揮発性塩化アルキルアンモニウムによるペロブスカイト層の成長制御

Jun 25, 2023

Nature volume 616、pages 724–730 (2023)この記事を引用

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溶媒エンジニアリング 1,2 や塩化メチルアンモニウム添加 3,4,5,6,7 などの方法によってペロブスカイト層の結晶化度と表面形態を制御することは、高効率ペロブスカイト太陽電池を実現するための効果的な戦略です。 特に、α-ホルムアミジニウムヨウ化鉛（FAPbI3）ペロブスカイト薄膜は、優れた結晶性と大きな粒径により欠陥が少なく、成膜することが重要です。 今回我々は、FAPbI3に添加した塩化アルキルアンモニウム（RACl）の組み合わせによるペロブスカイト薄膜の結晶化制御を報告する。 ＦＡＰｂＩ３のδ相からα相への転移と、様々な条件下でのＲＡＣｌでコーティングされたペロブスカイト薄膜の結晶化過程と表面形態を、その場斜入射広角Ｘ線回折と走査型電子顕微鏡によって調べた。 前駆体溶液に添加された RACl は、FAPbI3 の PbI2 への RA⋯H+-Cl- の結合によって誘発される RA+ の脱プロトン化に伴う RA0 と HCl への解離により、コーティングおよびアニーリング中に容易に揮発すると考えられました。 したがって、RAClの種類と量は、最終的なα-FAPbI3のδ相からα相への転移速度、結晶化度、優先配向および表面形態を決定した。 得られたペロブスカイト薄層により、標準照明下で 26.08% (認定値 25.73%) の電力変換効率を備えたペロブスカイト太陽電池の製造が容易になりました。

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ニュージャージー州ジョンら。 高性能無機-有機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池のための溶媒工学。 ナット。 メーター。 13、897–903 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

チャオ、L.ら。 ペロブスカイト太陽電池の大面積生産に向けた前駆体溶液の溶媒工学。 上級メーター。 33、2005410 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

フェイ、C.ら。 高性能太陽電池に向けたテクスチャーされたペロブスカイト膜の制御された成長。 ナノエネルギー 27、17–26 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ヤン、M.ら。 スケーラブルな高効率太陽電池向けの広い処理ウィンドウを備えたペロブスカイト インク。 ナット。 エネルギー 2、17038 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ニュージャージー州ジョンら。 高効率で安定したペロブスカイト太陽電池用のフルオレン終端正孔輸送材料。 ナット。 エネルギー 3、682–689 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ミン、H.ら。 SnO2 電極上に原子的にコヒーレントな中間層を備えたペロブスカイト太陽電池。 Nature 598、444–450 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

キム、M.ら。 塩化メチルアンモニウムは、効率的なペロブスカイト太陽電池の中間相安定化を引き起こします。 ジュール 3、2179–2192 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

リー、P.ら。 高性能 2D ～ 3D ヘテロ構造ペロブスカイト太陽電池用の純粋な 2D ペロブスカイト。 上級メーター。 30、1805323 (2018)。

記事 Google Scholar

Jung, M.、Shin, TJ、Seo, J.、Kim, G. & Seok, SI 高効率で安定した太陽電池用の界面活性剤で被覆されたメチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイトの構造的特徴とその機能。 エネルギー環境。 科学。 11、2188–2197 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

マサチューセッツ州マフムードほか。 高性能混合次元 2D-3D ペロブスカイト太陽電池における効率と安定性向上の起源: レビュー。 上級機能。 メーター。 32、2009164 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

ユン、H.-S. 他。 α-ホルムアミジニウム三ヨウ化鉛ペロブスカイト層のエタノールベースのグリーン溶液処理。 ナット。 エネルギー 7、828–834 (2022)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Dong, Q. et al. 金属ハロゲン化物ペロブスカイト前駆体コロイドの不可逆分解における有機アミンの重要な役割: メカニズムと阻害戦略。 ACSエネルギーレター 7、481–489 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Liang、J.ら。 揮発性 2D ラドルスデン ポッパー ペロブスカイト: α-ホルムアミジニウム三ヨウ化鉛太陽電池の毒。 上級機能。 メーター。 Rev. 32、2207177 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、Y.ら。 効率的かつ安定したFAPbI3ペロブスカイト太陽電池用の塩化プロピルアンモニウム添加剤。 上級エネルギーメーター。 11、2102538 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Park、B.-w et al. ペロブスカイト太陽電池用塩化イソプロピルアンモニウムによるホルムアミジニウム三ヨウ化鉛α相の安定化。 ナット。 エネルギー 6、419–428 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ミン、H.ら。 α相ホルムアミジニウムヨウ化鉛の固有バンドギャップを利用した効率的で安定した太陽電池。 サイエンス 366、749–753 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ハン、Ｑら。 単結晶ホルムアミジニウムヨウ化鉛 (FAPbI3): 構造的、光学的、電気的特性についての洞察。 上級メーター。 28、2253–2258 (2016)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ニュージャージー州ジョンら。 高性能太陽電池用ペロブスカイト材料の組成工学。 ネイチャー 517、476–480 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Huang, Y.、Lei, X.、He, T.、Jiang, Y.、Yuan, M. ホルムアミジニウム主体のペロブスカイト太陽光発電に関する最近の進歩。 上級エネルギーメーター。 12、2100690 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Lu、H.ら。 高効率で安定した黒色相 FAPbI3 ペロブスカイト太陽電池の蒸気アシスト蒸着。 サイエンス 370、eabb8985 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Song, S. et al. 効率的で安定したホルムアミジニウムペロブスカイト太陽電池のための有機スペーサーカチオンの分子工学。 上級エネルギーメーター。 2001759 年 10 日 (2020 年)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang, T. et al. 高効率ペロブスカイト太陽電池のためのα-FAPbI3の低温自発結晶化。 科学。 ブル。 64、1608–1616 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Li, G.、Zhang, T.、Xu, F. & Zhao, Y. フラッシュ結晶化によるペロブスカイト太陽電池用の、大粒で純粋な相の α-FAPbI3 の容易な堆積。 メーター。 Today Energy 5、293–298 (2017)。

記事 Google Scholar

Du、T.ら。 無添加で安定なα-FAPbI3ペロブスカイトを低温結晶化。 上級メーター。 34、2107850 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Zheng、G.ら。 カチオンカスケードによるハイブリッドペロブスカイト多結晶膜のファセット配向の操作。 ナット。 共通。 9, 2793 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

タン、WL 他塩化物由来のハイブリッドペロブスカイト薄膜における微細構造進化のメカニズムとしての配向結合。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 11、39930–39939 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

チェン、Z.ら。 効率的なペロブスカイト太陽電池用の半導体グレードのα-FAPbI3 膜の室温形成。 セル代表物理学。 科学。 1、100205 (2020)。

記事 Google Scholar

Yadavalli、SK et al. ペロブスカイト太陽電池用のホルムアミジニウム三ヨウ化鉛薄膜における優れた粒子成長と安定性のメカニズム。 アクタ・メーター。 193、10–18 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Yadavalli, SK、Zhou, Y. & Padture, NP δからαへの相変態によって引き起こされるホルムアミジニウムヨウ化鉛ペロブスカイト薄膜における例外的な粒子成長。 ACSエネルギーレター 3、63–64 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Xie、F.ら。 高効率で安定したホルムアミジニウムベースの逆構造ペロブスカイト太陽電池のための垂直再結晶。 エネルギー環境。 科学。 10、1942 ～ 1949 年 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、H.ら。 ペロブスカイト前駆体への Cl の取り込みがペロブスカイト太陽電池の結晶成長と保存安定性に及ぼす影響。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 11、6022–6030 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

リー、J.-W. 他。 2D ペロブスカイト安定化相純粋ホルムアミジニウム ペロブスカイト太陽電池。 ナット。 共通。 9、3021 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

ストーン、KH et al. PbCl2 由来の MAPbI3 における結晶前駆体からペロブスカイトへの変換。 ナット。 共通。 9, 3458 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, X. et al. ペロブスカイト溶液の老化: 何が起こったのか、そしてどのように抑制するのか? Chem 6、1369–1378 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao, Y. & Zhu, K. 熱分解によるバンドギャップ 1.8 eV CH3NH3PbI2Br ナノシートに基づく効率的な平面ペロブスカイト太陽電池。 混雑する。 化学。 社会 136、12241–12244 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Stolterfoht、M. et al. 高効率大面積ピンペロブスカイト太陽電池の界面再結合の可視化と抑制。 ナット。 エネルギー 3、847–854 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Le Corre、VM et al. 空間電荷制限電流測定により、メタルハライドペロブスカイトの電荷キャリア移動度と欠陥密度を明らかにします。 ACSエネルギーレター 6、1087–1094 (2021)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Duijnstee、EA et al. メタルハライドペロブスカイトの空間電荷制限電流測定の理解に向けて。 ACSエネルギーレター 5、376–384 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

ミン、H.、ジ、S.-G. & Seok, SI 中性配位子による外部歪みハロゲン化物ペロブスカイト薄層の緩和。 ジュール 6、2175–2185 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

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この研究は、科学・情報通信・未来計画省(MSIP)の資金提供を受けた韓国国立研究財団(NRF)を通じて、基礎科学研究プログラム(NRF-2018R1A3B1052820)によって支援されました。 HJM と TJS は、NRF 契約番号 (NRF-2018R1A5A 1025224) からの財政的支援を認めています。 最後に、浦項加速器研究所の機器の使用とビームラインスタッフのサポートをしていただいたUCRF（UNIST中央研究施設）に感謝します。

これらの著者は同様に貢献しました: パク・ジェワン、キム・ジョンボム

蔚山国立科学技術研究院 (UNIST)、エネルギー化学工学部、蔚山、韓国

パク・ジェワン、キム・ジョンボム、ユン・ヒョンソン、白ミン・ジェ、ノ・ウンソ、サン・イルソク

全南大学校材料科学工学科、光州、韓国

ヒョン・ジョンムン

韓国、浦項市、浦項科学技術大学 (POSTECH)、浦項加速器研究所 (PAL)、ビームライン研究部門

キム・ミンギュ

蔚山科学技術大学院大学（UNIST）、韓国蔚山市半導体材料デバイス工学大学院

シン・テジュ

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JP、JK、SIS がこの作品を考案し、実験を計画しました。 H.-SY は予備実験を行いました。 JP と JK は、さまざまな電極を備えた PSC を作製し、ペロブスカイト膜の特性を評価しました。 MJP と EN は分析用の電極とサンプルを準備しました。 HJM と TJS は GI-WAXD 測定を実施し、解釈しました。 MGK は EXAFS 測定値を測定し、解釈しました。 SIS が原稿の草稿を書き、著者全員が原稿改訂のためのフィードバックとコメントを提供しました。 SIS はこの研究を指揮および監督しました。

Min Gyu Kim、Tae Joo Shin、または Sang Iseok への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Qilin Dai 氏、Hui Zhang 氏、およびその他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

35 mol% MACl を含む FAPbI3 前駆体に 10 mol% MACl (a) および BACl (b) を加えて薄膜をスピンコートしました。 スケールバー、1 μm。

35 mol% MACl に 0、5、10、または 15 mol% PACl を添加した FAPbI3 前駆体溶液のスピン コーティング中に貧溶媒を滴下して形成された薄膜を使用し、RT から 120 °C までのアニーリング中に表示されます。

a～e、コントロール。 f-j、ターゲット。 k–p、参考資料 1。q–u、参考資料 2。GI-WAXD は、温度を室温から 120 °C まで上昇させ維持しながら測定されました。 v–y、δ 相の開始温度を調査するための、(100)α ピーク付近のコントロール (v)、リファレンス 1 (w)、ターゲット (x) およびリファレンス 2 (y) サンプルの拡大 1D GI-WAXD プロファイルα相転移に至る。 z、δ 相から α 相への転移の開始温度のプロット。 2D GI-WAXD は、RACl のアルキル基の長さが MACl から PACl および BACl に増加するにつれて、δ 相から α 相への転移温度が徐々に低下することを示しています。 脱プロトン化された MA0、PA0、BA0 の沸点と塩基度は異なります。 したがって、FAPbI3 の表面上のルイス酸 PbI2 とルイス塩基 R-NH2 の間で強い酸塩基相互作用が発生する可能性があります。 メチル、プロピル、ブチルなどのアルキル置換基は電子供与基であり、長さが長くなるにつれて増加する傾向があります。 これにより、BA0 がよりルイス塩基性になり、RH2N-PbI2 相互作用が増加します。 最終的に、BACl 中で脱プロトン化された BA0 はδ-FAPbI3 の表面エネルギーをさらに低下させ、より迅速かつ効果的なδ相からα相への転移をもたらします。

35 mol% MACl に 10 mol% PACl を添加した FAPbI3 前駆体溶液のスピン コーティング中に貧溶媒を滴下せずに蒸着した薄膜を使用して、RT から 120 °C まで加熱中の様子を示します。

薄膜は、３５モル％のＭＡＣｌにそれぞれ１０モル％のＭＡＣｌ、ＰＡＣｌ、およびＢＡＣｌを添加したＦＡＰｂＩ３前駆体溶液のスピンコーティング中に貧溶媒を滴下することによって堆積された。

α-FAPbI3、δ-FAPbI3、およびrelaxed-FAPbI3のそれぞれについて、理論的に計算されたPb LIIIエッジEXAFSを使用して得られたRDF。

リファレンス 1 とリファレンス 2 に示されています。VTFL はトラップで満たされた制限電圧です。

a、温度を室温から120℃まで上昇および維持しながら測定された、その場GI-WAXDのα相ピークによって得られた相互正規化積分面積の変化。 b、120℃で30分間アニールしたターゲットおよび参照2サンプルの代表的な2D GI-WAXD画像。

補足図。 1 ～ 8 および補足表 1 および 2。

撹拌しながら油浴中で 120 °C で加熱することにより、ホルムアミジニウム三ヨウ化鉛 (FAPbI3) 黒色粉末を調製します。

沈殿したFAPbI3を濾紙を用いて濾過する。

周囲空気中、相対湿度 20 ～ 30% でスピン コーティングによりペロブスカイト薄膜を堆積します。

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転載と許可

Park, J.、Kim, J.、Yun, HS. 他。 揮発性塩化アルキルアンモニウムを使用してペロブスカイト層の成長を制御します。 Nature 616、724–730 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

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受信日: 2022 年 7 月 20 日

受理日: 2023 年 2 月 10 日

公開日: 2023 年 2 月 16 日

発行日: 2023 年 4 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

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