钙钛矿

热蒸发CH3NH3PbI3薄膜的研究

Youzhen李1 Xuemei徐，chenggong王,2聪聪王,2 Fangyan谢,3 Junliang杨,1

和永丽Gao2

1物理与电子学院,中南大学,长沙,湖南410083,中国的公关

2部门的物理学和天文学,罗切斯特大学,罗切斯特,纽约,14627年,美国

3仪器分析中心、中山大学、广州,510275年,中国的公关

CH3NH3I,PbI2 和CH3NH3PbI3薄膜通过蒸发融合，并且具有x射线光电子能谱(XPS)、x射线衍射(XRD)的特点,XPS结果表明,PbI2和CH3NH3PbI3薄膜比CH3NH3I薄膜更均匀和稳定。CH3NH3I、PbI2和CH3NH3PbI3薄膜的原子比例分别是C:N:I = 1.00:1.01:0.70，Pb:I = 1.00:1.91和C:N:Pb:I =

1.29:1.07:1.00:

2.94。CH3NH3PbI3的原子比例非常接近理想的钙钛矿。小角度x射线衍射结果表明,蒸发CH3NH3PbI3薄膜是晶体状的。CH3NH3PbI3薄膜的最大价带(VBM)和功函数(WF)大约0.85 ev和4.86 ev。C 2015作者(年代)。所有的文章内容,除非另有声明,基于知识共享署名

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薄膜太阳能电池因其低成本的材料和制造而被认为是很有前途的可再生能源应用。有机光电、色素增感太阳能电池和胶状纳米晶体太阳能电池在过去的几年中被广泛研究。最近,有机金属卤化物钙钛矿作为新型太阳能电池聚光材料及其低成本和高功率转换效率(PCE)吸引了太多的关注，展示了其为钙钛矿太阳能电池应用巨大的潜力。在2009年，Miyasaka首次报道了3.8%的PCE。在2012年，H.-S.Kim和其同事报道固体钙钛矿太阳能电池的PCE是9.7% .然后，具有平面异质结结构钙钛矿太阳能电池也报告5%的PCE,并且迅速提高到15.4%, 19.3%甚至20.1% ，很接近晶体硅太阳能电池。这表明具有高PCE的钙钛矿太阳能电池可以以一种更简单的方法用更低的成本和更高的效率制备。

溶液旋转和热蒸发是两种来获取钙钛矿薄膜的主要方法。旋转比蒸发更简单和成本更低。然而,表面通常不均匀,表面的化学计量偏离理想的原子比率.snaith 的团队首次报道通过蒸发制造.他们得到了更均匀表面的钙钛矿薄膜和获得比旋转制造更高的效率和开路电压的设备。对于薄膜太阳能电池,表面和界面状态,如电子结构和能量水平排列可以大大影响性能。研究表面和界面电子结构可以提供这种太阳能电池物理机制的重要的信息,从而帮助我们提高PCE与稳定性。有报道称，在钙钛矿表面和界面的研究，然而,在这些研究中的钙钛矿薄膜是由旋转制备，并且，不可避免的不均匀,表面原子比例通常并不理想。有必要制备均匀和表面化学计量表面的研究敏感探测器进一步揭示更长远的新类的材料。对于这类研究，蒸发是获取均匀表面一个很好的方法。

在这项工作中,我们提出我们的研究：通过蒸发制造CH3NH3PbI3 薄膜。PbI2和CH3NH3I薄膜也进行了研究用来比较。X射线光电子能谱(XPS)测量表明CH3NH3PbI3薄膜有一个均匀的表面，并且，原子比例接近理想值。x射线衍射(XRD)结果表明,这薄膜达到了期望的钙钛矿结晶度。PbI2表面是均匀的和化学计量的,而CH3NH3I薄膜不像PbI2和CH3NH3PbI3薄膜那样均匀。CH3NH3PbI3功函数的测量是4.86 eV和最大价带(VBM)为0.85 eV，低于费米

能级。从CH3NH3PbI3的电离势可以推导出5.71 eV。结果表明,合蒸发导致高质量的表面适合进一步接口研究。

蒸发和XPS测量的进行在改性表面科实验室ssx - 100,一个超高真空(特高压)系统包含两个互相连接的房间,一个蒸发室和一个分析室,它允许独立的样品制备和分析样本的基础压力始终保持真空。小室的基本压强通常1×10−7和1×10−10托。分析仪室配备了x射线单色仪和高通量弯曲石英晶体提供单色Al Kα辐射(1486.6 eV)。x射线的样本的位置可以通过显微镜被精确调整安装在室的顶部。一个直径40毫米高分辨率探测器与平行检测设备用来测量光电子的能量,能量分辨率约0.6 eV。薄膜的结构特征为x射线衍射(XRD)，由美国飞利浦衍射仪收集的,配备了铜Kαx射线管，在40 kV和30 mA使用步长为0.030度和1.0s 一次。样本架安装在低背景。实验装置进行了x射线数据从10 - 70◦，2θ度角是固定的。

用金旋涂硅晶片基板。他们通过使用甲醇清洗ultra-son之前加载到蒸发室。PbI2(上海Zhenpin技术Com。99%)和CH3NH3I(武汉晶体太阳能电池技术Com)粉放入钨分开舱,每个舱是附加一个热电偶收紧了舱的中心附近的准确温度。膜厚度(质量等效厚度)是由石英晶体微量天平监控。蒸发之前,PbI2和CH3NH3I 粉脱气附近的温度蒸发了约10分钟。通过仔细控制温度,我们首先蒸发PbI2分别和CH3NH3I薄膜(名义厚度分别是50和100)。然后我们合蒸发CH3NH3PbI3薄膜。原子比例的计算利用XPS峰地区和原子敏感因素的设备。XPS测量,CH3NH3PbI3厚度为100 Å . CH3NH3PbI3样本的厚度约600Å的生长和从小室取出放在充满氮气袋中10分钟进行x射线衍射测量. .

图1显示了XPS测量扫描蒸发PbI2,CH3NH3I和CH3NH3PbI3薄膜。可以看出PbI2和CH3NH3PbI3薄膜比CH3NH3I更均匀,几乎在前两个中没有检测出衬底金信号。而且,在CH3NH3PbI3薄膜中没有探测到通常在旋涂样品中出现的氧气信号。CH3NH3I中的O信号来自金衬底上的污染物。

蒸发薄膜的化学计量信息可以从XPS核心级峰值区域和工具性的原子敏感性中获得。CH3NH3PbI3薄膜的原子比是C:N:Pb:I=1.29:1.07:1.00:2.94 ,这是非常接近理想的化学计量价值。它在真空中是非常稳定的，当我们在真空观察好几天，它都没有任何明显的变化。PbI2薄膜的原子比是Pb:I= 1:1.91,这又是非常接近理想的化学计量价值。PbI2薄膜像CH3NH3PbI3一样在真空中也具有很高的稳定性。我们发现CH3NH3I的蒸发是非常困难的。通过仔细控制温度,在蒸发室关闭离子泵，通过石英微量天平监控，我们名义上能获得100 ÅCH3NH3I 薄膜。从图1中我们可以看到,从基质及其污染物中的金和O峰值,表明蒸发CH3NH3I薄膜并不均匀。当我们观察到名义上100Å在真空中几天就消失了，因此在真空也不稳定。