عنوان

لایه‌نشانی الکتروشیمیایی و مشخصه‌یابی پروسکایت آلی-فلزی بر روی اکسید تیتانیم نانومتخلخل در کاربرد سلول‌های خورشیدی

IR

۴۴۱۴پ

فارسی

IR

لایه‌نشانی الکتروشیمیایی و مشخصه‌یابی پروسکایت آلی-فلزی بر روی اکسید تیتانیم نانومتخلخل در کاربرد سلول‌های خورشیدی

[پایان‌نامه]

Electrochemical deposition and characterization of organometallic perovskites on nanoporous titanium oxide for using in solar cells

/ساحل گوزل‌زاده

: مهندسی مواد

، ۱۴۰۰

۱۴۰ص.

:

زبان: فارسی

زبان چکیده: فارسی

چاپی - الکترونیکی

مصور، جدول، نمودار

دکتری

مهندسی مواد

۱۴۰۰/۰۶/۰۱

صنعتی سهند

سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، به خاطر بازده بالا و کم‌هزینه بودن مواد تشکیل‌دهنده، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند .مهم‌ترین روش تهیه پروسکایت هیبریدی، بر پایه محلول‌های حاوی حلال‌های سمی است .در این پایان نامه روش سنتز چند مرحله‌ای بر پایه استفاده از PbS به جایPbI ۲، با هدف عدم استفاده از حلال‌های سمی، برای تهیه پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی با دو ترکیبMAPbI ۳ وFAxMA ۱-xPb(IyBr۱-y)۳، معرفی شده است .این روش چند مرحله‌ای شامل الف- لایه‌نشانیPbS بر روی الکترود مزومتخلخلTiO ۲، ب- تبدیل شیمیایی PbS بهPbI۲ از طریق تماس با بخار یدید حاصل از تصعید تراشه‌های ید در دماهای ۱۲۰ و ۱۵۵ و ج- واکنش شیمیایی از نوع نفوذی با قرار دادنPbI ۲ در معرض محلول هالید آلی برای تبدیلPbI ۲ به لایه پروسکایت است .برای تهیه سولفید سرب، از دو روش لایه‌نشانی شامل لایه‌نشانی الکتروشیمیایی و لایه‌نشانی از حمام شیمیایی، استفاده شد .در روش لایه‌نشانی الکتروشیمیایی، حالت‌های مختلف شامل ولتاژ ثابت، پالسی و ولتامتری چرخه‌ای برای دستیابی به لایه بهینه بررسی شدند .نتایج نشان داد که روش ولتامتری چرخه-ای با بهینه‌سازی متغیرهای مختلف از جمله pH محلول( ۲/۸ و ۲)، سرعت روبش پتانسیل(mV.s -۱ ۱۰۰ و ۵۰) و تعداد چرخه‌های روبش پتانسیل( ۲۵-۱۲۵ چرخه) سبب لایه‌نشانی الکتروشیمیایی لایه نازک و یکنواخت PbS با کریستال-های هرمی شکل با اندازه‌های nm ۲۰۰-۹۰ می‌شود .بررسی مورفولوژی لایه‌های حاصل نشان داد که لایه PbS به دست آمده در pH و سرعت روبش بالاتر، یکنواخت‌تر و متشکل از ذرات ریز بدون هم‌پوشانی و آگلومره شدن است .با افزایش تعداد چرخه‌ها تا ۱۰۰ به دلیل بهبود پوشانندگی سطح با PbS و به تبع آن پروسکایت، بازده سلول خورشیدی به دست آمده افزایش می‌یابد .دلیل افزایش بازده، عدم تماس مستقیم بین لایه انتقال‌دهنده الکترون و لایه انتقال‌دهنده حفره و جلوگیری از وقوع ترکیب مجدد در حالت پوشش‌دهی کامل پروسکایت است .با افزایش بیشتر تعداد چرخه‌ها به ۱۲۵، به دلیل افزایش ضخامت لایه پروسکایت حاصل و طولانی شدن مسیر حامل‌های بار، بازده سلول‌های خورشیدی کاهش پیدا می‌کند .به علاوه، در مرحله سوم روش سه‌مرحله‌ای، خواص پروسکایت‌های حاصل از دو حمام با غلظت‌های mg/ml ۱۰ و ۶ ازCH ۳NH۳ Iدر ایزوپروپانول مورد مقایسه قرار گرفتند .در حالت استفاده از حمام با غلظت پایین، مقداریPbI ۲ واکنش نکرده در ساختار باقی می‌ماند، ولی با افزایش غلظت حمام، با وجود کاهش مقدارPbI ۲ واکنش نکرده، پدیده رشد اسوالد اتفاق می‌افتد و با ایجاد ناپیوستگی در مورفولوژی پروسکایت، سبب کاهش بازده سلول‌های به دست آمده می‌شود .در نهایت، با بهینه-سازی متغیرهای مختلف فرآیند، لایه پروسکایت فشرده با اندازه دانه‌های تقریبی nm ۸۰۰ و گاف انرژی eV ۱/۵۸ تهیه شد .ویژگی‌های ساختاری پروسکایت حاصله با روشهایXRD ،SEM ، AFM مورد بررسی قرار گرفت و برای تعیین خواص نوری از طیف سنجیVis - UVو اسپکترومتری فوتولومینسانس استفاده شد .به کارگیری پروسکایت سنتز شده به عنوان جاذب نور در سلول خورشیدی، منجر به تولید ابزاری با بازده معادل ۷/۷۲ تحت شرایط تابش استاندارد ۱/۵ AMشد .رویکرد بعدی، استفاده از روش ساده‌تر لایه‌نشانی از حمام شیمیایی برای ایجاد لایه PbS بود .در این رویکرد هم مرحله دوم، مشابه روند قبلی بود ولی مرحله آخر یعنی تبدیل شیمیاییPbI ۲ به پروسکایت، با لایه‌نشانی چرخشی محلول حاویCH ۵N۲I: CH۳NH۳Cl:CH۳NH۳ Brبر رویPbI ۲ انجام شد .در این فرآیند، تاثیر دو مورفولوژی متفاوتPbI ۲ به دست آمده در دو دمای واکنش مختلف، بر روی خواص پروسکایت نهایی و عملکرد آنها در سلول خورشیدی مورد بررسی قرار گرفت .نتایج نشان داد که کنترل مورفولوژیPbI ۲ می‌تواند بر مقدار و سرعت تبدیل شیمیایی آن به پروسکایت تاثیر بگذارد .با استفاده از این روش، لایه پروسکایت یکنواخت و صاف با دانه‌های ستونی با اندازه تقریبی nm ۸۰۰ و گاف انرژی eV ۱/۵۵ به دست آمد .سلول خورشیدی ساخته شده از پروسکایت با کاتیون و آنیون چندگانه حاصل از این روش، تحت شرایط استاندارد تابش بازدهی معادل ۱۱/۳۵ نشان داد .به این ترتیب، در پژوهش حاضر با استفاده از روش قابل تبدیل به مقیاس بزرگ‌تر بر مبنای روش الکتروشیمیایی و رسوب از حمام شیمیایی، ضمن بهره‌گیری از یک فرآیند تولید سبز و دوست‌دار محیط زیست، سلول‌های خورشیدی با عملکرد مناسب تهیه شدند .

Organolead halide perovskite based solar cells are of great interest owing to their notably high efficiencies and also facile cost-effective fabrication methods. The main routes widely used for synthesizing organometal halide perovskites are solution based methods. Utilization of toxic solvents in these methods for dissolving low soluble metal precursors as well as the difficulties for upscaling the process, have restricted their practical development. Therefore, in this work, we employed a toxic solvent-free multi-step route based on deposition of PbS as the lead metal precursor film, exposing PbS to iodine vapor to chemically convert to PbI2 and finally chemical reaction of PbI2 with organic halide to produce MAPbI3 and FAxMA1-xPb(IyBrzCl1-y-z)3 perovskites. Electrodeposition and chemical bath deposition were used for depositing PbS layer. For first approach, i.e. eletrodeposition of PbS, We investigated three electrodeposition techniques of constant voltage, pulse electrodeposition and cyclic voltammetry deposition to achieve finest and the most homogenous PbS films. the results show that through optimizing various parametrs of cyclic voltammetry depositin including pH of the electrolyte (2-2.8), scan rate (50 , 100 mV.s-1) and the number of cycles (25-125), fine PbS crystallites (119 nm) produced which uniformly cover the entire electrode surface. Morphological studies of PbS layers showed that more homogenous and not agglomerated particles can be achieved at higher pH and scan rate. Increasing the number of cycles to 100 cycles leads to gradual completion of the coverage of perovskite and the high coverage of perovskite film leads to more efficient devices. As the number of cycles increases up to 125, a great decrease in efficiency happens which is due to increament the thickness of perovskite layer. Furthermore, the effect of concentration of dipping bath (6,10 mg/ml) in final step on characteristics of obtained perovskites were compared. Altough higher concentration is beneficial for complete conversion of PbI2 to perovskite, but occurring dissolution-recrystallization process negatively effects the morphology of perovskite and efficiency of devices. Via optimizing the aforementioned parameters, compact perovskite layer consisting of cuboid grains with an average size of approximately 800 nm and a bandgap of 1.58 eV fabricated whose properties are comparable to those of perovskite films generally prepared by conventional methods like spin coating. The morphological and physical properties of perovskite film were examined using XRD, SEM, AFM, UV-Vis spectrophotometer, fluorescence lifetime spectrometer. It was observed that applying uniform perovskite layer deposited under optimized condition as the absorber layer generate a power conversion efficiency (PCE) of up to 7.72 under the standard AM 1.5 condition in the first attempt by this fabrication approach. Lead sulphide (PbS) as the lead metal precursor was also produced by aqueous chemical bath deposition. PbS films were subsequently converted via chemical routes to PbI2 and finally to mixed cation mixed halide perovskite films. The effect of two diffent morphologies of PbI2 on final perovskite film was examined. Results show that controlling the morphology of PbI2 platelets achieved from PbS precursor films enabled efficient conversion to perovskite without any unreacted precursors. Using this processing technique, smooth and pin hole-free perovskite films were produced consisting of columnar grains with an average size of approximately 800 nm and a bandgap of 1.55 eV. The solar cell performance consisting of such perovskite layers in normal cell structures gave rise to a notable power conversion efficiency of 11.35 under standard solar conditions. The proposed three step method is a very promising environmentally friendly method for the production of large-scale perovskite solar cells. There are many rooms to develop and optimize this environmental-friendly and scalable method to achieve higher efficiency devices.

ba

Electrochemical deposition and characterization of organometallic perovskites on nanoporous titanium oxide for using in solar cells

پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی

لایه نازک

لایه‌نشانی الکتروشیمیایی

لایه‌نشانی از حمام شیمیایی

روش بدونDMF

سلول خورشیدی پروسکایتی

Organometallic halide perovskite; thin film; electrodeposition; chemical bath deposition; DMF-free method; perovskite solar cells

پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی، لایه نازک، لایه‌نشانی الکتروشیمیایی، لایه‌نشانی از حمام شیمیایی، روش بدونDMF ، سلول خورشیدی پروسکایتی

گوزل‌زاده، ساحل

نصیرپوری، فرزاد، استاد راهنما

ایران

20230913

مواد ،۷۰۶۷۲ ،۱۴۰۰

ی‌لآ ت‌یاکسورپ‍ ی‌بایه‌صخشم‍ و ی‌یایمیشورتکلا ی‌ناشنه‌یلا-ی‌دیشروخ‍ ی‌اهل‌ولس‍ دربراک‍ رد ل‌خلختمونان‍ م‌یناتیت‍ دیسکا ی‌ور رب‍ ی‌زلف‍.pdf

عادی

عادی

a69.pdf

p70672.pdf

0

ایمانی

متن

0

پ۴۴۱۴

فارسی

نمایه‌سازی قبلی

pe

TF

92029

1

a

Y