Liquid Phase Deposition of TiO2 Films for Electron Transport Layer of Perovskite Solar Cells

Abstract

Шар TiO2 відіграє важливу роль в органічних свинцево-галогенідних перовскітних сонячних елементах (PSCs) як електронно-транспортний шар, а також як блокуючий шар для запобігання рекомбінації носіїв на межі поділу легованого фтором оксиду олова (FTO) та перовскітого шару. Тонку плівку TiO2 успішно вирощували на підкладці FTO методом осадження рідкої фази. У цій роботі шари TiO2 вирощували в два заходи при температурі 50 ºC. Перший шар вирощували протягом 2 год, а другий шар згодом вирощували з різною тривалістю, а саме протягом 1, 2, 3 та 4 год. Оптичні, структурні та морфологічні властивості зразків характеризували відповідно за допомогою УФ-спектроскопії, XRD та FESEM/EDX. Потім тонку плівку TiO2 застосовували як електроннотранспортний матеріал (ETM) у PSC з конфігурацією n-i-p. Результати УФ-спектроскопії показали, що спектр максимального поглинання тонких плівок TiO2 відповідає діапазону довжин хвиль 300-450 нм для усіх зразків. На дифрактограмі виявлено, що зразок є структурою анатазу TiO2 з кристалічною орієнтацією (100), (004), (200) і (105) при кутах пікової дифракції 2θ, рівними відповідно 25,50º; 37,92º; 48,04º і 54,84º. FESEM характеристика показала, що наноструктура TiO2 має стрижнеподібну морфологію. Пристрій PSC, виготовлений з використанням зразка TiO2 з другим шаром, вирощеним протягом 2 год, демонструє найвищу ефективність перетворення потужності, рівну 0,23 %.

The TiO2 layer plays an important role in organic lead-halide perovskite solar cells (PSCs) as an electron transport layer as well as a blocking layer to prevent carrier recombination at the interface of fluorine-doped tin oxide (FTO) and a perovskite layer. TiO2 thin film was successfully grown on FTO substrate using the liquid phase deposition method. In this work, TiO2 layers were grown at a temperature of 50 °C. The first layer was grown for 2 h and the second layer was subsequently grown at different durations, i.e. 1, 2, 3, and 4 h. The optical, structural and morphological properties of the samples were characterized using UV-vis spectroscopy, XRD and FESEM/EDX, respectively. The TiO2 thin film was then applied as an electron transport material (ETM) in the PSC n-i-p configuration. The UV-vis characterization results showed that the peak absorption spectrum of TiO2 thin films occurred in the wavelength range of 300- 450 nm for all samples. The XRD pattern indicated that the sample is anatase TiO2 structure with the crystal orientation of (100), (004), (200) and (105) at the diffraction peak angle of 2θ: 25.50º, 37.92º, 48.04º and 54.84°, respectively. FESEM characterization showed that the TiO2 nanostructure has a rod-like morphology. The PSC device fabricated utilizing the TiO2 sample with a second layer grown for 2 h exhibits the highest power conversion efficiency of 0.23 %.