オールグリーンスルホラン

Jun 03, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9335 (2023) この記事を引用

98 アクセス

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ペロブスカイト太陽電池の工業的商業化は、デバイスの十分な性能に依存するだけでなく、技術の持続可能な開発を可能にするために、製造プロセスで有害な溶媒を完全に排除することも必要です。この研究では、一般的だがより危険な溶媒に代わる、非常に環境に優しい代替溶媒として、スルホラン、\(\ガンマ\)-ブチロラクトン (GBL)、および酢酸 (AcOH) をベースとした新しい溶媒系を報告しています。興味深いことに、この溶媒系により、より大きな結晶サイズと優れた結晶性を備えた高密度に充填されたペロブスカイト層が得られただけでなく、粒界がより硬く、電流の伝導性が高いことが判明しました。粒界での物理的変化はスルホランが注入された結晶界面によるもので、これにより電荷の移動が促進され、ペロブスカイト層内の水分に対するより強力なバリアが提供され、結果としてデバイスの電流密度が高くなり、より長い性能が得られると期待されていました。実際、スルホラン、GBL、AcOH を体積比 70.0:27.5:2.5 で構成する混合溶媒系を使用すると、デバイスの安定性が向上し、太陽光発電性能は DMSO ベースの溶媒を使用して調製したものと統計的に同等になりました。私たちのレポートは、オールグリーン溶媒を適切に選択するだけでペロブスカイト層の電気伝導性と剛性が向上するという前例のない発見を反映しています。

無機-有機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池 (PSC) は、主にその潜在的な性能と有望な見通しにより、多くの研究者の興味をそそられています 1,2,3。近年の PSC の急速な発展により、特に報告されている多くの電力変換効率 (PCE) 値が常に理論値 25.2%3 を下回っており、さらなる改善の余地が十分に残されているという事実を考慮すると、さらに優れた太陽光発電性能を達成することも可能になっています。成果。典型的なハイブリッドペロブスカイト結晶構造は、CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+} などのカチオン (A サイト) で構成される \(ABX_{3}\) として特徴付けることができます。 \)、HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\)、Cs\(^{+}\)、Rb\(^{+}\)。無機骨格 \(BX_{3}\) は、Pb\(^{+}\) や Sn\(^{+}\)4 などのハロゲン化物元素 (X サイト) と金属 (B サイト) で構成されます。最近報告された PCE は最大 25.2%3 に達しており、特に CdTe、銅インジウムガリウムセレン化物 (CIGS)、色素増感太陽電池や有機太陽電池などの他の太陽光発電と比較した場合、このレベルは大幅な進歩を示しています5。

太陽光発電の性能開発にとって同様に重要なのは、準備プロセスが環境や人間の健康に与える影響です。高性能の報告は、多くの場合、発がん性のある N-メチル-2-ピロリドン (NMP) や N,N-ジメチルホルムアミド (DMF)、皮膚浸透性の高いジメチルスルホキシド (DMSO) などの危険な化学物質の製造に使用することに依存していました。ペロブスカイト6、7、8、9、10。ただし、これらの溶媒の使用はデバイスの高い性能を保証する可能性がありますが、環境や人間の健康に対する毒性は、特にこの技術が大規模に実装される場合に深刻な問題を引き起こす可能性があります10。したがって、持続可能な方法で PSC 技術を開発するには、溶媒の選択に関する問題に対処する必要があります。

より環境に優しい調製を目指して、ポリエチレングリコールと \(\ガンマ\)-ブチロラクトン (GBL) からなる混合溶媒を使用して PbBr\(_{2}\) 前駆体溶液を調製しました。得られた PSC は、最大 8.11% の PCE を示しました11。 (R)-(+)-リモネンおよび 2-メチルテトラヒドロフランも、PCE が最大 17.84% の、逆型 PSC デバイスの高品質ペロブスカイト層の調製における毒性の低い貧溶媒として使用できます。 Tian らはまた、大面積デバイスでペロブスカイト膜を調製するための緑色貧溶媒として n-ブタノールを提案し、13.85% の PCE を実証しました 13。 Yavari らは、PSC の調製において緑色貧溶媒としてアニソールを使用し、最大 20.5% という優れた PCE をもたらしました14。それにもかかわらず、これまでの多くの努力にもかかわらず、デバイスの安定性は依然として課題14であり、これは調製プロセスにおけるペロブスカイト前駆体の非効率的な溶解に起因する可能性がある15。その結果、有害な溶剤の完全な除去はまだ実現しておらず、これらの溶剤は依然として製造プロセスにおいて程度の差こそあれ、化学前駆体の溶解を促進する役割を果たしています。

この研究では、ペロブスカイト前駆体、特にヨウ化メチルアンモニウム鉛(II)ペロブスカイトのPbI\(_{2}\)の溶解度の問題に取り組み、ペロブスカイト調製のための代替溶媒系を決定しました。 PbI\(_{2}\)15 の溶解度を評価する際のハンセン溶解度分析に基づいて、スルホラン (1\(\lambda ^{6}\)-チオラン-1,1-ジオンまたはテトラメチレンスルホン) がDMSO16と同様のスルホン官能基を含む有望な溶媒です。スルホランは他の溶媒と比較して皮膚浸透性が非常に低い16ことに加えて、高い混和性を備えた極性非プロトン性溶媒であるため、他のさまざまな化合物との混合溶媒での使用が可能です。スルホランの比較的高い粘度と沸点は、通常の動作中に装置内の蒸気圧を下げるのに役立つだけでなく、将来の大規模製造における労働安全衛生の向上にも役立ちます。スルホラン 17 をベースとした環境に優しい代替溶媒を配合するために、酢酸 (AcOH) などの環境に優しい添加剤も導入され、前駆体の過飽和濃度を下げて前駆体の形成を促進することで PbI\(_{2}\) の溶解度を高めました。核形成クラスター１８．さらに、Hansen の溶解度概念に従って、PbI\(_{2}\) の溶解度を向上させるために、\(\gamma\)-ブチロラクトン (GBL) などの緑色成分も溶媒混合物に使用されました 10,19,20 。

結果は、スルホラン、GBL、および AcOH からなる新しい混合溶媒システムが、有毒な DMSO ベースの溶媒を使用して製造された制御デバイスと統計的に同等の PCE を実現できることを示しました。おそらくもっと重要なことは、相対湿度 48 ～ 50% での 10 日間の安定性テストにより、スルホランベースの溶媒を使用して製造されたデバイスがより安定していることが明らかになったということです。驚くべきことに、その結果は、スルホラン、GBL、および AcOH からなる新しい混合溶媒系がペロブスカイト層の導電性と剛性を向上させることができ、その結果、有毒な DMSO ベースを使用して製造された制御デバイスと統計的に同等の電池性能を実現できることを示しました。溶媒。 48 ～ 50% の相対湿度下での安定性テストでは、スルホランベースの溶媒を使用して製造されたデバイスが、少なくとも 10 日間を超えるテストではより安定していることも明らかになりました。

透明な導電性のフッ素ドープ酸化スズ (FTO) ガラス (表面抵抗率: 7 \(\Omega\)/sq) 基板を Solaronix から購入しました。 TiO\(_{2}\) コンパクト層の合成には、Fluka Analytical のチタンイソプロポキシド (TTIP) およびチタン(IV) ブトキシド (Ti(OBu)\(_{4}\)) を使用しました。 Sigma-Aldrich のエタノール (95%) を合成の溶媒として使用しました。 TiO\(_{2}\) 層の表面処理には塩化チタン (TiCl\(_{4}\)) を使用しました。ペロブスカイト溶液の場合、PbI\(_{2}\) (99.99%)、CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)I (99.5%)、2,2\(^\プライム\)、7,7\(^\プライム\)-テトラキス (N, N-ジ-p-メトキシフェニルアミン)-9,9\(^\プライム\)-スピロビフルレン (spiro-OMeTAD、99.5%)、リチウムビス-(トリフルオロメタンスルホニル) イミド (Li-TFSI、99.9%) および 4-tert-ブチルピリジン (TBP、96%) は Sigma-Aldrich から購入しました。チタン(IV)イソプロポキシド (99.999%)、クロロベンゼン (99.9%)、N,N-ジメチルホルムアミド (DMF、99.9%)、ジメチルスルホキシド (DMSO、無水 99.9%)、\(\ガンマ\)-ブチロラクトン (GBL)、スルホラン、酢酸 (AcOH、99%)、およびアセトニトリル (99.9%) も Sigma Aldrich から入手しました。金属蒸着のために、金金属 (99.99%) および銀金属 (99.9%) を Kurt J. Lesker 社から購入しました。

ゾルゲル法を使用して、TiO\(_{2}\) 緻密層を調製しました。まず、TTIP をエタノール (95%) と体積比 7.83:92.17 で混合しました。次に、60 \(\upmu\)L の濃 HCl を溶液にゆっくりと加えました。この溶液を一晩撹拌した後、スピンコーティング法を使用してＦＴＯガラス上にコーティングした。最後に、TiCl\(_{4}\) 溶液を使用して TiO\(_{2}\) 層の表面を処理しました。

フッ素ドープ酸化スズ (FTO) ガラスを 3 つの連続ステップ (Alconox 洗剤、水、イソプロパノール) で洗浄し、N\(_{2}\) ガスを使用して乾燥させました。各ステップのプロセスは 48 ～ 52% の高い相対湿度の下で行われました。 2000 rpmで30秒間のスピンコーティングを使用して、TTIPを電子輸送層(ETL)としてFTOガラス上にコーティングし、その後550 \(^\circ\)Cで1時間アニールし、室温まで冷却しました。温度。 TiCl\(_{4}\) 溶液を使用して TiO\(_{2}\) 表面を処理し、ホットプレート上で 500 \(^\circ\)C で 2 時間空気乾燥させました。基板が冷えた後、1.5 mol L\(^{-1}\) PbI\(_{2}\) と 1.5 mol L\(^{-1}\) CH\(_{3} を含む溶液) \)NH\(_{3}\)I (または MAI) を、1500 rpm で 7 秒間、次に 3500 rpm で 50 秒間の 2 段階スピンコーティング法を使用して基板上にコーティングし、続いて 80 ℃でアニーリングしました。 \( ^\circ\)Cで20分間。この工程で使用した溶媒は、体積比７０：３０のＧＢＬ：ＤＭＳＯ（ＧＢＬ：ＤＭＳＯと表す）、体積比７０：３０のＧＢＬ：スルホラン（ＧＢＬ：スルホランと表す）、および体積比のＧＢＬ：スルホラン：ＡｃＯＨであった。 70:27.5:2.5 (GBL:スルホラン:AcOH として示される)。これは、表 S1 に示すハンセン溶解度モデルに従って最適化されていました。以前の研究 20 で報告された GBL (70):DMSO (30) の最適化された体積比を対照サンプルとして使用しました。 spiro-OMeTAD は、72.3 mg の spiro-OMeTAD、28.8 \(\upmu\)L の TBP、および 17.5 \(\upmu\)L の Li-TFSI 溶液 (1 mL 中に 520 mg の Li-TFSI) を溶解することによって調製されました。アセトニトリルの）を1 mLのクロロベンゼンに溶解します。次に、溶液をペロブスカイト層上に 2 つの連続ステップ (1500 rpm および 4000 rpm) でそれぞれ 50 秒間スピンコートして、正孔輸送層 (HTL) を得ました。最終ステップでは、対電極として金金属が熱蒸着によって蒸着されました。デバイス構造は、FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\)/HTL/Au として表すことができます。

測定されたデバイスの電流密度-電圧（J-V）パラメータは、100 mW cm\(^{-2}\)の模擬AM 1.5G太陽光照射下でNREL校正済みのKeithleyモデル2400を使用して得られました。順方向スキャンは、-0.1 ～ 1.1 V で操作しました。紫外可視分光法 (UV-Vis) スペクトルは、UV-Vis 分光光度計 (島津 UV-2600) を使用して測定しました。フォトルミネッセンス (PL) は、Horiba Fluro Max 4 を使用して、500 nm で励起し、600 ～ 900 nm で発光させて実行されました。 PL測定に使用したデバイス構造はFTO/ペロブスカイトです。原子間力顕微鏡 (AFM) 測定は、バネ定数 1.6 N m\(^{-1}\) の Forta カンチレバーを備えた Park NX-10 を使用して実行されました。 AFM セットアップはサファイアサンプルを使用して校正されました。トポグラフィー画像は 10 \(\upmu\)ms\(^{-1}\) の速度で取得され、力の勾配は 0.2 N m\(^{-1}\) の設定値で収集されました。 J\(_{sc}\) および V\(_{oc}\) 条件の表面電流マッピングは、白金イリジウム 5 (PtIr\(_{5}\)) でコーティングされた PPP-CONTSCPt を使用した導電性接触モードによって実行されました。 0.2 N m\(^{-1}\) のバネ定数と 25 kHz の共振周波数を持つカンチレバー。スキャン速度は 2 \(\upmu\)m\(^{-1}\) で、バイアス - 0.6 V の顕微鏡光の 0.2 mW cm\(^{-2}\) 照明下での設定値は 15 nN でした。 V\(_{oc}\) の現在のマッピングの場合、J\(_{sc}\) の現在のマッピングのバイアスなし。 X 線回折 (XRD) 測定は、PANalytical Aris を 8 mA および 40 kV に設定して使用して実行されました。 XPS の結果は、単色 Al 150 W の X 線源を備えた Thermo Scientific (英国) を使用して得られました。

(a および b) GBL:DMSO、(c および d) GBL:スルホラン、および (e および f) GBL を使用して製造されたペロブスカイトフィルムの領域の \(5.0 \times 5.0 \upmu\)m の SEM およびトポロジカル AFM 画像:スルホラン:AcOH、それぞれ。

異なる溶媒を使用して製造されたペロブスカイト膜の上面走査型電子顕微鏡（SEM）画像を図1a、c、eに示します。結果は、GBL:スルホラン:AcOH の混合溶媒を使用して調製したペロブスカイト膜では、GBL:DMSO を使用して調製した対照サンプルと比較して、形成された結晶がより密に詰まっていることを示しました。 GBL:DMSOの場合のペロブスカイト結晶は、より小さいサイズとより多くの量の粒界を示しました（図1a）。これは、GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用したペロブスカイト結晶の形成とはまったく対照的であり、ペロブスカイトの結晶サイズが大きくなり、表面粗さが増加しました（図1c、e）。 AFMトポグラフィー画像は、図1b、d、fに示すSEM画像と一致しました。

さまざまな溶媒系を使用して調製されたペロブスカイト膜の XRD パターン。拡大すると、31.84\(^\circ\) 付近のピークが表示されます。これは、MAPbI\(_{3}\)-スルホラン相 21 に対応します。

ペロブスカイト結晶の品質は、FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\) の XRD 測定を使用して評価されました。図 2 によると、ペロブスカイト CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)PbI\(_{3}\) (または MAPbI\(_{3}\)) のパターンは14.02\(^\circ\)、28.4\(^\circ\)、および 31.84\(^\circ\) は、それぞれ (110)、(220)、および (310) としてインデックス付けできます22、23、24。 25. XRDパターン、特に31.84\(^\circ\)24のピーク位置では、GBL:スルホランまたはGBL:スルホラン:AcOHのいずれかの新しい溶媒系を使用して調製されたペロブスカイト膜が、対照と比較してより高い結晶性を示したことが示されました。 GBL:DMSOを使用してサンプルを調製しました。スルホランベースの溶媒の結果として改善された結晶性は、MAPbI\(_{3}\)-スルホランの密接な相互作用の形成に関連している可能性があります 21 が、ペロブスカイトの構造は変化しません 26,27。さらに、GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用して調製されたペロブスカイト材料のシェラー方程式を使用して計算された結晶サイズは、GBL:DMSOを使用して調製されたペロブスカイト材料よりも大きかった(表1および図1を参照)。 GBL:スルホラン:AcOH を使用して調製されたペロブスカイト膜は、12.7\(^\circ\) で PbI\(_{2}\) の証拠を示さず、これは PbI\(_{2}\) がペロブスカイトに完全に変換されたことを示しています 28。 29、30。

さまざまな溶媒系を使用して調製されたペロブスカイト膜の FTIR スペクトル。

ペロブスカイトの調製に使用されるスルホランベースの溶媒がペロブスカイト層の形成に役割を果たす可能性があることに注目するのは興味深いことです。実際、GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用して調製したペロブスカイト層のFTIRピーク位置440および1147cm\(^{-1}\)(図3)は、ペロブスカイト内のスルホランの特徴的な結合に対応しています。フィルム 31,32 も MAPbI\(_{3}\)-スルホランの存在を確認しています。 MAPbI\(_{3}\)-スルホランの形成は、XPS の結果によってさらに明らかになりました。 Pb\(_{4f7/2}\)、Pb\(_{4f5/2}\)33、I\(_{3d}\) (図 4a、b) のほとんどのピークは、他のピークと同様にピーク（補足図S1）は、異なる溶媒を使用して調製されたペロブスカイト間で本質的に類似しており、GBL：スルホランおよびGBL：スルホラン：AcOHの場合にC \（_{1s}\）の顕著なレッドシフトが発生しました（図4c））。スルホランベースの溶媒の場合に観察された結合エネルギーの低下は、メチルアンモニウムカチオン (CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+}\) または MA\(^{ +}\)) スルホニル基の酸素原子によるペロブスカイトの16。特に GBl:スルホラン:AcoH の場合、ペロブスカイトの MA\(^{+}\) と AcOH のカルボニル基の間の相互作用が可能であり 34、化学的不動態化が起こりました 33,34。 XRD および IR スペクトル (図 2 および 3) と合わせて、MAPbI\(_{3}\) とスルホラン間の強い相互作用の存在は、ペロブスカイト 33 の結晶化プロセスの減速に役立っている可能性が高く、その結果、より大きなペロブスカイト結晶が得られました 21。

さまざまな溶媒系を使用して調製されたペロブスカイトの XPS 結果。

ペロブスカイト層内のスルホランおよび/または AcOH の存在がペロブスカイト層の物理的特性に反映されるかどうかを評価するために、機械的ピンポイント AFM を使用して層の表面トポグラフィーと機械的特性を研究しました。補足図S2d〜fで明らかになったように、平均して、GBL：スルホランおよびGBL：スルホラン：AcOHを使用して調製されたペロブスカイトは、GBL：DMSOを使用して調製されたペロブスカイトフィルムよりも高い弾性率を示しました。同様に、スルホランベースの溶媒を使用して調製されたペロブスカイトフィルムの変形は、DMSOベースの溶媒で調製されたサンプルの変形よりも低かった（補足図S3d–f）。スルホランベースの溶媒を使用して調製した場合のペロブスカイト層の剛性の増加は、おそらく粒界領域にスルホランが存在することに起因すると考えられます。このような剛性の増加は、ペロブスカイト膜の粒界への水分の浸透を妨げるのにも役立つ可能性があり、これによりデバイスの安定性が向上する可能性があります 35。これらの結果は、補足図S3a〜c35、36に示されている接着マッピングとも一致していました。

（a〜c）GBL：DMSOを使用して製造されたペロブスカイト膜の0 Vおよびバイアス-0.6 Vでのc-AFM（3D）および上面電流マッピング（2D）（V\（_{oc}\）マッピング）、それぞれ (d – f) GBL:スルホラン、および (gi) GBL:スルホラン:AcOH。

ペロブスカイト表面の電子特性を調べるために、パワー 0.2 mW cm\(^{-2}\) の顕微鏡光の照射下で、外部バイアスなしで電流マッピングを取得するために、導電性原子間力顕微鏡 (c-AFM) を実行しました。。図5d、e、g、hに示した結果によると、GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用して調製されたペロブスカイト層は、それぞれ75 pAおよび96 pAの平均電流を示しました。これは、平均電流の33 pAよりも大幅に高かったです。 GBL:DMSOを使用して調製したサンプル（図5a、b）。ペロブスカイト層の作製にスルホランベースの溶媒を使用した場合の導電性表面上の電荷移動の改善は、ペロブスカイトの粒界に電子が豊富で双極子モーメントの高いスルホラン分子 37,38 が存在することに起因すると考えられます 39。これは、補足図S4d–fに示されている表面電流プロファイルと一致しています。より高い電流密度は、特に溶媒GBL:スルホラン:AcOH(図5g、h)の場合、導電率の向上を示しており、これによりキャリア分離が促進され、短絡電流密度が向上する可能性があります(J \(_{sc}\) ) デバイスの 33.

ペロブスカイト層の電気的特性をさらに調査するために、V\(_{oc}\) マッピング (逆バイアス下の電流マップ) を測定しました。このマッピングでは、-0.6 V の逆バイアスを使用して、通常のバンドで生成される電流をブロックします。電子輸送層の正孔阻止能力を調べ、トラップサイトが高密度で存在する下部 V\(_{oc}\) 領域の位置での電流を観察します。 GBL：スルホランおよびGBL：スルホラン：AcOHを使用して調製されたペロブスカイト層は、GBL：DMSOを使用して調製されたペロブスカイト（図5c）と比較して、より高い漏れ電流を示しました（図5f、i）。電流漏れの程度は、ペロブスカイト 40 の表面のトラップ再結合サイトの程度を示します。 c-AFM で明らかになったように、スルホランベースの溶媒で調製したペロブスカイトの粒界は良好な電流を示しましたが、トラップ再結合の存在がかなり大きく、依然としてデバイスの性能に問題を引き起こしていることにも注目することは興味深いことです。

さまざまな溶媒系を使用して調製されたペロブスカイト膜の光特性。

図6aのUV-Visスペクトルに示すように、異なる溶媒系を使用して調製したペロブスカイトサンプル間では、可視波長での吸収強度のわずかな違いが観察されました。ペロブスカイト吸収の開始は、すべての溶媒条件で 765 nm で本質的に同じままでした。ただし、デバイス構造 FTO/MAPbI\(_{3}\) の調製に異なる溶媒を使用した場合、定常状態のフォトルミネッセンス (PL) には大きな違いが明らかになりました。図６ｂによれば、ＧＢＬ：スルホランまたはＧＢＬ：スルホラン：ＡｃＯＨを使用した場合、ＧＢＬ：ＤＭＳＯの場合と比較して、より高いＰＬ強度を示した。この結果は、スルホランベースの溶媒を使用して調製されたペロブスカイトがより高い放射放出を示した可能性が高いことを示唆しています11,41。これは、cAFMの結果（図5g-i）と一致しており、より高い電流密度（表2）も同様です。異なる溶媒系を使用して調製されたすべてのペロブスカイト層は、厚さの点で大きな違いがないことに留意しました（補足図S5を参照）。

電子正孔再結合とトラップ再結合の間の相対的な影響を評価するために、時間分解フォトルミネッセンス (TRPL) も実行され、双指数関数フィット 42 によって分析されました。

補足表S2と図S6によると、スルホランベースの溶媒を使用して調製されたペロブスカイトは、短時間成分（\(\alpha\)2）のより高い割合を示しました。これは、ペロブスカイト界面でのトラップ再結合に起因すると考えられます41。図 5c、f、i の V\(_{oc}\) マッピング。スルホランベースの溶媒ではより多くのトラップサイトが発生しましたが、平均キャリア寿命はGBL:DMSOで調製されたペロブスカイトの平均寿命と大きく異なりませんでした（補足表S2）。これは、特に溶媒系に酢酸が存在する場合、ペロブスカイトの結晶サイズが大きいためである可能性があります。これにより、電子正孔再結合時間成分が延長され、トラップサイトによる V\(_{oc}\) 損失の回復に役立ちます 33 。

さまざまな溶媒系を使用して調製されたペロブスカイトのデバイスのパフォーマンス。

J-V の結果の分析によると (補足図 S7 を参照)、GBL:スルホラン:AcOH を使用して製造されたデバイスの効率は \(13.60\pm 1.45\)% であり、統計的に \ の値と同様でした。 GBL:DMSO を使用して調製された制御デバイスの場合は (14.90 \pm 1.94\)%。表2に報告され、図7a、bに示されているように、GBL:スルホラン:AcOHを使用して製造されたデバイスのJ\(_{sc}\)は、GBL:DMSOを使用して製造された対照デバイスと比較して値が高かった。図1および2で示唆されているように、J\(_{sc}\)の強化は、ペロブスカイト結晶のより高い結晶性と導電性によるものと考えられます。 2と6b。スルホランベースの溶媒を使用すると、V\(_{oc}\) に影響を与えるトラップサイトが誤って増加しましたが、GBL:スルホラン:AcOH 中の酢酸の化学的不動態化により、V\(_{oc}\) の損失を回復することができました33。。その結果、GBL:スルホラン:AcOH を使用して調製したデバイスの V\(_{oc}\) は、DMSO ベースの溶媒の場合と比べて本質的に変化しませんでした (表 2)。ただし、スルホランベースの溶媒を使用して製造されたデバイスのフィルファクター（FF）は、DMSOベースの溶媒の場合よりも低かった（図7c）。これは、スルホランベースの溶媒を使用して調製されたペロブスカイト結晶の表面粗さに起因すると考えられ（図 1 を参照）、ペロブスカイトと隣接する層の間の緊密な界面が妨げられている可能性があります 22。

さまざまな溶媒系を使用して調製したカプセル化 PSC デバイスの、48 ～ 52% RH で 10 日間の平均デバイス性能。

スルホランベースの溶媒を使用すると、DMSO ベースの溶媒と同等の性能が得られただけでなく、少なくとも 10 日間のテストにわたってデバイスの安定性が向上しました。図８によれば、ＧＢＬ：スルホランおよびＧＢＬ：スルホラン：ＡｃＯＨを使用して調製されたＰＳＣデバイスは、良好な安定性を示した。 GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用して調製したカプセル化されていないデバイスは、48〜50%の相対湿度(RH)下でPCEが約5%低下しました(図8a)。 J\(_{sc}\) と V\(_{oc}\) もスルホラン系溶媒で好ましい傾向を示し、J で約 8 mA cm\(^{-2}\) と 0.01 V の低下が明らかになりました。それぞれ \(_{sc}\) と V\(_{oc}\) (図 8b、c)。反対に、GBL:DMSO を使用して調製した対照サンプルでは、PCE、J\(_{sc}\)、および V\(_{oc}\) が 9%、10 mA cm\(^{- 2}\)、0.02 V です。このような急激な性能低下は、ペロブスカイト中のスルホランの不動態化が行われず、粒径が小さくなったことが原因である可能性があります 15,22。全体として、これらの結果は、環境に優しいスルホランベースの溶剤を使用すると、デバイスの効率と長期的な性能の両方を向上できる可能性があることを示しています。溶媒に酢酸を使用すると、ペロブスカイトの結晶がより均一になり、デバイスの安定性と効率が低下する未反応の PbI\(_{2}\) の除去にも役立ちました 15,31。

ペロブスカイトの調製のための、無毒なスルホラン、GBL、および AcOH をベースとしたオールグリーン溶媒の最適条件が報告されました。 GBL:スルホランおよびGBL:スルホラン:AcOHを使用して調製したペロブスカイト結晶は、より大きな結晶サイズとより高い剛性を示しました。対照的に、GBL:DMSO を使用して調製されたペロブスカイト結晶は、より多くの粒界があり、緩く充填されていました。 XRD パターンでは、報告されている緑色の溶媒を使用して調製した場合のペロブスカイト結晶の高い結晶性と優先配向も確認されました。定常状態の PL では、調製にスルホランベースの溶媒を使用した場合の放射放出がより高いことも明らかになりました。粒界に残留するスルホランの存在により、cAFM の結果は、導電率が大幅に向上したことを示しました。スルホランが注入された粒界が不用意にトラップサイトを促進したとしても、ペロブスカイトとスルホランの間の強力な相互作用と酢酸不動態化が、性能の低下を防ぐのに役立ちました。太陽光発電性能に関しては、スルホランベースの溶媒を使用した場合、\(13.6 \pm 1.45\)% の PCE が観察され、これは対照サンプルの \(14.9 \pm 1.94\)% と統計的に同等でした。このような満足のいく変換効率は、ペロブスカイトの結晶性と導電性表面の改善によってもたらされる、比較的高い J\(_{sc}\) に起因すると考えられます。

デバイスのカプセル化を行わずに 48 ～ 52% の高相対湿度下で 10 日間観察した場合、GBL:スルホランおよび GBL:スルホラン:AcOH を使用して調製した PSC デバイスは、DMSO ベースの溶媒の場合よりも優れた安定性を示しました。したがって、スルホランベースの溶媒は、デバイスの全体的な性能を向上させるだけでなく、PSC の現在および将来の開発に対して環境に配慮したアプローチも提供します。大規模な PSC 生産が徐々に実現可能になるにつれて、これらの環境に優しい代替溶剤は、人間の健康を保護し、環境への悪影響を最小限に抑える上でますます重要な役割を果たす可能性があります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、タイ科学成果奨学金 (SAST)、マヒドン大学 (基礎研究基金: 会計年度 2021 年度)、人材および制度開発、研究およびイノベーションのためのプログラム管理ユニット (助成金番号 B16F640099) を介して NSRF によって支援されました。タイの高等教育・科学・研究・イノベーション省のCenter of Excellence for Innovation in Chemistry (PERCH-CIC)。

これらの著者、Akarapitch Siripraparat と Pimolrat Mittanonsakul も同様に貢献しました。

マヒドン大学理学部化学科、バンコク、10400、タイ

アカラピッチシリプラパラット、ピモルラットミタノンサクル、パシットパカワトパヌルト

Center of Excellence for Innovation in Chemistry (PERCH-CIC)、理学部、マヒドン大学、バンコク、10400、タイ

アカラピッチシリプラパラット、ポンサコーンカンジャナブース、パシットパカワトパヌルット

マヒドン大学理学部材料科学イノベーション学部、バンコク、10400、タイ

ピムスダパンサナガット、チャオワパットセリワタナチャイ、ポンサコーンカンジャナブース

国立ナノテクノロジーセンター (NANOTEC)、国立科学技術開発庁、タイサイエンスパーク、クロンルアン地区、パトゥムターニー、12120、タイ

小さなクンノーケウとアヌシット・ケウプラジャック

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AS: 執筆—原案、方法論、検証、データのキュレーション。 PM: 執筆—編集、概念化、調査。 PP: 執筆—編集、方法論、データキュレーション。 CS: 執筆—編集、方法論、データキュレーション。 PK: 方法論、調査。 AK: 方法論、調査。 PK: 執筆—編集、方法論、データキュレーション。 PP: 執筆—編集、概念化、方法論、データキュレーション。

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転載と許可

Siripraparat、A.、Mittanonsakul、P.、Pansa-Ngat、P. 他。オールグリーンのスルホランベースの溶剤は、ペロブスカイト結晶層の導電性と剛性を高めました。 Sci Rep 13、9335 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36440-6

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受信日: 2023 年 1 月 10 日

受理日: 2023 年 6 月 3 日

公開日: 2023 年 6 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36440-6

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