استفاده از نقاط کوانتومی اکسید گرافن در سلول خورشیدی پروسکایت

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 12، شماره 44، شهریور 1400، صفحه 53-64   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2021.28790.1935

نویسندگان

زهرا حسینی^{* 1}؛ آذین بابایی²

¹دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

²پژوهشکده علوم مولکولی، دانشگاه والنسیا، پترنا، اسپانیا.

تاریخ دریافت: 03 شهریور 1400،  تاریخ بازنگری: 25 مهر 1400،  تاریخ پذیرش: 21 آذر 1400 

چکیده

چکیده
کربن یک عنصر فراوان در طبیعت و نسبتا ارزان­قیمت است که می­تواند هزینه ساخت سلول خورشیدی را بطور قابل توجهی کاهش دهد. در سال­های اخیر ترکیبات کربنی بطور ویژه جهت استفاده در سلول خورشیدی پروسکایت مورد توجه و بررسی قرار گرفته­اند. در این تحقیق، نقاط کوانتومی اکسید گرافن در سلول خورشیدی پروسکایت مسطح مورد استفاده قرار گرفته­اند. بدین منظور، نقاط کوانتومی اکسید گرافن به روش هیدروترمال سنتز شده­اند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از این ذرات نشان می­دهد که اندازه نقاط کوانتومی اکسید گرافن کوچکتر از ۱۰ نانومتر می­باشد. این نقاط کوانتومی سپس جهت ساخت سلول خورشیدی با ساختار ITO/GOQD/MAPbI₃/Spiro-OMETAD/Ag، به روش لایه نشانی چرخشی بر روی زیرلایه اکسید قلع-ایندیوم (ITO) لایه نشانی می­شوند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی و آنالیز پراش پرتو ایکس از لایه پروسکایت نشان می­دهند که این لایه با ساختار کریستالی مناسب، به صورت یکنواخت و پیوسته بر روی لایه نقاط کوانتومی اکسید گرافن لایه نشانی شده است. همچنین، بررسی شدت نورتابی لایه پروسکایت لایه نشانی شده بر روی نقاط کوانتومی اکسید گرافن، در مقایسه با شدت نورتابی لایه پروسکایت بر روی ITO نشان می­دهد که انتقال الکترون از لایه پروسکایت به نقاط کوانتومی اکسید گرافن بطور موثری اتفاق می­افتد و در نتیجه نورتابی لایه پروسکایت در حالت مجاورت با لایه نقاط کوانتومی اکسید گرافن به میزان قابل توجهی کاهش می­یابد. سلول خورشیدی پروسکایت مسطح ساخته شده، عملکرد بسیار مناسبی با مشخصات جریان اتصال کوتاه (Jsc) mA/cm² ۹/۲۱، ولتاژ مدار باز (Voc) V ۰۲/۱، ضریب پرشدگی (FF) ۶۷/۰ و بازده تبدیل توان (PCE) % ۱۵ نشان می­دهد. این نتایج بیانگر ویژگی مناسب نقاط کوانتومی اکسید گرافن به عنوان ماده انتقال­دهنده الکترون در سلول خورشیدی پروسکایت می­باشد.

کلیدواژه‌ها

پروسکایت؛ سلول خورشیدی؛ اکسید گرافن؛ نقاط کوانتومی؛ ساختار مسطح

عنوان مقاله [English]

Application of Graphene Oxide Quantum Dots in Planar Perovskite Solar Cell

نویسندگان [English]

Zahra Hosseini¹؛ Azin Babaei²

¹Faculty of Advanced Technologies, Shiraz University, Shiraz, Iran.

²Instituto de Ciencia Molecular, University of Valencia, 46980 Paterna, Spain.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Carbon is cheap and abundant in nature which can significantly reduce the cost of solar cell fabrication. In recent years, carbon nanostructures have gained special attention for application in perovskite solar cells.
Methods: In this research, graphene oxide quantum dots (GOQDs) have been used in a planar perovskite solar cell. For this purpose, GOQDs with sizes smaller than 10 nm were synthesized by the hydrothermal method. The GOQDs were spin coated on ITO to make a planar n-i-p perovskite solar cell with the structure ITO/GOQD/MAPbI₃/Spiro-OMETAD/Ag.
Findings: The absorption spectrum of the GOQDs shows no overlap with absorption band of the MAPbI₃ perovskite layer. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis show that a uniform film of crystalline MAPbI₃ perovskite has been formed on the GOQD layer. The best device performance achieved in this research for the planar perovskite solar cell is as follows: Jsc=21.9 mA/cm², Voc=1.02 V, FF=0.67 and PCE=15%.
 

کلیدواژه‌ها [English]

Perovskite, Solar Cell, Graphene Oxide, Quantum Dot, Planar Structure

مراجع

Tai Q, Cao J, Wang T, Yan F. Recent advances toward efficient and stable tin‐based perovskite solar cells. EcoMat. 2019;1(1):1–15. [doi:10.1002/eom2.12004]

2.    Kim G, Min H, Lee KS, Lee DY, Yoon SM, Seok S Il. Impact of strain relaxation on performance of α-formamidinium lead iodide perovskite solar cells. Science. 2020;370(6512):108–12. [doi:10.1126/science.abc4417]

3.    Jeong J, Kim M, Seo J, Lu H, Ahlawat P, Mishra A, et al. Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI₃ perovskite solar cells. Nature. 2021;592(7854):381–5. [doi:s41586-021-03406-5]

4.    Liu D, Kelly TL. Perovskite solar cells with a planar heterojunction structure prepared using room-temperature solution processing techniques. Nat Photonics. 2013;8(2):133–8. [doi:10.1038/nphoton.2013.342]

5.    Zhu Z, Xue Q, He H, Jiang K, Hu Z, Bai Y, et al. A PCBM Electron Transport Layer Containing Small Amounts of Dual Polymer Additives that Enables Enhanced Perovskite Solar Cell Performance. Adv Sci. 2016;3(9):1500353. [doi:10.1002/advs.201500353]

6.    Lakhdar N, Hima A. Electron transport material effect on performance of perovskite solar cells based on CH3NH3GeI3. Opt Mater. 2020;99:109517. [doi:S0925346719307372]

7.    Zhou Y, Yang S, Yin X, Han J, Tai M, Zhao X, et al. Enhancing electron transport via graphene quantum dot/SnO₂ composites for efficient and durable flexible perovskite photovoltaics. J Mater Chem A. 2019;7(4):1878–88. [doi:C8TA10168J]

8.    Weber CD, Bradley C, Lonergan MC. Solution phase n-doping of C60 and PCBM using tetrabutylammonium fluoride. J Mater Chem A. 2014;2(2):303–7. [doi:c3ta14132b]

9.    Yang Z, Xie J, Arivazhagan V, Xiao K, Qiang Y, Huang K, et al. Efficient and highly light stable planar perovskite solar cells with graphene quantum dots doped PCBM electron transport layer. Nano Energy. 2017;40:345–51. [doi:10.1016/j.nanoen.2017.08.008]

10. Sabetghadam SA, Hosseini Z, Zarei S, Ghanbari T. Improvement of the current generation in silicon solar cells by utilizing graphene quantum dot as spectral converter. Mater Lett. 2020;279:128515. [doi:10.1016/j.matlet.2020.128515]

11. Zarei S, Hosseini Z, Sabetghadam SA, Ghanbari T. Improved sensitivity in self-powered photoelectrochemical UV photodetector by application of graphene quantum dots. Eur Phys J Plus. 2021;136(5):515. [doi:10.1140/epjp/s13360-021-01529-2]

12. Paulo S, Palomares E, Martinez-Ferrero E. Graphene and Carbon Quantum Dot-Based Materials in Photovoltaic Devices: From Synthesis to Applications. Nanomaterials. 2016;6(9):157. [doi:2079-4991/6/9/157]

13. Gupta V, Chaudhary N, Srivastava R, Sharma GD, Bhardwaj R, Chand S. Luminscent graphene quantum dots for organic photovoltaic devices. J Am Chem Soc. 2011;133(26):9960–3. [PMID:21650464]

14. Bak S, Kim D, Lee H. Graphene quantum dots and their possible energy applications: A review. Curr Appl Phys. 2016;16(9):1192–201. [doi:10.1016/j.cap.2016.03.026]

15. Zhu Z, Ma J, Wang Z, Mu C, Fan Z, Du L, et al. Efficiency Enhancement of Perovskite Solar Cells through Fast Electron Extraction: The Role of Graphene Quantum Dots. J Am Chem Soc. 2014 Mar 12;136(10):3760–3. [doi:10.1021/ja4132246]

16. Xie J, Huang K, Yu X, Yang Z, Xiao K, Qiang Y, et al. Enhanced Electronic Properties of SnO₂ via Electron Transfer from Graphene Quantum Dots for Efficient Perovskite Solar Cells. ACS Nano. 2017;11(9):9176–82. [doi:10.1021/acsnano.7b04070]

17. Pang S, Zhang C, Zhang H, Dong H, Chen D, Zhu W, et al. Boosting performance of perovskite solar cells with Graphene quantum dots decorated SnO₂ electron transport layers. Appl Surf Sci. 2020;507:145099. [doi: 10.1016/j.apsusc.2019.145099]

18. Biccari F, Gabelloni F, Burzi E, Gurioli M, Pescetelli S, Agresti A, et al. Graphene-Based Electron Transport Layers in Perovskite Solar Cells: A Step-Up for an Efficient Carrier Collection. Adv Energy Mater. 2017;7(22):1701349. [doi:10.1002/aenm.201701349]

19. Ebrahimi M, Kermanpur A, Atapour M, Adhami S, Heidari RH, Khorshidi E, et al. Performance enhancement of mesoscopic perovskite solar cells with GQDs-doped TiO₂ electron transport layer. Sol Energy Mater Sol Cells. 2020;208:110407. [doi:10.1016/j.solmat.2020.110407]

20. Icli KC, Ozenbas M. Fully metal oxide charge selective layers for n-i-p perovskite solar cells employing nickel oxide nanoparticles. Electrochim Acta. 2018;263:338–45. [doi:10.1016/j.electacta.2018.01.073]

21. Gonzalez-Pedro V, Juarez-Perez E, Arsyad W, Barea E, Fabregat-Santiago F, Mora-Sero I, et al. General Working Principles of CH3NH3PbX3 Perovskite Solar Cells. Nano Letters. 2014;14(2):888–93. [doi: 10.1021/nl404252e]

22. Fathizadeh M, Tien H. N, Khivantsev K, Song Z, Zhou F, Yu M. Polyamide/nitrogen-doped graphene oxide quantum dots (N-GOQD) thin film nanocomposite reverse osmosis membranes for high flux desalination. Desalination. 2019;451:125–32. [doi:10.1016/j.desal.2017.07.014]

23.          Torres D, Sebastian D, Lazaro M. J, Pinilla J.L, Suelves I, Arici A.s. et al. Performance and stability of counter electrodes based on reduced few-layer graphene oxide sheets and reduced graphene oxide quantum dots for dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta. 2019;306:396-406. [doi: 10.1016/j.electacta.2019.03.105]