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Double-Mesoscopic Hole-Transport-Material-Free Perovskite Solar Cells: Overcoming Charge-Transport Limitation by Sputtered Ultrathin Al2O3 Isolating Layer

介观物理学 钙钛矿(结构) 材料科学 欧姆接触 图层(电子) 空间电荷 石墨 光电子学 纳米技术 电子 复合材料 凝聚态物理 化学 结晶学 量子力学 物理
作者
Gayathri Mathiazhagan,Lukas Wagner,Shankar Bogati,Kübra Yasaroglu Ünal,Dmitry Bogachuk,Thomas Kroyer,Simone Mastroianni,Andreas Hinsch
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (3): 2463-2471 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsanm.9b02563
摘要

The electrically insulating space layer takes a fundamental role in monolithic carbon-graphite based perovskite solar cells (PSCs) and it has been established to prevent the charge recombination of electrons at the mp-TiO2/carbon-graphite (CG) interface. Thick 1 μm printed layers are commonly used for this purpose in the established triple-mesoscopic structures to avoid ohmic shunts and to achieve a high open circuit voltage. In this work, we have developed a reproducible large-area procedure to replace this thick space layer with an ultra-thin dense 40 nm sputtered Al2O3 which acts as a highly electrically insulating layer preventing ohmic shunts. Herewith, transport limitations related so far to the hole diffusion path length inside the thick mesoporous space layer have been omitted by concept. This will pave the way toward the development of next generation double-mesoscopic carbon-graphite-based PSCs with highest efficiencies. Scanning electron microscope, energy dispersive X-ray analysis, and atomic force microscopy measurements show the presence of a fully oxidized sputtered Al2O3 layer forming a pseudo-porous covering of the underlying mesoporous layer. The thickness has been finely tuned to achieve both electrical isolation and optimal infiltration of the perovskite solution allowing full percolation and crystallization. Photo voltage decay, light-dependent, and time-dependent photoluminescence measurements showed that the optimal 40 nm thick Al2O3 not only prevents ohmic shunts but also efficiently reduces the charge recombination at the mp-TiO2/CG interface and, at the same time, allows efficient hole diffusion through the perovskite crystals embedded in its pseudo-pores. Thus, a stable VOC of 1 V using CH3NH3PbI3 perovskite has been achieved under full sun AM 1.5 G with a stabilized device performance of 12.1%.
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