سلول خورشیدی پروسکایتی ارزان قیمت بر پایه انتقال دهنده حفره ایمیدازولی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 زنجان، دانشگاه زنجان، دانشکده علوم، گروه شیمی

2 زنجان، دانشگاه زنجان، دانشکده علوم، گروه فیزیک

چکیده

مواد انتقال‌دهنده حفره از اجزای بسیار مهم یک سلول خورشیدی پروسکایتی به شمار می‌روند، به‌نحوی که حضور آن‌ها یک مولفه کلیدی برای دستیابی به بازدهی بالا در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته محسوب می‌شود. از این‌رو جستجو برای پیدا کردن انتقال‌دهنده های حفره جدید، کارآمد و کم‌هزینه برای استفاده در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی از داغ‌ترین موضوع‌های پژوهشی در قلمرو سلول‌های خورشیدی به شمار می‌رود. در این مقاله، نسل جدیدی از انتقال‌دهنده‌های حفره آلی به منظور استفاده در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، تهیه و معرفی شده است. انتقال‌دهنده حفره آلی دوهسته-ای bis(4-(4,5-diphenyl-2-(p-tolyl)-4,5-dihydro-1H-imidazol-1-yl)phenyl)methane که با نام اختصاری MDA-PI2 معرفی می‌شود، بر پایه بنزیل‌ایمیدازول‌ها سنتز و شناسایی شد و سرانجام به عنوان ماده انتقال‌دهنده حفره آلی دوهسته‌ای در سلول خورشیدی پروسکایتی مورد استفاده قرار گرفت . از آنجا که ویژگی‌های فوتو فیزیکی، فوتو شیمیایی و الکتروشیمیایی انتقال‌دهنده‌های حفره نقش بسیار مهمی را در بهبود عملکرد یک سلول خورشیدی پروسکایتی بازی می‌کنند به بررسی آنالیزهای مختلفی از جمله ولتامتری چرخه‌ای، پایداری حرارتی، فوتولومینسانس، زاویه تماسی آب پرداخته شد که همگی گویای عملکرد مطلوب انتقال‌دهنده حفره جدید سنتز شده در یک سلول خورشیدی پروسکایتی بودند. همچنین، میزان فرونشانی فعالیت نشری انتقال دهنده حفره جدید بسیار نزدیک به نمونه مرجع Spiro-OMeTAD در حضور لایه جاذب پروسکایتی بود که نشان از انتقال موثر حفره‌ها در سلول خورشیدی پروسکایتی می‌باشد. پس از ساخت سلول خورشیدی پروسکایتی بدون انتقال دهنده حفره و بر پایه انتقال دهنده حفره جدید، میزان بازده سلول خورشیدی پروسکایتی ، از مقدار 1/57 درصد در غیاب انتقال‌دهنده حفره، به مقدار 6/60 درصد در حضور انتقال‌دهنده حفره جدید افزایش پیدا کرد که نشان‌دهنده عملکرد خوب انتقال‌دهنده‌های حفره بر پایه حلقه های ایمیدازولی است .

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Low-Cost Perovskite Solar Cell Based on Imidazole Hole Transport

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Sadeghi 1
  • Hashem Shahroosvand 1
  • Nafiseh AD mohammadi 2
  • Mohammad Ali Maleki 2
1 Zanjan, Zanjan University, Faculty of Science, Department of Chemistry
2 Zanjan, Zanjan University, Faculty of Science, Department of Physics
چکیده [English]

Hole transport materials (HTMs) are one of the most important components in perovskite solar cell (PSC) which their presence play as a key factor to achieve the high efficiency of conversion of solar irradiation to electricity. That is why the searching of new efficient and cost-effective HTMs for using in PSC is one of the hottest research objects in PSC filed. In this paper, a new generation of a bi-nuclear organic HTM for using in PSC has been prepared and introduced. Bi-nuclear organic-HTM bis(4-(4,5-diphenyl-2-(p-tolyl)-4,5-dihydro-1H-imidazol-1-yl)phenyl)methane, namely MDA-PI2 , based on benzyl imidazoles was synthesized and fully characterized and finally was applied as a bi-nuclear organic HTMs in PSC. Since the photophysical, photochemical and electrochemical properties of HTMs play key role in a PSC, a variety of analysis and measurements including cyclic voltammetry, thermal stability, photoluminescence and water contact angle were carried out which indicated the promising performance of newly synthesized HTM in a PSC. In addition, the luminescence quenching value of novel HTM was very close to bench-mark Spiro-OMeTAD in the presence of perovskite absorber layer which proved the efficient transferring of holes in PSC. After fabrication of perovskite solar cell without any HTM and with it, the efficiency of PSC was dramatically increased from 1.57 % to 6.60 % , respectively which shown the good performance of HTMs based on imidazole rings.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hole transport materials
  • Perovskite solar cell
  • Imidazole

مراجع

[1] E. W. Ernst and H. VonFoerster,  J. Appl. Phys., 25, no. 5 (1954) 674.
[2] B. Balaji S. Srinivas, Babu M. Nagendra and Y. S. Reddy, Int. J. Eng. Res. Online, 3 (2015) 178.
[3] B. Askari Mohammad, V. Mirzaei Mahmoud Abadi and M. Mirhabibi, Am. J. Opt. Photonics, 3, no. 5 (2015) 94.
[4] A. McEvoy and T. Markvart, Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation, Academic Press (2012).
[5] S. Sharma, K. K. Jain and A. Sharma, Mater. Sci. Appl., 6, no. 12 (2015) 1145.
[6] T. Saga NPG Asia Mater., 2, no. 3 (2010) 96.
[7] K. L. Chopra, P. D. Paulson and V. Dutta, Prog. Photovoltaics: Research and applications, 12, no. 2‐3 (2004) 69.
[8] B. Pashaei, H. Shahroosvand, M. Graetzel and M. K. Nazeeruddin, Chem. Rev., 116, no. 16 (2016)9485.
[9] P. M. Sirimanne and V. P. S. Perera, Phys. Status Solidi B, 245, no. 9 (2008) 1828.
[10] D. Eder and A. H. Windle, Adv. Mater., 20, no. 9 (2008) 1787.
[11] B. Pashaei, H. Shahroosvand, M. Ameri, E. Mohajerani and M. K. Nazeeruddin, J. Mater. Chem. A, 7, no. 38 (2019) 21867.
[12] R. Sommayeh,  E. Mohammad, H. Mohadeseh, J. Of Applied Chemistry. 15 (1389) 19 .in Persian.
[13] B. Davar, B. Mahdi, J. Of Applied Chemistry, 14 (1389) 74. In Persian.
[14] Wei E. I. Sha, X. Ren, L. Chen and W. C. H. Choy, Appl. Phys. Lett., 106, no.22 (2015) 221104.
[16] T. Tinoco, C. Rincón, M. Quintero, and G. S. Pérez,  Phys. status solidi A, 124, no. 2 (1991) 427.
[16] Z. Yu and L. Sun, Adv. Energy Mater., 5, no. 12 (2015) 1500213.
[17] Jeffrey A. Christians, Raymond C. M. Fung and Prashant V. Kamat, J. Am. Chem. Soc., 136, no.2 (2013) 758.
[18] Z. Yu and L. Sun, Small Methods, 2, no. 2 (2017) 1700280
[19] S. Chavhan, O. Miguel, H. J. Grande, V. G. Pedro, R. S. Sánchez, E. M. Barea, I. M. Seró and R. T. Zaera, J. Mater. Chem. A, 2, no. 32 (2014) 12754.
[20] D. Bi, C. Yi, J. Luo, J. D. Décoppet, F. Zhang, S. M. Zakeeruddin, X. Li, A. Hagfeldt and M. Grätzel. Nat. Energy, 1, no. 10 (2016) 16142.
[21] L. Calió, S. Kazim, M. Grätzel and S. Ahmad, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 55, no. 47 (2016) 14522.
[22] X. Y. Li, L. P. Zhang, F. Tang, Z. M. Bao, J. Lin, Y. Q. Li, L. Chen, and C. Q. Ma, RSC Adv., 6 (2016) 24501.
[23] S. Zhang, Z. Yu, P. Li, B. Li, F. H. Isikgor, D. Du, K. Sun, Y. Xia and J. Ouyang, Org. Electron, 32 (2016) 149.
[24] W. S. Yang, B. W. Park, E. H. Jung, N. J. Jeon, Y. C. Kim, D. U. Lee, S. S. Shin, J. Seo, E. K. Kim, J. H. Noh and S. I. Seok, Science, 356 ,no. 6345 (2017) 1376.
[25] L. Kegelmann, P. Tockhorn, C. M. Wolff, J. A. Márquez, S. Caicedo-Dávila, L. Korte, T. Unold, W. Lövenich, D. Neher, B. Rech and S. Albrecht, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11 (2019)9172.  
[26] Y. Wu, A. Islam, X. Yang, C. Qin, J. Liu, K. Zhang, W. Peng and L. Han, Energy Environ. Sci., 7, no. 9 (2014) 2934.
[27] F. J. Ramos, K. Rakstys, S. Kazim, M. Grätzel, M. K. Nazeeruddin and S. Ahmad, RSC Adv., 5, no. 66 (2015) 53426.
[28] K. Rakstys, A. Abate, M. I. Dar, P. Gao, V. Jankauskas, G. Jacopin, E. Kamarauskas, S. Kazim, S. Ahmad, M. Grätzel, and M. K. Nazeeruddin, J. Am. Chem. Soc., 137, no. 51 (2015) 16172.
[29] B. Eftekhari-Sis, J. Of Applied Chemistry, 8 (2014) 11.
[30] M. Ichikawa, K. Hibino, N. Yokoyama, T. Miki, T. Koyama and Y. Taniguchi, Synth. Met., 156, no. 21 (2006) 1383.
[31] J. Jayabharathi, P. Ramanathan, C. Karunakaran and V. Thanikachalam, J. Fluoresc., 26, no. 1 (2016) 307.
[32] J. Jayabharathi, V. Thanikachalam, M. V. Perumal and N. Srinivasan, J. Fluoresc., 22, no. 1 (2012) 409.
[33] Y. Zhang, S. L. Lai, Q. X. Tong, M. F. Lo, T. W. Ng, M.Y. Chan, Z. C. Wen, J. He, K. S. Jeff, X. L. Tang, W. M. Liu, C. C. Ko, P. F. Wang and C. S. Lee, Chem. Mater., 24 no. 1 (2011) 61.
[34] J. Jayabharathi, V. Thanikachalam, and M. V. Perumal, Spectrochim. Acta, Part A, 79, no. 3 (2011) 502.
[35] N. Nagarajan, A. Prakash, G. Velmurugan, N. Shakti, M. Katiyar, P. Venuvanalingam, and R. Renganathan, Dyes Pigm., 102 (2014) 180.
[36] A. Yella, L. P. Heiniger, P. Gao, M. K. Nazeeruddin and M. Grätzel, Nano Lett., 14, no. 5 (2014) 2591.
[37] K. Wojciechowski, M. Saliba, T. Leijtens, A. Abate and H. J. Snaith, Energy Environ. Sci., 7, no. 3 (2014) 1142.
[38] H. Zhou, Y. Shi, Q. Dong, H. Zhang, Y. Xing, K. Wang, Y. Du and T. Ma, J. Phys. Chem. Lett., 5, no. 18 (2014) 3241.
[39] X. Wang, Y. Fang, L. He, Q. Wang and T. Wu, Mater. Sci. Semicond. Process., 27, (2014) 569.
[40] M. Shahbazi and H. Wang, Sol. Energy, 123 (2016) 74.
[41] Y. Ma, L. Zheng, Y. H. Chung, S. Chu, L. Xiao, Z. Chen, S. Wang, B. Qu, Q. Gong, Z. Wu and X. Hou, Chem. Commun., 50, no. 83 (2014) 12458.
[42] J. H. Heo, S. H. Im, J. H. Noh, T. N. Mandal, C. S. Lim, J. A. Chang, Y. H. Lee, H. J. Kim, A. Sarkar and M. K. Nazeeruddin, Nat. Photonics, 7, no. 6, (2013) 486.
[43] M. D’Alessandro, M. Aschi, C. Mazzuca, A. Palleschi and A. Amadei, J. Chem. Phys., 139 no. 11 (2013) 114102.
[44] I. J. Bigio and J. R. Mourant, Phys. Med. Biol., 42 ,no. 5 (1997) 803.
[45] A. J. Bard and L. R. Faulkner, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. Vol. 2. New York: wiley (1980).
[46] R. S. Nicholson and I. Shain, Anal. Chem. 36, no. 4 (1964) 706.
[47] J. Heinze, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 23, no. 11 (1984) 831.
[48] W. J. Lyons, Text. Res. J., 33, no. 7 (1963) 580.
[49] J. H. Kim, P. W. Liang, S. T. Williams, N. Cho, C. C. Chueh, M. S. Glaz, D. S. Ginger and A. K. Y. Jen, Adv. Mater., 27, no.4 (2015) 695.
[50] M. Liu, M. B. Johnston and H. J. Snaith, Nature, 501 no. 7467 (2013) 395.
شیمى کاربردى روز
دوره 16، شماره 58
فروردین 1400
صفحه 257-272

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار