Tout le sulfolane vert

May 20, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9335 (2023) Citer cet article

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La commercialisation industrielle des cellules solaires en pérovskite dépend non seulement des performances suffisantes de l'appareil, mais nécessite également l'élimination complète des solvants dangereux dans le processus de fabrication pour permettre le développement durable de la technologie. Ce travail présente un nouveau système de solvants à base de sulfolane, de \(\gamma\)-butyrolactone (GBL) et d'acide acétique (AcOH) comme alternative nettement plus écologique aux solvants courants mais plus dangereux. Fait intéressant, ce système de solvant a non seulement abouti à une couche de pérovskite densément tassée de plus grande taille de cristal et d'une meilleure cristallinité, mais les joints de grains se sont avérés plus rigides et hautement conducteurs au courant électrique. Les changements physiques aux joints de grains étaient dus aux interfaces cristallines infusées de sulfolane, qui devaient faciliter un meilleur transfert de charge et fournir une barrière plus solide à l'humidité dans la couche de pérovskite, produisant une densité de courant plus élevée et des performances plus longues de l'appareil en conséquence. En fait, en utilisant un système de solvant mixte composé de sulfolane, GBL et AcOH dans le rapport volumique de 70,0 : 27,5 : 2,5, la stabilité de l'appareil était meilleure et les performances photovoltaïques étaient statistiquement comparables à celles préparées avec un solvant à base de DMSO. Notre rapport reflète des découvertes sans précédent sur l'amélioration de la conductivité électrique et de la rigidité de la couche de pérovskite simplement en utilisant un choix approprié du solvant entièrement vert.

La cellule solaire pérovskite hybride inorganique-organique (PSC) a intrigué de nombreux chercheurs principalement en raison de son potentiel de performance et de ses perspectives prometteuses1,2,3. Le développement rapide du PSC au cours des dernières années permet également d'atteindre des performances photovoltaïques encore meilleures, en particulier compte tenu du fait que de nombreuses valeurs d'efficacité de conversion de puissance (PCE) signalées ont toujours été à la traîne par rapport à la valeur théorique de 25,2 %3, laissant de larges marges de manœuvre pour de nouvelles réalisations. Une structure cristalline de pérovskite hybride typique peut être caractérisée comme \(ABX_{3}\), qui consiste en un cation (site A), tel que CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+}\), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) et Rb\(^{+}\). La charpente inorganique \(BX_{3}\) est constituée d'éléments halogénures (site X) et du métal (site B), tels que Pb\(^{+}\) et Sn\(^{+}\)4. Le PCE récemment rapporté a atteint jusqu'à 25,2 %3, un niveau qui représente une avancée significative, en particulier par rapport à d'autres photovoltaïques, tels que le CdTe, le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), ainsi que les cellules solaires à colorant et organiques5.

Tout aussi important pour le développement des performances photovoltaïques est l'impact sur l'environnement et la santé humaine du processus de préparation. Les rapports de haute performance s'appuyaient souvent sur l'utilisation de produits chimiques dangereux, tels que la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) et le N,N-diméthylformamide (DMF) cancérigènes et le diméthylsulfoxyde hautement pénétrant dans la peau (DMSO), pour la préparation de pérovskite6,7,8,9,10. Cependant, même si l'utilisation de ces solvants pourrait justifier des performances élevées de l'appareil, leur toxicité pour l'environnement et la santé humaine pourrait causer de graves problèmes, en particulier lorsque la technologie est mise en œuvre à grande échelle10. Par conséquent, pour développer la technologie PSC de manière durable, la question du choix des solvants doit être résolue.

Dans un effort vers une préparation plus écologique, le solvant mixte composé de polyéthylène glycol et de \(\gamma\)-butyrolactone (GBL) a été utilisé pour préparer la solution de précurseur PbBr\(_{2}\). Le PSC résultant a montré un PCE allant jusqu'à 8,11%11. Le (R)-(+)-limonène et le 2-méthyltétrahydrofurane pourraient également être utilisés comme antisolvants moins toxiques dans la préparation d'une couche de pérovskite de haute qualité dans le dispositif PSC inversé, avec un PCE allant jusqu'à 17,84 %12. Tian et ses collègues ont également suggéré le n-butanol comme antisolvant vert pour préparer des films de pérovskite dans des dispositifs à grande surface, ce qui a démontré un PCE de 13,85 %13. Yavari et ses collègues ont utilisé l'anisole comme antisolvant vert dans la préparation des PSC, ce qui a donné un PCE impressionnant allant jusqu'à 20,5 %14. Néanmoins, malgré de nombreux efforts jusqu'à présent, la stabilité du dispositif reste un défi14, qui pourrait être attribué à une dissolution inefficace des précurseurs de pérovskite dans le processus de préparation15. En conséquence, l'élimination complète des solvants dangereux ne s'est pas encore matérialisée, et ces solvants jouent encore un rôle à des degrés divers dans le processus de fabrication pour faciliter la solubilité des précurseurs chimiques.

Dans ce travail, la question de la solubilité des précurseurs de pérovskite, en particulier PbI\(_{2}\) pour la pérovskite d'iodure de plomb(II) de méthylammonium, a été abordée afin de déterminer un système de solvant alternatif pour la préparation de la pérovskite. Sur la base de l'analyse de solubilité de Hansen pour évaluer la solubilité du PbI\(_{2}\)15, le sulfolane (1\(\lambda ^{6}\)-thiolane-1,1-dione ou tétraméthylène sulfone) est apparu comme un solvant prometteur qui contient un groupe fonctionnel sulfone similaire au DMSO16. En plus d'une très faible pénétration cutanée par rapport aux autres solvants16, le sulfolane est un solvant polaire aprotique à haute miscibilité, ce qui permet de l'utiliser dans des solvants mixtes avec divers autres composés. La viscosité et le point d'ébullition relativement élevés du sulfolane aideraient non seulement à réduire la pression de vapeur dans les appareils pendant le fonctionnement normal, mais favoriseraient également une meilleure santé et sécurité au travail pour la future fabrication à grande échelle. Pour formuler une alternative de solvant vert à base de sulfolane17, un additif vert tel que l'acide acétique (AcOH) a également été introduit pour aider à la solubilité du PbI\(_{2}\) en réduisant la concentration sursaturée du précurseur et en facilitant la formation de cluster de pré-nucléation18. De plus, un composant vert tel que la \(\gamma\)-butyrolactone (GBL) a également été utilisé dans le mélange de solvants pour améliorer la solubilité du PbI\(_{2}\) conformément au concept de solubilité de Hansen10,19,20.

Les résultats ont montré qu'un nouveau système de solvant mixte composé de sulfolane, de GBL et d'AcOH pouvait fournir un PCE statistiquement comparable au dispositif de contrôle fabriqué à l'aide d'un solvant toxique à base de DMSO. Peut-être plus important encore, le test de stabilité de 10 jours sous une humidité relative de 48 à 50 % a révélé que le dispositif fabriqué à l'aide du solvant à base de sulfolane devenait plus stable. Étonnamment, les résultats ont montré qu'un nouveau système de solvants mixtes composé de sulfolane, de GBL et d'AcOH pouvait améliorer la conductivité électrique et la rigidité de la couche de pérovskite, qui à son tour offrait des performances cellulaires statistiquement comparables au dispositif de contrôle fabriqué à l'aide de solvant toxique à base de DMSO. Le test de stabilité sous une humidité relative de 48 à 50% a également révélé que le dispositif fabriqué à l'aide du solvant à base de sulfolane était plus stable au moins pendant plus de 10 jours de test.

Des substrats en verre d'oxyde d'étain (FTO) transparent, conducteur et dopé au fluor (résistivité de surface : 7 \(\Omega\)/sq) ont été achetés auprès de Solaronix. Pour la synthèse de la couche compacte de TiO\(_{2}\), l'isopropoxyde de titane (TTIP) et le butoxyde de titane(IV) (Ti(OBu)\(_{4}\)) de Fluka Analytical ont été utilisés. L'éthanol (95%) de Sigma-Aldrich a été utilisé comme solvant pour la synthèse. Le chlorure de titane (TiCl\(_{4}\)) a été utilisé pour le traitement de surface de la couche de TiO\(_{2}\). Pour la solution de pérovskite, PbI\(_{2}\) (99,99 %), CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)I (99,5 %), 2,2\(^\prime\),7,7\(^\prime\)-tétrakis (N, N-di-p-méthoxyphénilamine)-9,9\(^\prime\)-spirobiflourène (spiro-OMeTAD, 99,5 %), le bis-(trifluorométhanesulfonyl) imide de lithium (Li-TFSI, 99,9 %) et la 4-tert-butylpyridine (TBP, 96 %) ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich. L'isopropoxyde de titane (IV) (99,999 %), le chlorobenzène (99,9 %), le N,N-diméthylformamide (DMF, 99,9 %), le diméthylsulfoxyde (DMSO, anhydre 99,9 %), la \(\gamma\)-butyrolactone (GBL), le sulfolane, l'acide acétique (AcOH, 99 %) et l'acétonitrile (99,9 %) ont également été obtenus auprès de Sigma Aldrich. Pour l'évaporation du métal, l'or métallique (99,99 %) et l'argent métallique (99,9 %) ont été achetés auprès de la société Kurt J. Lesker.

La méthode sol-gel a été utilisée pour préparer la couche compacte de TiO\(_{2}\). Tout d'abord, le TTIP a été mélangé avec de l'éthanol (95 %) en utilisant le rapport volumique 7,83 : 92,17. Puis 60 \(\upmu\)L de HCl concentré ont été lentement ajoutés à la solution. La solution a été agitée pendant une nuit avant d'être enduite sur un verre FTO en utilisant la méthode de revêtement par centrifugation. Enfin, une solution de TiCl\(_{4}\) a été utilisée pour traiter la surface de la couche de TiO\(_{2}\).

Le verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) a été nettoyé en 3 étapes séquentielles (détergent Alconox, eau et isopropanol) puis séché à l'aide de gaz N\(_{2}\). Le processus de chaque étape a été mené sous une humidité relative élevée de 48 à 52 %. Le TTIP a été appliqué sur le verre FTO en tant que couche de transport d'électrons (ETL) en utilisant un revêtement par centrifugation à 2000 tr/min pendant 30 s, suivi d'un recuit à 550 \(^\circ\)C pendant 1 h et d'un refroidissement à température ambiante. Une solution de TiCl\(_{4}\) a été utilisée pour traiter la surface de TiO\(_{2}\) et séchée à l'air sur une plaque chauffante à 500 \(^\circ\)C pendant 2 h. Après refroidissement du substrat, une solution contenant 1,5 mol L\(^{-1}\) PbI\(_{2}\) et 1,5 mol L\(^{-1}\) CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)I (ou MAI) a été déposée sur un substrat en utilisant la méthode de revêtement par centrifugation en deux étapes à 1500 tr/min pendant 7 s, puis à 3500 tr/min pendant 50 s, suivi d'anne à 80 \(^\circ\)C pendant 20 min. Les solvants utilisés dans cette étape étaient GBL: DMSO de rapport volumique 70:30 (noté GBL: DMSO), GBL: sulfolane de rapport volumique 70:30 (noté GBL: sulfolane) et GBL: sulfolane: AcOH de rapport volumique 70: 27, 5: 2, 5 (noté GBL: sulfolane: AcOH), qui avait été optimisé selon le modèle de solubilité de Hansen, comme indiqué dans le tableau S1. Le rapport volumique optimisé de GBL (70):DMSO (30) rapporté dans les travaux précédents20 a été utilisé comme échantillon de contrôle. Le spiro-OMeTAD a été préparé en dissolvant 72,3 mg de spiro-OMeTAD, 28,8 \(\upmu\)L de TBP et 17,5 \(\upmu\)L de solution de Li-TFSI (520 mg de Li-TFSI dans 1 mL d'acétonitrile) dans 1 mL de chlorobenzène. La solution a ensuite été appliquée par centrifugation sur la couche de pérovskite en deux étapes séquentielles (à 1500 et 4000 tr/min) pendant 50 s chacune pour obtenir une couche de transport de trous (HTL). Dans une dernière étape, l'or métallique a été déposé par évaporation thermique en tant que contre-électrode. La structure de l'appareil peut être désignée par FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\)/HTL/Au.

Les paramètres de densité de courant-tension (J-V) des appareils mesurés ont été obtenus à l'aide d'un modèle Keithley calibré NREL 2400 sous une irradiation solaire AM 1,5G simulée à 100 mW cm\(^{-2}\). Le balayage vers l'avant a été opéré de - 0,1 à 1,1 V. Les spectres de spectroscopie ultraviolet-visible (UV-Vis) ont été mesurés à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (Shimadzu UV-2600). La photoluminescence (PL) a été réalisée en utilisant Horiba Fluro Max 4, avec une excitation à 500 nm et une émission de 600 à 900 nm. La structure de dispositif utilisée pour la mesure de PL était FTO/perovskite. Des mesures de microscopie à force atomique (AFM) ont été effectuées en utilisant Park NX-10 avec porte-à-faux Forta avec une constante de ressort de 1,6 N m\(^{-1}\). La configuration AFM a été calibrée à l'aide d'un échantillon de saphir. Les images de topographie ont été obtenues à une vitesse de 10 \(\upmu\)ms\(^{-1}\), et les pentes de force ont été recueillies avec un point de consigne de 0,2 N·m\(^{-1}\). La cartographie du courant de surface pour les conditions J\(_{sc}\) et V\(_{oc}\) a été réalisée en mode contact conducteur avec un porte-à-faux PPP-CONTSCPt revêtu d'iridium5 (PtIr\(_{5}\)) et doté d'une constante de ressort de 0,2 N m\(^{-1}\) et d'une fréquence de résonance de 25 kHz. La vitesse de balayage était de 2 \(\upmu\)m\(^{-1}\) et le point de consigne à 15 nN sous un éclairage de 0,2 mW cm\(^{-2}\) de la lumière du microscope avec le biais – 0,6 V pour la cartographie du courant V\(_{oc}\) et sans biais pour la cartographie du courant J\(_{sc}\). La mesure de diffraction des rayons X (XRD) a été réalisée à l'aide d'un PANalytical Aris avec un réglage à 8 mA et 40 kV. Les résultats XPS ont été obtenus à l'aide d'un Thermo Scientific (UK) avec une source de rayons X en Al monochromaté 150 W.

Images SEM et AFM topologiques de \ (5,0 \ fois 5,0 \ upmu \) m dans la zone des films de pérovskite fabriqués en utilisant (a et b) GBL: DMSO, (c et d) GBL: sulfolane et (e et f) GBL: sulfolane: AcOH, respectivement.

Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) en vue de dessus de films de pérovskite fabriqués à l'aide de différents solvants sont présentées sur les figures 1a, c, e. Les résultats ont montré que, pour un film de pérovskite préparé à l'aide d'un solvant mixte de GBL:sulfolane:AcOH, les cristaux formés étaient plus denses par rapport à l'échantillon témoin préparé à l'aide de GBL:DMSO. Les cristaux de pérovskite pour le cas de GBL: DMSO présentaient des tailles plus petites et une plus grande quantité de joints de grains (Fig. 1a). Ceci contraste fortement avec la formation de cristaux de pérovskite à l'aide de GBL: sulfolane et GBL: sulfolane: AcOH, qui présentaient des tailles de cristaux de pérovskite plus grandes (Fig. 1c, e), entraînant une rugosité de surface accrue. Les images de topographie AFM étaient cohérentes avec les images SEM présentées sur les figures 1b, d, f.

Modèles XRD des films de pérovskite préparés à l'aide de différents systèmes de solvants. Le zoom avant montre les pics vers 31,84\(^\circ\), ce qui correspond à la phase MAPbI\(_{3}\)-sulfolane21.

La qualité des cristaux de pérovskite a été évaluée en utilisant la mesure XRD sur FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\). Selon la figure 2, les modèles de pérovskite CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)PbI\(_{3}\) (ou MAPbI\(_{3}\)) à 14,02\(^\circ\), 28,4\(^\circ\) et 31,84\(^\circ\) peuvent être indexés comme (110), (220) et (310), respectivement22 ,23,24,25. Les modèles XRD, en particulier à la position maximale de 31,84 \ (^ \ circ \) 24, ont montré que le film de pérovskite préparé à l'aide d'un nouveau système de solvant de GBL: sulfolane ou GBL: sulfolane: AcOH a révélé une cristallinité plus élevée par rapport à l'échantillon témoin préparé à l'aide de GBL: DMSO. L'amélioration de la cristallinité résultant des solvants à base de sulfolane pourrait être associée à la formation de l'interaction étroite MAPbI\(_{3}\)-sulfolane21, tandis que la structure de la pérovskite est restée inchangée26,27. De plus, la taille des cristaux calculée à l'aide de l'équation de Scherrer pour le matériau pérovskite préparé à l'aide de GBL:sulfolane et GBL:sulfolane:AcOH était plus grande que celles préparées à l'aide de GBL:DMSO (voir Tableau 1 et Fig. 1). Le film de pérovskite préparé à l'aide de GBL:sulfolane:AcOH n'a montré aucun signe de PbI\(_{2}\) à 12,7\(^\circ\), ce qui indiquait une conversion complète de PbI\(_{2}\) en pérovskite28,29,30.

Spectres FTIR d'un film de pérovskite préparé à l'aide de différents systèmes de solvants.

Il est intéressant de noter que les solvants à base de sulfolane utilisés dans la préparation de la pérovskite pourraient jouer un rôle dans la formation de la couche de pérovskite. En fait, les positions des pics FTIR de 440 et 1147 cm\(^{-1}\) pour la couche de pérovskite préparée à l'aide de GBL:sulfolane et GBL:sulfolane:AcOH (Fig. 3) correspondent à la liaison caractéristique du sulfolane dans les films de pérovskite31,32 qui affirme également la présence de MAPbI\(_{3}\)-sulfolane. La formation de MAPbI\(_{3}\)-sulfolane a en outre été révélée par les résultats XPS. Alors que la plupart des pics de Pb\(_{4f7/2}\), Pb\(_{4f5/2}\)33, I\(_{3d}\) (Fig. 4a,b), ainsi que d'autres pics (Fig. Supplémentaire S1) étaient essentiellement similaires parmi la pérovskite préparée à l'aide de différents solvants, un décalage significatif vers le rouge de C\(_{1s}\) s'est produit dans le cas de GBL:sulfolane et GBL:sulfolane:AcOH (Fig. 4c). L'énergie de liaison plus faible observée pour le cas des solvants à base de sulfolane pourrait indiquer une forte solvatation des cations méthylammonium (CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+}\)ou MA\(^{+}\)) dans la pérovskite par les atomes d'oxygène du groupe sulfonyle16. En particulier dans le cas de GBl:sulfolane:AcoH, l'interaction entre MA\(^{+}\) dans la pérovskite et le groupe carbonyle de AcOH était possible34, entraînant une passivation chimique33,34. Avec les spectres XRD et IR (Fig. 2 et 3), la présence d'une forte interaction entre MAPbI\(_{3}\) et le sulfolane a probablement contribué à ralentir le processus de cristallisation de la pérovskite33, ce qui a donné des cristaux de pérovskite plus gros21.

Résultats XPS de la pérovskite préparée à l'aide de différents systèmes de solvants.

Afin d'évaluer si la présence de sulfolane et/ou d'AcOH dans la couche de pérovskite pouvait se traduire par des propriétés physiques de la couche de pérovskite, un AFM mécanique ponctuel a été utilisé pour étudier la topographie de surface et les propriétés mécaniques de la couche. Comme le révèle la Fig. supplémentaire S2d – f, en moyenne, la pérovskite préparée à l'aide de GBL: sulfolane et GBL: sulfolane: AcOH a montré un module plus élevé que celui du film de pérovskite préparé à l'aide de GBL: DMSO. De même, la déformation des films de pérovskite préparés à l'aide de solvants à base de sulfolane était inférieure à celle de l'échantillon préparé dans un solvant à base de DMSO (Fig. S3d – f supplémentaire). La rigidité accrue de la couche de pérovskite lorsqu'elle est préparée à l'aide de solvants à base de sulfolane pourrait être attribuée à la présence de sulfolane, éventuellement dans les zones de joints de grains. Une telle rigidité accrue peut également aider à empêcher la pénétration de l'humidité dans les joints de grains du film de pérovskite, ce qui pourrait conduire à une meilleure stabilité du dispositif35. Ces résultats étaient également cohérents avec la cartographie d'adhérence présentée dans les Fig. S3a – c35,36 supplémentaires.

c-AFM (3D) et cartographie du courant de surface supérieure (2D) à 0 V et à biais - 0,6 V (cartographie V\(_{oc}\)) des films de pérovskite fabriqués à l'aide de (a–c) GBL:DMSO, (d–f) GBL:sulfolane et (gi) GBL:sulfolane:AcOH, respectivement.

Pour sonder les propriétés électroniques de la surface de la pérovskite, une microscopie à force atomique conductrice (c-AFM) a été réalisée pour obtenir une cartographie de courant sans biais externe sous l'éclairage d'une lumière de microscope d'une puissance de 0,2 mW cm\(^{-2}\). Selon les résultats présentés à la Fig. 5d, e, g, h, les couches de pérovskite préparées à l'aide de GBL: sulfolane et GBL: sulfolane: AcOH ont révélé un courant moyen de 75 pA et 96 pA, respectivement, significativement supérieur à 33 pA de l'échantillon préparé à l'aide de GBL: DMSO (Fig. 5a, b). Le transfert de charge amélioré sur la surface conductrice lorsque des solvants à base de sulfolane étaient utilisés pour fabriquer la couche de pérovskite provenait probablement de la présence de molécules de sulfolane à moment dipolaire élevé et riches en électrons37,38, aux joints de grains de la pérovskite39. Ceci est cohérent avec les profils de courant électrique de surface illustrés dans la Fig. S4d – f supplémentaire. La densité de courant plus élevée indiquait une amélioration de la conductivité, en particulier avec le solvant GBL:sulfolane:AcOH (Fig. 5g, h), ce qui pourrait faciliter une meilleure séparation des porteurs et améliorer la densité de courant de court-circuit (J\(_{sc}\)) de l'appareil33.

Pour étudier plus en détail les propriétés électriques de la couche de pérovskite, la cartographie V\(_{oc}\) (cartes de courant sous polarisation inverse) a été mesurée dans laquelle une polarisation inverse de - 0,6 V a été utilisée pour bloquer le courant généré à la bande normale à partir de la capacité de blocage des trous de la couche de transport d'électrons et observer le courant à la position de la zone V\(_{oc}\) inférieure avec une densité élevée de sites de piège. Les couches de pérovskite préparées à l'aide de GBL: sulfolane et GBL: sulfolane: AcOH ont montré une fuite de courant plus élevée (Fig. 5f, i) par rapport à la pérovskite préparée à l'aide de GBL: DMSO (Fig. 5c). Le degré de fuite de courant indique le degré de sites de recombinaison piège à la surface de la pérovskite40. Il est également intéressant de noter que, bien que les joints de grains de pérovskite préparés avec des solvants à base de sulfolane aient montré un courant électrique favorable tel que révélé par c-AFM, la présence d'une recombinaison de piège était plutôt importante et posait toujours un problème pour les performances de l'appareil.

Propriétés légères des films de pérovskite préparés à l'aide de différents systèmes de solvants.

Comme le montrent les spectres UV – Vis de la figure 6a, des différences mineures d'intensité d'absorption ont été observées aux longueurs d'onde visibles parmi les échantillons de pérovskite préparés à l'aide de différents systèmes de solvants. Le début de l'absorption de pérovskite est resté essentiellement le même à 765 nm pour toutes les conditions de solvant. Cependant, la photoluminescence à l'état d'équilibre (PL) a révélé des différences significatives lorsque différents solvants ont été utilisés pour la préparation de la structure du dispositif FTO/MAPbI\(_{3}\). Selon la figure 6b, l'utilisation de GBL:sulfolane ou GBL:sulfolane:AcOH a montré une intensité de PL plus élevée par rapport au cas de GBL:DMSO. Ce résultat suggère que la pérovskite préparée à l'aide de solvants à base de sulfolane a probablement montré une émission radiative plus élevée, ce qui est cohérent avec les résultats du cAFM (Fig. 5g – i,), ainsi qu'une densité de courant plus élevée (tableau 2). Nous avons noté que toutes les couches de pérovskite préparées à l'aide de différents systèmes de solvants ne différaient pas significativement en termes d'épaisseur (voir Fig. S5 supplémentaire).

Pour évaluer l'influence relative entre la recombinaison électron-trou et piège, la photoluminescence résolue en temps (TRPL) a également été réalisée et analysée via un ajustement bi-exponentiel42.

Selon le tableau supplémentaire S2 et la figure S6, la pérovskite préparée à l'aide de solvants à base de sulfolane présentait une fraction plus élevée de composant à court terme (\(\alpha\)2), qui peut être attribuée à la recombinaison des pièges aux interfaces de la pérovskite41, conformément à la cartographie V\(_{oc}\) de la figure 5c,f,i. Bien que le solvant à base de sulfolane ait entraîné davantage de sites de piégeage, la durée de vie moyenne du support n'était pas significativement différente de celle de la pérovskite préparée avec GBL: DMSO (tableau supplémentaire S2). Cela pourrait être dû à la grande taille des cristaux de pérovskite, en particulier en présence d'acide acétique dans le système de solvant, qui prolongeait la composante de temps de recombinaison électron-trou et aidait à récupérer la perte de V\(_{oc}\) due aux sites de pièges33.

Performances de l'appareil pour la pérovskite préparée à l'aide de différents systèmes de solvants.

Selon l'analyse des résultats J – V (voir Fig. S7 supplémentaire), l'efficacité des dispositifs fabriqués à l'aide de GBL:sulfolane:AcOH était de \(13,60\pm 1,45\) %, ce qui était statistiquement similaire à la valeur de \(14,90 \pm 1,94\) % pour les dispositifs de contrôle préparés à l'aide de GBL:DMSO. Comme indiqué dans le tableau 2 et illustré sur les figures 7a, b, J \ (_ {sc} \) des dispositifs fabriqués à l'aide de GBL: sulfolane: AcOH avait une valeur supérieure à celle du témoin préparé à l'aide de GBL: DMSO. L'amélioration de J\(_{sc}\) était probablement due à une cristallinité et une conductivité plus élevées des cristaux de pérovskite, comme le suggèrent les Fig. 2 et 6b. Bien que l'utilisation de solvants à base de sulfolane ait augmenté par inadvertance les sites de piégeage qui affectaient V\(_{oc}\), la passivation chimique de l'acide acétique dans GBL:sulfolane:AcOH a permis de récupérer la perte de V\(_{oc}\)33. En conséquence, le V\(_{oc}\) du dispositif préparé avec GBL : sulfolane : AcOH était essentiellement inchangé par rapport au cas du solvant à base de DMSO (tableau 2). Le facteur de remplissage (FF) des dispositifs fabriqués à l'aide de solvants à base de sulfolane était cependant inférieur au cas du solvant à base de DMSO (Fig. 7c). Cela pourrait être attribué à la rugosité de surface des cristaux de pérovskite préparés à l'aide de solvants à base de sulfolane (voir Fig. 1), empêchant éventuellement des interfaces étroites entre la pérovskite et les couches adjacentes22.

Performances moyennes du dispositif pendant une période de 10 jours sous 48 à 52 % d'humidité relative pour les dispositifs PSC encapsulés préparés à l'aide de différents systèmes de solvants.

L'utilisation de solvants à base de sulfolane a non seulement donné des performances comparables à celles d'un solvant à base de DMSO, mais a également entraîné une plus grande stabilité du dispositif sur au moins 10 jours de test. Selon la figure 8, les dispositifs PSC préparés à l'aide de GBL:sulfolane et GBL:sulfolane:AcOH ont révélé une bonne stabilité. Les dispositifs non encapsulés préparés à l'aide de GBL: sulfolane et GBL: sulfolane: AcOH ont montré une baisse d'environ 5 % du PCE sous une humidité relative (HR) de 48 à 50 % (Fig. 8a). J\(_{sc}\) et V\(_{oc}\) ont également montré une tendance favorable pour les solvants à base de sulfolane, révélant des chutes d'environ 8 mA cm\(^{-2}\) et 0,01 V dans J\(_{sc}\) et V\(_{oc}\), respectivement (Fig. 8b, c). Au contraire, l'échantillon de contrôle préparé à l'aide de GBL : DMSO a montré une détérioration rapide du PCE, J\(_{sc}\) et V\(_{oc}\) de 9 %, 10 mA cm\(^{-2}\) et 0,02 V, respectivement. Une diminution aussi rapide des performances était probablement due à la taille de grain plus petite sans passivation du sulfolane dans la pérovskite15,22. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent que l'utilisation de solvants à base de sulfolane respectueux de l'environnement pourrait améliorer à la fois l'efficacité de l'appareil et les performances à long terme. L'utilisation d'acide acétique dans les solvants a conduit à des cristaux de pérovskite plus uniformes et a également aidé à éliminer le PbI\(_{2}\) n'ayant pas réagi, ce qui aurait entraîné une stabilité et une efficacité moindres des dispositifs15,31.

La condition optimale pour le solvant entièrement vert à base de sulfolane non toxique, de GBL et d'AcOH pour la préparation de pérovskite a été rapportée. Les cristaux de pérovskite préparés à l'aide de GBL:sulfolane et GBL:sulfolane:AcOH ont montré des tailles de cristaux plus grandes avec une rigidité plus élevée. En revanche, les cristaux de pérovskite préparés à l'aide de GBL:DMSO étaient lâchement emballés avec plus de joints de grains. Le motif XRD a également confirmé la cristallinité élevée et l'orientation préférentielle des cristaux de pérovskite lorsqu'ils sont préparés à l'aide des solvants verts rapportés. Le PL à l'état d'équilibre a également révélé une émission radiative plus élevée lorsque des solvants à base de sulfolane ont été utilisés dans la préparation. Avec la présence de sulfolane restant aux joints de grains, les résultats de cAFM ont indiqué une conductivité électrique significativement améliorée. Même si les joints de grains infusés de sulfolane ont favorisé par inadvertance les sites de piégeage, une forte interaction entre la pérovskite et le sulfolane, ainsi que la passivation à l'acide acétique, ont permis de contrer toute perte de performance. En termes de performances photovoltaïques, une PCE de \(13,6 \pm 1,45\)%, statistiquement comparable à \(14,9 \pm 1,94\)% de l'échantillon témoin, a été observée lorsque les solvants à base de sulfolane ont été utilisés. Une telle efficacité de conversion satisfaisante peut être attribuée à un J\(_{sc}\) relativement élevé, offert par une cristallinité améliorée et une surface conductrice de la pérovskite.

Lorsqu'ils ont été observés sur une période de 10 jours sous une humidité relative élevée de 48 à 52 % sans encapsulation du dispositif, les dispositifs PSC préparés à l'aide de GBL : sulfolane et GBL : sulfolane : AcOH ont montré une stabilité supérieure au cas du solvant à base de DMSO. Ainsi, les solvants à base de sulfolane pourraient non seulement donner de meilleures performances globales des dispositifs, mais également offrir une approche respectueuse de l'environnement pour le développement actuel et futur du PSC. Alors que la production à grande échelle de PSC devient progressivement réalisable, ces solvants alternatifs verts pourraient jouer un rôle de plus en plus important dans la protection de la santé humaine et la minimisation de l'impact néfaste sur l'environnement.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la Science Achievement Scholarship of Thailand (SAST), Mahidol University (Basic Research Fund: exercice 2021), le NSRF via l'Unité de gestion du programme pour les ressources humaines et le développement institutionnel, la recherche et l'innovation (numéro de subvention B16F640099), et le Centre d'excellence pour l'innovation en chimie (PERCH-CIC), ministère de l'Enseignement supérieur, des Sciences, de la Recherche et de l'Innovation, Thaïlande.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Akarapitch Siripraparat et Pimolrat Mittanonsakul.

Département de chimie, Faculté des sciences, Université Mahidol, Bangkok, 10400, Thaïlande

Akarapitch Siripraparat, Pimolrat Mittanonsakul & Pasit Pakawatpanurut

Centre d'excellence pour l'innovation en chimie (PERCH-CIC), Faculté des sciences, Université Mahidol, Bangkok, 10400, Thaïlande

Akarapitch Siripraparat, Pongsakorn Kanjanaboos et Pasit Pakawatpanurut

École des sciences des matériaux et de l'innovation, Faculté des sciences, Université Mahidol, Bangkok, 10400, Thaïlande

Pimsuda Pansa-Ngat, Chaowaphat Seriwattanachai et Pongsakorn Kanjanaboos

National Nanotechnology Center (NANOTEC), National Science and Technology Development Agency, Thailand Science Park, Khlong Luang District, Pathum Thani, 12120, Thaïlande

Petit Cumnorkaew et Anusit Kaewprajak

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AS : Rédaction — projet original, méthodologie, validation, conservation des données. PM : Rédaction — édition, conceptualisation, investigation. PP : Rédaction—édition, méthodologie, conservation des données. CS : Rédaction—édition, méthodologie, conservation des données. PK : Méthodologie, enquête. AK : Méthodologie, enquête. PK : rédaction—édition, méthodologie, conservation des données. PP : Rédaction — édition, conceptualisation, méthodologie, conservation des données.

Correspondance avec Pasit Understanding.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Siripraparat, A., Mittanonsakul, P., Pansa-Ngat, P. et al. Tous les solvants verts à base de sulfolane ont amélioré la conductivité électrique et la rigidité de la couche cristalline de pérovskite. Sci Rep 13, 9335 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36440-6

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Reçu : 10 janvier 2023

Accepté : 03 juin 2023

Publié: 08 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36440-6

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