بهبود عملكرد سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي با استفاده از نانوكريستال‌هاي چارچوب آلي-فلزي ZIF-8 در مرز مشترك پروسكايت و انتقال دهنده الكترون

Enhancing photovoltaic performance of the perovskite solar cells by using ZIF-8 MOF nanocrystals as interface layer between perovskite and electron transport material

با توجه به قابليت فراوري آسان و ساختار ميكرومتخلخل چارچوب­ هاي آلي-فلزي، بكارگيري اين نانوساختارها در سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي مورد توجه ويژه قرار گرفته است. در اين تحقيق، با توجه به خصوصيات برتري پايداري رطوبتي و شيميايي چارچوب­هاي آلي-فلزي، از نانوكريستال­ هاي ايميدازول زئوليتي-8 (ZIF-8) با هدف اصلاح سطح و بهبود انتقال بار در سطح مشترك پروسكايت و لايه انتقال‌دهنده الكترون در ساختار سلول­ خورشيدي پروسكايتي استفاده شده است. نتايج بررسي آناليز ميكروسكوپ الكتروني روبشي و الگوي پراش پرتو ايكس از سطح پروسكايت نشان مي­دهد ساختار متخلخل نانوكريستال‌هاي ZIF-8 بر روي لايه متخلخل TiO2مي ­تواند به عنوان يك داربست در تشكيل بهتر لايه پروسكايت با ساختار كريستالي منظم­تري عمل كند. نتايج حاصل از آناليزهاي جذب نوري و منحني جريان-ولتاژ سلول خورشيدي پروسكايتي نشان مي­دهد. اين نوع چارچوب آلي-فلزي مي­تواند به عنوان يك لايه جاذب كمكي در گستره طول­ موج­ هاي كوتاه عمل كند و منجر به بهبود عملكرد فتوولتائيك سلول ­هاي خورشيدي پروسكايتي شود. با توجه به عدم استفاده از ماده انتقال ­دهنده حفره، با بكارگيري ZIF-8 در لايه بالايي TiO2، بازده سلول خورشيدي پروسكايتي با ساختار FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Au بطور متوسط از 5/19 به 6/11 %بدست آمده است. دستيابي به چنين عملكردي، با توجه به انجام تمامي مراحل لايه‌نشاني و ساخت سلول، در شرايط محيطي و خارج از گلاوباكس، قابل توجه است. نتايج اين پژوهش نشان مي­دهد كه چارچوب­ هاي آلي-فلزي داراي پتانسيل بالايي در ساخت سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي با بازده مناسب را دارا است.

Metal-organic frameworks (MOFs) has recently attracted significant research attention in the perovskite solar cells (PVSCs) owing to its facile solution processability and exceptional microporous structure. In this study, due to superior properties of MOFs in their chemical and moisture stability, Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF-8) nanocrystals were used as an interlayer in conjunction with the perovskite film and electron transporting layer to surface modification of the perovskite layer and improve charge transfer in the solar cell structure. The scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) patterns show porous structure of ZIF-8 nanocrystals on mesoporousTiO2 can acts as a scaffold for crystallization of perovskite layer with lowerdefect concentration. The optical and electrical characterization show that the ZIF-8 on the mesoporous TiO2 layercan acts as auxiliary light absorbing layer at the short-wavelength range, leading to improved photovoltaic performance of the perovskite solar cells. As a result, the power conversion efficiencies (PCE) of the hole transport material (HTM) free perovskite solar cells with the structure of FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Au is enhanced from 5.19 to 6.11% when ZIF-8 is present. Achieving such a performance, due to deposition steps and solar cells fabrication have been done in environment conditions outside of glove box procedure, is significant. This study demonstrates the promising potential of using MOFs to fabricate efficient PVSCs.