトルミネッセンス (PL) 消光実験が設定されました。 PEDOT:PSSの正孔抽出効率は、吸収体としてCH3NH3PbI3を使用した図5bの参照AgSCN層の正孔抽出効率と比較されています。 図５ｂから、ＡｇＳＣＮ膜はより効率的なＰＬ消光を示すため、ＡｇＳＣＮはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳよりも効率的に正孔を抽出できることが明らかである。

HTL フィルムの調製に最適な濃度を最適化するために、さまざまな濃度 (5、15、25、および 35 mg/mL) で AgSCN をスピンコートしました。 比較研究では、セルの製造条件を保証するために、PEDOT:PSS ベースのデバイスが製造されています。 AgSCN の最適濃度は 25 mg/mL であることがわかりました。 さらに、25 mg/ml の AgSCN について測定された正孔移動度 (\({\upmu }_{h}\)) は \(\sim \) 2.1 \(\times \) 10–2 cm2/V に達しました。 /s を PEDOT:PSS の \(\sim \) 5 \(\times \) 10–5 と比較しました。 図 S5 は、逆走査方向で得られた測定電流電圧 (JV) 曲線を示し、表 S2 はデバイスの動作特性をまとめています。 図 S5 および表 S2 は、25 mg/mL 溶液から製造された AgSCN HTL の 16.66% という最高 PCE を示しています。 このチャンピオン デバイスでは、VOC の値として 1.14 V、FF 77.01%、JSC 19.00 mA/cm2 が得られます。 効率は急激に低下し、AgSCN 濃度はそれぞれ 15 mg/mL および 5 mg/mL に 15.63% および 11.02% 減少します。 最高濃度の 35 mg/mL では、デバイスは PCE、VOC、FF、JSC に対してそれぞれ 14.33%、1.11 V、67.53%、および 19.17 mA/cm2 を達成しました。 結果として、AgSCN 濃度の制限は 25 mg/mL 以下に設定する必要があります。 図5dは、AgSCNベースとPEDOT:PSS-HTLベースの最良のデバイスのJ-V曲線を比較しています。 AgSCN ベースの PSC デバイスは、PEDOT:PSS-HTL ベースのデバイスの 15.11% PCE (VOC = 1.04 V、JSC = 18.17 mA/cm2、および FF = 0.80) と比較して、良好な性能を示します。 VOC、JSC、FF、および PCE の全パラメーターを表 1 に示します。AgSCN ベースのデバイスでは、膜の結晶性が高く、電荷移動が良好であるため、SEM および PL 特性評価と互換性があり、JSC 値と VOC が増加します。

さらに、図に示すように、AgSCN 基板は 20 ～ 25 nm の範囲の小さな均質な粒子を含む均一な表面形態を有し、参照 PEDOT:PSS の場合は 20 ～ 30 nm の範囲の均質な粒子を含む同じ方向の均一な表面形態を有することがわかりました。 S6a、b。 図S6c、dに示すように、成功的に達成されたAgSCNの薄膜は、ピンホールがなく、大きな粒子を備えたより優れたペロブスカイト膜を作成しましたが、PEDOT:PSSの薄膜は、ピンホールが発見された同様の品質のペロブスカイト膜を作成しました。 さらに、図は、ペロブスカイト層の粒径が、PEDOT:PSS と AgSCN でそれぞれ 250 ～ 300 nm と 300 ～ 350 nm に調整されていることを示しています。

デバイスのJSCも、EQEスペクトルまたは外部量子効率スペクトルを使用して検査されました（図5e）。 EQE スペクトルからの積分電流密度 (JSC) は、AgSCN デバイスと PEDOT:PSS-HTL デバイスでそれぞれ 18.87 と 18.01 mA/cm2 であることがわかり、これは J-V 測定とよく一致します。 また、PSC 界面での電荷輸送に対する AgSCN の有効性をテストするために、デバイスの電気化学インピーダンス分光法 (EIS) が行われます。 図5fは、AM1.5照明および0.8Vのバイアスで測定したHTLとしてのAgSCNおよびPEDOT:PSSデバイスのナイキストプロットを示し、対応する曲線のフィッティング結果を同じ図5fに示します。 フィッティング結果から、PEDOT:PSS および AgSCN ベースのデバイスの電荷移動抵抗 (Rtrans) 値は、それぞれ 512.8 および 408.2 \(\Omega \) であることがわかりました (表 S3)。 低い Rtrans 値は、AgSCN と CH3NH3PbI3 膜の間の界面相互作用が改善されていることを示しており、光生成正孔がペロブスカイト層から効果的に抽出されます。 したがって、EIS分析を使用したシステム分析により、AgSCN HTLが電荷輸送の改善とデバイス界面での電荷再結合の減少につながり、プレーナ型反転型PSCの光起電力効率が向上することがさらに検証されました。

図 S7 (SI) と表 S4 は、PSC 内の AgSCN と PEDOT:PSS HTL の再現性を比較しています。 デバイス統計には、AgSCN HTL に基づくデバイスの PCE など、限られた分布のパラメーターが表示され、優れた再現性が示されています。 図S8では、AgSCNの熱安定性を分析するために、30〜600℃の酸素雰囲気中でTGAおよびDTAが実行されました。 図 S8 は、330 °C で 55% (計算値 55.80%) の質量損失を伴う AgSCN 崩壊の発熱段階を示しています。 質量損失の計算により、AgO と Ag2O が分解の最終生成物であることが明らかになりました。 AgSCN の 550 °C での優れた熱安定性は、ポリマー構造と対応するシアン化物錯体によるものと考えられます 42。

一方で、PSC の安定性の向上を考慮する必要があります。 その結果、AM1.5 の光および温度範囲 (25 ～ 30 °C) の下での当社の PSC の安定性は、カプセル化なしで約 500 時間テストされました。 図S9に示すように、AgSCNを含むPSCは、対照PEDOT:PSSベースのPSCと比較した場合、例外的な長期安定性を実証しました。 AgSCN を備えた PSC の PCE は、初期効率の約 80.9% を維持し、相対湿度 48% の雰囲気で 500 時間連続して動作測定した後、16.7 % から 13.52% に変化しました。 同じテスト条件下では、PEDOT:PSS ベースの PSC の PCE は 15.11% から 9.43% にほぼ低下しており、安定性が低く、劣化速度が速いことがわかります。

逆型 PSC の場合、チオシアン酸銀 (AgSCN) は潜在的な正孔輸送材料 (HTM) です。 逆型 PSC は、従来のペロブスカイト太陽電池に比べて優れた信頼性と高い電力変換効率 (PCE) により、多くの関心を集めています。 ただし、HTM はペロブスカイトのエネルギー準位を満たし、高い正孔移動度、優れた安定性、および適合性を備えている必要があるため、逆 PSC に適した HTM を見つけるのは困難な場合があります。 AgSCN の高い正孔移動度 (約 2.1 × 10-2 cm2/V/s) は、ペロブスカイト層から正孔を効果的に除去することが示されています。 ペロブスカイトと HTM の接触におけるエネルギー損失も、ペロブスカイトとの良好なエネルギーレベル調整によって軽減されます。 AgSCN の仕事関数は PEDOT:PSS よりも高く (それぞれ - 5.32 および - 5.1)、PEDOT:PSS よりも活性層としての CH3NH3PbI3 の VB と一致し、CH3NH3PbI3 の VB から AgSCN への h+ 移動のエネルギー損失が減少します。 したがって、仕事関数の向上により、HTL VB とペロブスカイト層の間の可能性のある区別が増加することにより、デバイスの VOC も増加する可能性があります18。 これにより、ペロブスカイト層から HTL への電荷キャリアの移動の駆動力がより大きくなるため、PSC の VOC が高くなる可能性があります。

AgSCN の高温安定性は、IPSC デバイスの耐久性にとっても良い兆候です。 図5cに示すように、時間分解PL（TRPL）の結果は、定常状態のPL消光の結果と一致しています。 これらの結果は、ペロブスカイトと AgSCN 間の効率的な正孔移動の存在を実証することにより、効果的な電荷の抽出と収集の必要性を強調しています。 若干高い AgSCN-HTL ベースのデバイスの EQE 値は、電荷抽出の改善と電荷収集の強化によるものであり、デバイスのパフォーマンスが優れていることを示しています。 AgSCN-HTL ベースのデバイスにおける改善された開路電圧 (VOC) は、再結合が少ないことを示唆しており、これは AgSCN-HTL がトラップ状態を減少させ、エネルギーバンドのアライメントを改善するという考えと一致しています。 AgSCN-HTL を使用したペロブスカイト太陽電池 (PSC) 効率の最初の試行は、PEDOT:PSS-HTL を使用したほとんどのデバイスの効率よりも大幅に優れており、ペロブスカイト層および/またはその両方を最適化することでさらなる改善が可能であると結論付けています。電子輸送層（ETL）の厚さ。 全体として、この段落は、AgSCN-HTL の使用により、トラップ状態の減少、エネルギーバンドのアラインメントの改善、および電荷収集の強化により、PEDOT:PSS-HTL と比較して PSC の性能が向上するという証拠を提供します。 これは、HTL の選択を最適化することで PSC の全体的な効率を向上させることができることを示唆しているため重要であり、これは持続可能なエネルギー源として PSC が広く普及するために重要です。

PEDOT:PSS ベースのデバイスの安定性の低下に関しては、PSC の安定性に対する PEDOT:PSS の影響が広範囲に研究されており、この研究での安定性テストに基づいて、PEDOT の酸性の性質を示唆する証拠があります。 PSS は時間の経過とともに劣化を引き起こす可能性があります。 PEDOT:PSS はプロトンを放出してペロブスカイト層を酸性化し、ヨウ化鉛の形成と太陽電池の性能の損失を引き起こす可能性があることが示されています 43,44,45。 AgSCN の場合、溶媒として使用される硫化ジプロピルは非常に揮発性が高く、スピン コーティング内ではペロブスカイト層の劣化には影響しません。

要約すると、AgSCN は、その高い正孔移動度、適切なエネルギー準位の整列、および良好な安定性により、反転型 PSC にとって有望な HTM です。 パフォーマンスを最適化し、基礎となるメカニズムを理解するにはさらなる研究が必要ですが、より効率的で安定した IPSC デバイスの開発を可能にする可能性があります。

結論として、我々は室温溶液プロセスで初めて AgSCN を HTL として使用して CH3NH3PbI3 ベースの PSC を作成し、それをプレーナピン構成 PSC に挿入することで効率が 16.66% 向上しました。 AgSCN を HTL として使用すると、太陽電池の PCE は、PEDOT:PSS を HTL として使用した場合よりも 1% 以上高くなります。 この違いは主に、VOC の 0.1 V の劇的な上昇と、FF と JSC のわずかな増加に起因します。 実験データからは、主に良好なエネルギー準位分布、優れた電荷移動度、正孔抽出能力による優れた結果が明らかになりました。 25 mg/ml の AgSCN の正孔移動度は、 \(\sim \) 5 \(\time \) 10 と比較して \(\sim \) 2.1 \(\time \) 10–2 cm2/V/s に達しました。 –5. この低温、低コストの AgSCN 製造方法は、簡単で拡張性があると考えられており、ペロブスカイトベースのフレキシブルデバイスや太陽光発電技術の商業化に良い前兆となります。 要するに、AgSCN は、低温での作業が簡単で、毒性がなく、安価なライバルです。 ペロブスカイトで作られたタンデムデバイスや高効率のピン接合太陽電池を作成するための有力な候補です。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開論文に含まれており、要求に応じて責任著者を通じて入手できます。

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この研究は、エジプト科学技術イノベーション資金庁 (STDF) (助成金番号 25250)、および科学研究技術アカデミー (ASRT) によって支援されました。

科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。

電子および磁性材料部門、中央冶金研究開発研究所 (CMRDI)、ヘルワン、私書箱 87、カイロ、11421、エジプト

アーメド・ムルタダ・エルセマン

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転載と許可

Elseman 氏、AM AgSCN は、逆ペロブスカイト太陽電池用の新しい正孔輸送材料として使用されています。 Sci Rep 13、7939 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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受信日: 2023 年 4 月 6 日

受理日: 2023 年 5 月 12 日

公開日: 2023 年 5 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35081-z

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