Synthesis of MAPbI₃ perovskite material by the evaporation method
and
Article Sidebar
Full Text: 
PDF
Abstract
Perovskite CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) is a highly promising light‐absorbing material for solar cell applications. To achieve high efficiency, the perovskite film must exhibit full surface coverage, optimal thickness, and a low residual PbI₂ content. In this study, the parameters affecting the quality of MAPbI₃ films, including PbI₂ concentration, spin‐coating speed, and the reaction time between methylammonium iodide (MAI) and lead(II) iodide (PbI₂) during vacuum evaporation, were investigated using a simple and low-cost fabrication process that is well suited to laboratory conditions. The properties of the thin films were characterized using various techniques. The crystal structure and phase composition were determined by X-ray diffraction (XRD). The surface morphology and grain size were examined using scanning electron microscopy (SEM). The film thickness was measured using a stylus profilometer. In addition, the optical properties of the films were analyzed by ultraviolet–visible absorption spectroscopy (UV–Vis spectroscopy). The results show that with a PbI₂ concentration of 1.25 M, a spin-coating speed of 4000 rpm, and a reaction time of 50 min, the fabricated perovskite solar cell achieved a power conversion efficiency of 9.04%.
Tóm tắt
Perovskite CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) là vật liệu hấp thụ ánh sáng đầy triển vọng cho pin mặt trời. Để đạt hiệu suất cao, lớp màng perovskite cần có độ che phủ tốt, độ dày tối ưu và hàm lượng PbI₂ dư thấp. Trong nghiên cứu này, các thông số ảnh hưởng đến chất lượng màng MAPbI₃, gồm nồng độ PbI₂, tốc độ quay phủ và thời gian phản ứng giữa (methylammonium iodide) MAI và PbI₂ trong quá trình bốc hơi chân không, đã được khảo sát theo quy trình đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm trong nước. Các đặc trưng của màng mỏng được xác định bằng các phương pháp khác nhau. Cấu trúc tinh thể và pha vật liệu được xác định bằng phương pháp X-ray diffraction (XRD). Hình thái bề mặt và kích thước hạt của màng được khảo sát bằng Scanning Electron Microscopy (SEM). Độ dày của màng mỏng được đo bằng thiết bị biên dạng bề mặt (stylus profilometer). Ngoài ra, các tính chất quang học của màng được nghiên cứu thông qua phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis spectroscopy). Kết quả cho thấy, với nồng độ PbI₂ 1,25 M, tốc độ quay 4000 rpm và thời gian phản ứng 50 phút pin mặt trời perovskite đạt hiệu suất 9,04%.
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Baikie, T., Fang, Y., Kadro, J. M., Schreyer, M., Wei, F., Mhaisalkar, S. G., Grätzel, M. & White, T. J.(2013). Synthesis and crystal chemistry of the hybrid perovskite CH3NH3PbI3 for solid-state sensitised solar cell applications. Journal of Materials Chemistry A, 1, 5628-5641. https://doi.org/10.1039/C3TA10518K
Burschka, J., Pellet, N., Moon, S.-J., Humphry-Baker, R., Gao, P., Nazeeruddin, M. K., & Grätzel, M. (2013). Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature, 499, 316-319. https://doi.org/10.1038/nature12340
Chen, Q., Zhou, H., Hong, Z., Luo, S., Duan, H.-S., Wang, H.-H., Liu, Y., Li, G., & Yang, Y. (2013). Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process. Journal of the American Chemical Society, 136(2), 622-625. https://doi.org/10.1021/ja411509g
Cohen, B.-E., Gamliel, S., & Etgar, L. (2014). Parameters influencing the deposition of methylammonium lead halide iodide in hole conductor free perovskite-based solar cells. APL Materials, 2, 081510. https://doi.org/10.1063/1.4885548
Cuong, N. D., Vu, T. T., Nguyen, T. C., Nguyen, P. H. N., & Nguyen, N. D. (2023). Determination of defects in planar CH3NH3PbI3 perovskite solar cells using a SCAPS-1D simulation tool. VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, 39(1),83-94.
https://doi.org/10.25073/2588-1124/vnumap.4771
Eames, C., Frost, J. M., Barnes, P. R. F., O’Regan, B. C., Walsh, A., & Islam, M. S. (2015). Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells. Nature Communications, 6, 7497.
https://doi.org/10.1038/ncomms8497
Gong, S., Qu, G., Qiao, Y., Wen, Y., Huang, Y., Cai, S., Zhang, L., Jiang, K., Liu, S., Lin, M., Beard, M. C., Xu, Z., & Chen, X. (2024). A hot carrier perovskite solar cell with efficiency exceeding 27% enabled by ultrafast hot hole transfer with phthalocyanine derivatives. Energy & Environmental Science, 17, 5080-5090. https://doi.org/10.1039/D4EE01839G
Ho, P. (2023). Enhanced performance of perovskite solar cells via controlling layer thickness. Journal of Technical Education Science, 18(3), 75-80. https://doi.org/10.54644/jte.77.2023.1398
Hsieh, T.-Y., Huang, C.-K., Su, T.-S., Hong, C.-Y., & Wei, T.-C. (2017). Crystal growth and dissolution of methylammonium lead iodide perovskite in sequential deposition: Correlation between morphology evolution and photovoltaic performance. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(10), 8623-8633. https://doi.org/10.1021/acsami.6b12303
Im, J.-H., Lee, C.-R., Lee, J.-W., Park, S.-W., & Park, N.-G. (2011). 6.5% efficient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell. Nanoscale, 3(10), 4088–4093. https://doi.org/10.1039/C1NR10867K
Kim, H.-S., Lee, C.-R., Im, J.-H., Lee, K.-B., Moehl, T., Marchioro, A., Moon, S.-J., Humphry-Baker, R., Yum, J.-H., Moser, J. E., Grätzel, M., & Park, N.-G. (2012). Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%. Scientific Reports, 2, 591. https://doi.org/10.1038/srep00591
Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y. & Miyasaka, T. (2009). Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells, Journal of the American Chemical Society, 131(17), 6050-6051. https://doi.org/10.1021/ja809598r
Li, X., Dai, S.-M., Zhu, P., Deng, L.-L., Xie, X.-Y., Cui, Q., Chen, H., Wang, N., & Lin, H. (2016). Efficient perovskite solar cells depending on TiO2 nanorod arrays. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(33), 21358-21365.
https://doi.org/10.1021/acsami.6b05971
Liu, M., Johnston, M. B., & Snaith, H. J. (2013). Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature, 501(7467), 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509
Pellet, N., Gao, P., Gregori, G., Yang, T.-Y., Nazeeruddin, M. K., Maier, J., & Grätzel, M. (2014). Mixed-organic-cation perovskite photovoltaics for enhanced solar light harvesting. Angewandte Chemie International Edition, 53(12), 3151-3157. https://doi.org/10.1002/anie.201309361
Rodkey, N., Zanoni, K. P. S., Piot, M., Dreessen, C., Grote, R., Carroy, P., Alonso, J. E. S., Paliwal, A., Muñoz, D., & Bolink, H. J. (2024). Efficient Micrometer Thick Bifacial Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials, 14, 2400058. https://doi.org/10.1002/aenm.202400058
Qin, J., Zhang, Z., Shi, W., Liu, Y., Gao, H., & Mao, Y. (2017). The optimum titanium precursor of fabricating TiO₂ compact layer for perovskite solar cells. Nanoscale Research Letters, 12, 640. https://doi.org/10.1186/s11671-017-2418-9.
Yang, M., Zhou, Y., Zeng, Y., Jiang, C.-S., Padture, N. P., & Zhu, K. (2015). Square-centimeter solution-processed planar CH₃NH₃PbI₃ perovskite solar cells with efficiency exceeding 15%. Advanced Materials, 27(41), 6363–6370. https://doi.org/10.1002/adma.201502586