Todo sulfolano verde

Jun 03, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9335 (2023) Citar este artículo

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La comercialización industrial de las células solares de perovskita no solo depende del rendimiento suficiente del dispositivo, sino que también requiere la eliminación completa de los solventes peligrosos en el proceso de fabricación para permitir el desarrollo sostenible de la tecnología. Este trabajo informa sobre un nuevo sistema de solvente basado en sulfolano, \(\gamma\)-butirolactona (GBL) y ácido acético (AcOH) como una alternativa significativamente más ecológica a los solventes comunes pero más peligrosos. Curiosamente, este sistema solvente no solo dio como resultado una capa de perovskita densamente empaquetada de mayor tamaño de cristal y mejor cristalinidad, sino que se descubrió que los límites de los granos eran más rígidos y altamente conductores de la corriente eléctrica. Los cambios físicos en los límites de los granos se debieron a las interfaces de cristal infundidas con sulfolano, que se esperaba que facilitaran una mejor transferencia de carga y proporcionaran una barrera más fuerte contra la humedad dentro de la capa de perovskita, lo que produciría una mayor densidad de corriente y un mayor rendimiento del dispositivo como resultado. De hecho, al usar un sistema de solvente mixto que consiste en sulfolano, GBL y AcOH en una proporción de volumen de 70,0:27,5:2,5, la estabilidad del dispositivo fue mejor y el rendimiento fotovoltaico fue estadísticamente comparable con los preparados con solvente basado en DMSO. Nuestro informe refleja hallazgos sin precedentes de conductividad eléctrica y rigidez mejoradas de la capa de perovskita simplemente mediante el uso de una elección adecuada del solvente completamente verde.

La célula solar de perovskita híbrida inorgánica-orgánica (PSC) ha intrigado a muchos investigadores principalmente debido a su potencial de rendimiento y perspectiva prometedora1,2,3. El rápido desarrollo de PSC en los últimos años también hace posible lograr un rendimiento fotovoltaico aún mejor, especialmente dado el hecho de que muchos valores de eficiencia de conversión de energía (PCE) informados se han quedado atrás del valor teórico del 25,2 %3, dejando un amplio espacio para más logro. Una estructura cristalina de perovskita híbrida típica se puede caracterizar como \(ABX_{3}\), que consiste en un catión (sitio A), como CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+} \), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) y Rb\(^{+}\). El marco inorgánico \(BX_{3}\) consta de elementos de haluro (sitio X) y el metal (sitio B), como Pb\(^{+}\) y Sn\(^{+}\)4. El PCE informado recientemente ha alcanzado hasta el 25,2 %3, un nivel que representa un avance significativo, especialmente en comparación con otros fotovoltaicos, como CdTe, seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), así como células solares orgánicas y sensibilizadas con tinte5.

Igualmente importante para el desarrollo del rendimiento fotovoltaico es el impacto sobre el medio ambiente y la salud humana del proceso de preparación. Los informes de alto rendimiento a menudo se basan en el uso de sustancias químicas peligrosas, como la N-metil-2-pirrolidona (NMP) y la N,N-dimetilformamida (DMF) cancerígenas y el dimetilsulfóxido (DMSO) que penetra en la piel, para la preparación de perovskita6,7,8,9,10. Sin embargo, aunque el uso de estos solventes podría garantizar un alto rendimiento del dispositivo, su toxicidad para el medio ambiente y la salud humana podría causar problemas graves, especialmente cuando la tecnología se implementa a gran escala10. Por lo tanto, para desarrollar la tecnología PSC de manera sostenible, es necesario abordar el problema de la elección de los disolventes.

En un esfuerzo por lograr una preparación más ecológica, se usó el solvente mixto que consiste en polietilenglicol y \(\gamma\)-butirolactona (GBL) para preparar la solución precursora de PbBr\(_{2}\). El PSC resultante mostró un PCE de hasta 8,11%11. El (R)-(+)-limoneno y el 2-metiltetrahidrofurano también podrían usarse como antidisolventes menos tóxicos en la preparación de una capa de perovskita de alta calidad en el dispositivo PSC invertido, con PCE de hasta el 17,84 %12. Tian y colaboradores también sugirieron el n-butanol como un antisolvente verde para preparar películas de perovskita en dispositivos de área grande, lo que demostró una PCE de 13,85 %13. Yavari y sus compañeros de trabajo utilizaron anisol como antidisolvente verde en la preparación de PSC, lo que produjo un impresionante PCE de hasta un 20,5 %14. Sin embargo, a pesar de los muchos esfuerzos realizados hasta el momento, la estabilidad del dispositivo sigue siendo un desafío14, lo que podría atribuirse a la disolución ineficiente de los precursores de perovskita en el proceso de preparación15. Como resultado, aún no se ha materializado la eliminación completa de los solventes peligrosos, y estos solventes aún desempeñan un papel en diversos grados en el proceso de fabricación para facilitar la solubilidad de los precursores químicos.

En este trabajo, se abordó el tema de la solubilidad de los precursores de perovskita, particularmente PbI\(_{2}\) para la perovskita de yoduro de plomo (II) de metilamonio, con el fin de determinar un sistema solvente alternativo para la preparación de perovskita. Según el análisis de solubilidad de Hansen al evaluar la solubilidad de PbI\(_{2}\)15, el sulfolano (1\(\lambda ^{6}\)-tiolano-1,1-diona o tetrametilensulfona) surgió como un solvente prometedor que contiene un grupo funcional de sulfona similar a DMSO16. Además de una penetración en la piel muy baja en comparación con otros solventes16, el sulfolano es un solvente aprótico polar con alta miscibilidad, lo que hace posible su uso en solventes mixtos con varios otros compuestos. La viscosidad y el punto de ebullición relativamente altos del sulfolano no solo ayudarían a reducir la presión de vapor dentro de los dispositivos durante el funcionamiento normal, sino que también promoverían una mejor salud y seguridad ocupacional para la futura fabricación a gran escala. Para formular una alternativa de solvente verde basada en sulfolano17, también se introdujo un aditivo verde como el ácido acético (AcOH) para ayudar a la solubilidad de PbI\(_{2}\) al reducir la concentración sobresaturada del precursor y facilitar la formación de pre- grupo de nucleación 18. Además, el componente verde como \(\gamma\)-butirolactona (GBL) también se usó en la mezcla de solventes para mejorar la solubilidad de PbI\(_{2}\) de acuerdo con el concepto de solubilidad de Hansen10,19,20 .

Los resultados mostraron que un nuevo sistema de solvente mixto que consiste en sulfolano, GBL y AcOH podría generar un PCE estadísticamente comparable al dispositivo de control fabricado con un solvente tóxico basado en DMSO. Quizás lo más importante es que la prueba de estabilidad de 10 días bajo una humedad relativa del 48% al 50% reveló que el dispositivo fabricado con el solvente a base de sulfolano se volvió más estable. Sorprendentemente, los resultados mostraron que un nuevo sistema de solvente mixto que consiste en sulfolano, GBL y AcOH podría mejorar la conductividad eléctrica y la rigidez de la capa de perovskita, lo que a su vez proporcionó un rendimiento de la celda estadísticamente comparable al del dispositivo de control fabricado con tóxicos basados ​​en DMSO. solvente. La prueba de estabilidad con una humedad relativa del 48% al 50% también reveló que el dispositivo fabricado con el solvente a base de sulfolano fue más estable al menos durante más de 10 días de prueba.

Los sustratos de vidrio de óxido de estaño (FTO) dopado con flúor, conductivo, transparente (resistividad superficial: 7 \(\Omega\)/sq) se adquirieron de Solaronix. Para la síntesis de la capa compacta de TiO\(_{2}\) se utilizaron isopropóxido de titanio (TTIP) y butóxido de titanio(IV) (Ti(OBu)\(_{4}\)) de Fluka Analytical. Se utilizó etanol (95%) de Sigma-Aldrich como disolvente para la síntesis. Se utilizó cloruro de titanio (TiCl\(_{4}\)) para el tratamiento superficial de la capa de TiO\(_{2}\). Para la solución de perovskita, PbI\(_{2}\) (99,99%), CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)I (99,5%), 2,2\(^\ prime\),7,7\(^\prime\)-tetrakis (N, N-di-p-metoxifenilamina)-9,9\(^\prime\)-espirobifluoreno (espiro-OMeTAD, 99,5 %), litio bis-(trifluorometanosulfonil) imida (Li-TFSI, 99,9 %) y 4-terc-butilpiridina (TBP, 96 %) se adquirieron de Sigma-Aldrich. Isopropóxido de titanio (IV) (99,999 %), clorobenceno (99,9 %), N,N-dimetilformamida (DMF, 99,9 %), sulfóxido de dimetilo (DMSO, anhidro 99,9 %), \(\gamma\)-butirolactona (GBL), sulfolano, ácido acético (AcOH, 99%) y acetonitrilo (99,9%) también se obtuvieron de Sigma Aldrich. Para la evaporación del metal, se compraron metal dorado (99,99%) y metal plateado (99,9%) de la empresa Kurt J. Lesker.

Se utilizó el método sol-gel para preparar la capa compacta de TiO\(_{2}\). En primer lugar, se mezcló TTIP con etanol (95 %) utilizando la relación de volumen 7,83:92,17. Luego se añadieron lentamente a la solución 60 \(\upmu\)L de HCl concentrado. La solución se agitó durante la noche antes de recubrir un vidrio FTO usando el método de recubrimiento por rotación. Finalmente, se usó una solución de TiCl\(_{4}\) para tratar la superficie de la capa de TiO\(_{2}\).

El vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) se limpió en 3 pasos secuenciales (detergente Alconox, agua e isopropanol) y luego se secó con gas N\(_{2}\). El proceso de cada paso se llevó a cabo bajo una alta humedad relativa de 48 a 52 %. El TTIP se revistió sobre el vidrio FTO como una capa de transporte de electrones (ETL) utilizando un revestimiento por rotación a 2000 rpm durante 30 s, seguido de un recocido a 550 \(^\circ\)C durante 1 h y un enfriamiento a temperatura ambiente. temperatura. Se usó una solución de TiCl\(_{4}\) para tratar la superficie de TiO\(_{2}\) y se secó al aire en una placa caliente a 500 \(^\circ\)C durante 2 h. Después de que el sustrato se enfríe, una solución que contenga 1,5 mol L\(^{-1}\) PbI\(_{2}\) y 1,5 mol L\(^{-1}\) CH\(_{3} \)NH\(_{3}\)I (o MAI) se recubrió sobre un sustrato utilizando el método de recubrimiento por rotación de dos pasos a 1500 rpm durante 7 s y luego a 3500 rpm durante 50 s, seguido de recocido a 80 \( ^\circ\)C durante 20 min. Los disolventes utilizados en este paso fueron GBL:DMSO con una relación de volumen de 70:30 (indicado como GBL:DMSO), GBL:sulfolano con una relación de volumen de 70:30 (indicado como GBL:sulfolano) y GBL:sulfolano:AcOH con una relación de volumen 70:27,5:2,5 (indicado como GBL:sulfolano:AcOH), que se optimizó de acuerdo con el modelo de solubilidad de Hansen, como se muestra en la Tabla S1. La relación de volumen optimizada de GBL (70):DMSO (30) informada en el trabajo anterior20 se utilizó como muestra de control. El spiro-OMeTAD se preparó disolviendo 72,3 mg de spiro-OMeTAD, 28,8 \(\upmu\)L de TBP y 17,5 \(\upmu\)L de solución Li-TFSI (520 mg de Li-TFSI en 1 mL de acetonitrilo) en 1 ml de clorobenceno. Luego, la solución se revistió por rotación sobre la capa de perovskita utilizando dos pasos secuenciales (a 1500 y 4000 rpm) durante 50 s cada uno para obtener una capa de transporte de agujeros (HTL). En un paso final, el metal dorado se depositó mediante evaporación térmica como contraelectrodo. La estructura del dispositivo se puede indicar como FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\)/HTL/Au.

Los parámetros de densidad-voltaje de corriente (J-V) de los dispositivos medidos se obtuvieron mediante el uso de un Keithley Modelo 2400 calibrado por NREL bajo irradiación solar AM 1.5G simulada a 100 mW cm\(^{-2}\). El barrido directo se operó de -0,1 a 1,1 V. Los espectros de espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) se midieron utilizando un espectrofotómetro UV-Vis (Shimadzu UV-2600). La fotoluminiscencia (PL) se realizó utilizando Horiba Fluro Max 4, con excitación a 500 nm y emisión de 600 a 900 nm. La estructura del dispositivo utilizada para la medición de PL fue FTO/perovskita. Las mediciones de microscopía de fuerza atómica (AFM) se llevaron a cabo utilizando Park NX-10 con un voladizo Forta con una constante de resorte de 1,6 N m\(^{-1}\). La configuración de AFM se calibró utilizando una muestra de zafiro. Las imágenes topográficas se obtuvieron a una velocidad de 10 \(\upmu\)ms\(^{-1}\), y las pendientes de fuerza se recolectaron con un punto de referencia de 0,2 N m\(^{-1}\). El mapeo de corriente superficial para las condiciones J\(_{sc}\) y V\(_{oc}\) se realizó mediante un modo de contacto conductivo con un PPP-CONTSCPt recubierto de platino iridio5 (PtIr\(_{5}\)) voladizo que tiene una constante de resorte de 0,2 N m\(^{-1}\) y una frecuencia de resonancia de 25 kHz. La velocidad de exploración fue de 2 \(\upmu\)m\(^{-1}\) y el punto de ajuste a 15 nN bajo 0,2 mW·cm\(^{-2}\) de iluminación de la luz del microscopio con polarización − 0,6 V para el mapeo de corriente V\(_{oc}\) y sin sesgo para el mapeo de corriente J\(_{sc}\). La medición de difracción de rayos X (XRD) se realizó utilizando un PANalytical Aris con una configuración de 8 mA y 40 kV. Los resultados de XPS se obtuvieron utilizando un Thermo Scientific (Reino Unido) con una fuente de rayos X de Al monocromático de 150 W.

Imágenes SEM y AFM topológicas de \(5.0 \times 5.0 \upmu\)m en el área de las películas de perovskita fabricadas usando (a y b) GBL:DMSO, (c y d) GBL:sulfolano, y (e y f) GBL :sulfolano:AcOH, respectivamente.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de vista superior de películas de perovskita fabricadas con diferentes solventes se muestran en la Fig. 1a, c, e. Los resultados ilustraron que, para la película de perovskita preparada con una mezcla de disolventes de GBL:sulfolano:AcOH, los cristales formados estaban más densamente empaquetados en comparación con la muestra de control preparada con GBL:DMSO. Los cristales de perovskita para el caso de GBL:DMSO mostraron tamaños más pequeños y mayor cantidad de límites de grano (Fig. 1a). Esto está en marcado contraste con la formación de cristales de perovskita utilizando GBL: sulfolano y GBL: sulfolano: AcOH que mostraron tamaños de cristal de perovskita más grandes (Fig. 1c, e), lo que resultó en una mayor rugosidad de la superficie. Las imágenes de topografía AFM fueron consistentes con las imágenes SEM que se muestran en la Fig. 1b, d, f.

Patrones XRD de las películas de perovskita preparadas usando diferentes sistemas de solventes. El acercamiento muestra los picos alrededor de 31.84\(^\circ\), que corresponde a MAPbI\(_{3}\)-sulfolane phase21.

La calidad de los cristales de perovskita se evaluó mediante la medición XRD en FTO/c-TiO\(_{2}\)/MAPbI\(_{3}\). Según la Fig. 2, los patrones de perovskita CH\(_{3}\)NH\(_{3}\)PbI\(_{3}\) (o MAPbI\(_{3}\)) en 14,02\(^\circ\), 28,4\(^\circ\) y 31,84\(^\circ\) se pueden indexar como (110), (220) y (310), respectivamente22,23,24, 25 Los patrones XRD, especialmente en la posición máxima de 31,84\(^\circ\)24, mostraron que la película de perovskita preparada con un nuevo sistema de disolventes de GBL:sulfolano o GBL:sulfolano:AcOH reveló una mayor cristalinidad en comparación con el control. muestra preparada usando GBL:DMSO. La cristalinidad mejorada como resultado de los solventes a base de sulfolano podría estar asociada con la formación de la interacción cercana MAPbI\(_{3}\)-sulfolano21, mientras que la estructura de la perovskita permaneció sin cambios26,27. Además, el tamaño del cristal calculado con la ecuación de Scherrer para el material de perovskita preparado con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH fue mayor que los preparados con GBL:DMSO (consulte la Tabla 1 y la Fig. 1). La película de perovskita preparada con GBL:sulfolano:AcOH no mostró evidencia de PbI\(_{2}\) a 12,7\(^\circ\), lo que indicó una conversión completa de PbI\(_{2}\) a perovskita28, 29,30.

Espectros FTIR de película de perovskita preparada usando diferentes sistemas de solventes.

Es interesante señalar que los solventes a base de sulfolano utilizados en la preparación de perovskita podrían desempeñar un papel en la formación de la capa de perovskita. De hecho, las posiciones máximas de FTIR de 440 y 1147 cm\(^{-1}\) para la capa de perovskita preparada con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH (Fig. 3) corresponden a la unión característica de sulfolano en la perovskita films31,32 lo que también afirma la presencia de MAPbI\(_{3}\)-sulfolane. La formación de MAPbI\(_{3}\)-sulfolano fue revelada además por los resultados de XPS. Mientras que la mayoría de los picos de Pb\(_{4f7/2}\), Pb\(_{4f5/2}\)33, I\(_{3d}\) (Fig. 4a,b), así como otros Los picos (Fig. S1 complementaria) fueron esencialmente similares entre la perovskita preparada con diferentes solventes, se produjo un desplazamiento hacia el rojo significativo en C \ (_ {1s} \) con el caso de GBL: sulfolano y GBL: sulfolano: AcOH (Fig. 4c ). La menor energía de enlace observada para el caso de los solventes a base de sulfolano podría indicar una fuerte solvatación de los cationes de metilamonio (CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+}\)o MA\(^{ +}\)) en perovskita por átomos de oxígeno en el grupo sulfonilo16. Particularmente en el caso de GBl:sulfolano:AcOH, la interacción entre MA\(^{+}\) en perovskita y el grupo carbonilo de AcOH fue posible34, lo que resultó en pasivación química33,34. Junto con los espectros XRD e IR (Figs. 2 y 3), la presencia de una fuerte interacción entre MAPbI\(_{3}\) y el sulfolano probablemente ayudó a desacelerar el proceso de cristalización de la perovskita33, lo que resultó en cristales de perovskita más grandes21.

Resultados XPS de perovskita preparada con diferentes sistemas de solventes.

Con el fin de evaluar si la presencia de sulfolano y/o AcOH en la capa de perovskita podría traducirse en propiedades físicas de la capa de perovskita, se utilizó AFM de precisión mecánica para estudiar la topografía de la superficie y las propiedades mecánicas de la capa. Como se revela en la figura complementaria S2d-f, en promedio, la perovskita preparada con GBL: sulfolano y GBL: sulfolano: AcOH mostró un módulo más alto que el de la película de perovskita preparada con GBL: DMSO. De manera similar, la deformación de las películas de perovskita preparadas con solventes a base de sulfolano fue menor que la de la muestra preparada en solvente a base de DMSO (Figura complementaria S3d-f). La mayor rigidez de la capa de perovskita cuando se prepara con solventes a base de sulfolano podría atribuirse a la presencia de sulfolano, posiblemente en las áreas de los límites de grano. Tal aumento en la rigidez también puede ayudar a impedir la penetración de la humedad en los límites de grano de la película de perovskita, lo que podría conducir a una mejor estabilidad del dispositivo35. Estos resultados también fueron consistentes con el mapeo de adhesión que se muestra en la figura complementaria S3a-c35,36.

c-AFM (3D) y mapeo de corriente de la superficie superior (2D) a 0 V y con un sesgo de − 0,6 V (mapeo V\(_{oc}\)) de las películas de perovskita fabricadas usando (a–c) GBL:DMSO, ( d - f ) GBL: sulfolano y ( gi ) GBL: sulfolano: AcOH, respectivamente.

Para sondear las propiedades electrónicas de la superficie de la perovskita, se realizó microscopía de fuerza atómica conductiva (c-AFM) para obtener un mapeo actual sin sesgo externo bajo la iluminación de la luz del microscopio con una potencia de 0,2 mW cm\(^{-2}\) . De acuerdo con los resultados que se muestran en la Fig. 5d, e, g, h, las capas de perovskita preparadas con GBL: sulfolano y GBL: sulfolano: AcOH revelaron una corriente promedio de 75 pA y 96 pA, respectivamente, que fueron significativamente más altas que 33 pA de la muestra preparada usando GBL:DMSO (Fig. 5a, b). La transferencia de carga mejorada en la superficie conductora cuando se usaron solventes a base de sulfolano para fabricar la capa de perovskita probablemente se originó por la presencia de moléculas de sulfolano ricas en electrones y de alto momento dipolar37,38, en los límites de grano de la perovskita39. Esto es consistente con los perfiles de corriente eléctrica superficial que se muestran en la figura complementaria S4d-f. La densidad de corriente más alta indicó una mejora en la conductividad, especialmente con el solvente GBL: sulfolano: AcOH (Fig. 5g, h), lo que podría facilitar una mejor separación del portador y mejorar la densidad de corriente de cortocircuito (J \ (_ {sc} \) ) del dispositivo33.

Para investigar más a fondo las propiedades eléctricas de la capa de perovskita, se midió el mapeo V\(_{oc}\) (mapas de corriente con polarización inversa) en el que se usó una polarización inversa de -0,6 V para bloquear la corriente generada en la banda normal de capacidad de bloqueo de agujeros de la capa de transporte de electrones y observe la corriente en la posición del área V\(_{oc}\) más baja con alta densidad de sitios de trampa. Las capas de perovskita preparadas con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH mostraron una mayor fuga de corriente (Fig. 5f, i) en comparación con la perovskita preparada con GBL:DMSO (Fig. 5c). El grado de fuga de corriente indica el grado de sitios de recombinación trampa en la superficie de la perovskita40. También es interesante notar que, aunque los límites de grano de la perovskita preparada con solventes a base de sulfolano mostraron una corriente eléctrica favorable según lo revelado por c-AFM, la presencia de recombinación trampa fue bastante significativa y aún representaba un problema para el rendimiento del dispositivo.

Propiedades lumínicas de películas de perovskita preparadas con diferentes sistemas de solventes.

Como se muestra en los espectros UV-Vis en la Fig. 6a, se observaron diferencias menores en la intensidad de absorción en longitudes de onda visibles entre las muestras de perovskita preparadas con diferentes sistemas de solventes. El inicio de la absorción de perovskita permaneció esencialmente igual a 765 nm para todas las condiciones de solvente. Sin embargo, la fotoluminiscencia en estado estacionario (PL) reveló diferencias significativas cuando se usaron diferentes solventes para la preparación de la estructura del dispositivo FTO/MAPbI\(_{3}\). De acuerdo con la Fig. 6b, el uso de GBL:sulfolano o GBL:sulfolano:AcOH mostró una mayor intensidad de PL en comparación con el caso de GBL:DMSO. Este resultado sugiere que la perovskita preparada con solventes a base de sulfolano probablemente mostró una mayor emisión radiativa11,41, lo cual es consistente con los resultados de cAFM (Fig. 5g-i), así como una mayor densidad de corriente (Tabla 2). Notamos que todas las capas de perovskita preparadas con diferentes sistemas de solventes no diferían significativamente en términos de espesor (ver la Fig. S5 complementaria).

Para evaluar la influencia relativa entre la recombinación de agujero de electrones y trampa, también se realizó y analizó la fotoluminiscencia con resolución temporal (TRPL) mediante un ajuste biexponencial42.

De acuerdo con la Tabla complementaria S2 y la Fig. S6, la perovskita preparada con solventes a base de sulfolano mostró una mayor fracción de componente de tiempo corto (\(\alpha\)2), que puede atribuirse a la recombinación de trampa en las interfaces de perovskita41, de acuerdo con el mapeo V\(_{oc}\) en la Fig. 5c,f,i. Aunque el solvente a base de sulfolano resultó en más sitios de trampa, la vida útil promedio del portador no fue significativamente diferente de la de la perovskita preparada con GBL: DMSO (Tabla complementaria S2). Esto podría deberse al gran tamaño de cristal de la perovskita, especialmente en presencia de ácido acético en el sistema solvente, lo que prolongó el componente de tiempo de recombinación de huecos de electrones y ayudó a recuperar la pérdida de V\(_{oc}\) debida a los sitios de trampa33 .

Rendimiento del dispositivo para perovskita preparada con diferentes sistemas de solventes.

De acuerdo con el análisis de los resultados de J–V (consulte la figura complementaria S7), la eficiencia de los dispositivos fabricados con GBL:sulfolano:AcOH fue \(13,60\pm 1,45\)%, que fue estadísticamente similar al valor de \ (14.90 \pm 1.94\)% para los dispositivos de control preparados usando GBL:DMSO. Como se informa en la Tabla 2 y se muestra en la Fig. 7a,b, J\(_{sc}\) de los dispositivos fabricados con GBL:sulfolano:AcOH fue mayor en valor en comparación con el control preparado con GBL:DMSO. El J\(_{sc}\) mejorado probablemente se debió a una mayor cristalinidad y conductividad de los cristales de perovskita, como se sugiere en las Figs. 2 y 6b. Aunque el uso de solventes a base de sulfolano aumentó inadvertidamente los sitios de trampa que afectaron a V\(_{oc}\), la pasivación química del ácido acético en GBL:sulfolano:AcOH ayudó a recuperar la pérdida de V\(_{oc}\)33 . Como resultado, la V\(_{oc}\) del dispositivo preparado con GBL:sulfolano:AcOH permaneció esencialmente sin cambios en comparación con el caso del solvente basado en DMSO (Tabla 2). Sin embargo, el factor de llenado (FF) de los dispositivos fabricados con solventes a base de sulfolano fue menor que en el caso del solvente a base de DMSO (Fig. 7c). Esto podría atribuirse a la rugosidad de la superficie de los cristales de perovskita preparados con solventes a base de sulfolano (ver Fig. 1), lo que posiblemente impida interfaces cercanas entre la perovskita y las capas adyacentes22.

Rendimiento promedio del dispositivo durante un período de 10 días con una HR del 48 al 52 % para dispositivos de PSC encapsulados preparados con diferentes sistemas de solventes.

El uso de solventes a base de sulfolano no solo brindó el mismo rendimiento que el solvente a base de DMSO, sino que también resultó en una mayor estabilidad del dispositivo durante al menos 10 días de prueba. Según la Fig. 8, los dispositivos de PSC preparados usando GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH revelaron una buena estabilidad. Los dispositivos sin encapsular preparados con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH mostraron una caída de alrededor del 5 % en PCE bajo una humedad relativa (HR) de 48 a 50 % (Fig. 8a). J\(_{sc}\) y V\(_{oc}\) también mostraron una tendencia favorable para los solventes a base de sulfolano, revelando gotas de aproximadamente 8 mA cm\(^{-2}\) y 0,01 V en J \(_{sc}\) y V\(_{oc}\), respectivamente (Fig. 8b,c). Por el contrario, la muestra de control preparada con GBL:DMSO mostró un rápido deterioro en PCE, J\(_{sc}\) y V\(_{oc}\) en un 9 %, 10 mA cm\(^{- 2}\), y 0,02 V, respectivamente. Una disminución tan rápida en el rendimiento probablemente se debió al tamaño de grano más pequeño sin pasivación de sulfolano en perovskita15,22. En general, estos resultados indicaron que el uso de solventes ecológicos a base de sulfolano podría mejorar tanto la eficiencia del dispositivo como el rendimiento a largo plazo. El uso de ácido acético en los solventes condujo a cristales de perovskita más uniformes y también ayudó a eliminar el PbI\(_{2}\) sin reaccionar que habría resultado en una menor estabilidad y eficiencia de los dispositivos15,31.

Se informó la condición óptima para el solvente totalmente verde basado en sulfolano no tóxico, GBL y AcOH para la preparación de perovskita. Los cristales de perovskita preparados con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH mostraron tamaños de cristal más grandes con mayor rigidez. Por el contrario, los cristales de perovskita preparados con GBL:DMSO se empaquetaron de forma suelta con más límites de grano. El patrón XRD también confirmó la alta cristalinidad y la orientación preferencial de los cristales de perovskita cuando se prepararon con los solventes verdes informados. El PL en estado estacionario también reveló una mayor emisión radiativa cuando se usaron solventes a base de sulfolano en la preparación. Con la presencia de sulfolano remanente en los límites de grano, los resultados de cAFM indicaron que se mejoró significativamente la conductividad eléctrica. A pesar de que los límites de grano infundidos con sulfolano promovieron inadvertidamente los sitios de trampa, la fuerte interacción entre la perovskita y el sulfolano, así como la pasivación con ácido acético, ayudaron a contrarrestar cualquier pérdida en el rendimiento. En cuanto al rendimiento fotovoltaico, se observó un PCE de \(13,6 \pm 1,45\) %, que fue estadísticamente comparable al \(14,9 \pm 1,94\) % de la muestra de control, cuando se utilizaron disolventes a base de sulfolano. Tal eficiencia de conversión satisfactoria se puede atribuir a J\(_{sc}\) relativamente alto, proporcionado por la cristalinidad mejorada y la superficie conductora de la perovskita.

Cuando se observaron durante un período de 10 días bajo una humedad relativa alta de 48–52 % sin encapsulación del dispositivo, los dispositivos de PSC preparados con GBL:sulfolano y GBL:sulfolano:AcOH mostraron una estabilidad superior al caso del solvente basado en DMSO. Por lo tanto, los solventes a base de sulfolano no solo podrían generar un mejor rendimiento general de los dispositivos, sino que también ofrecen un enfoque ambientalmente consciente hacia el desarrollo presente y futuro de PSC. A medida que la producción de PSC a gran escala se vuelva progresivamente factible, estos solventes alternativos ecológicos podrían desempeñar un papel cada vez más importante en la protección de la salud humana y la minimización del impacto perjudicial en el medio ambiente.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Beca de Logro Científico de Tailandia (SAST), la Universidad de Mahidol (Fondo de Investigación Básica: año fiscal 2021), la NSRF a través de la Unidad de Gestión de Programas para Recursos Humanos y Desarrollo Institucional, Investigación e Innovación (número de subvención B16F640099), y el Centro de Excelencia para la Innovación en Química (PERCH-CIC), Ministerio de Educación Superior, Ciencia, Investigación e Innovación, Tailandia.

Estos autores contribuyeron por igual: Akarapitch Siripraparat y Pimolrat Mittanonsakul.

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Mahidol, Bangkok, 10400, Tailandia

Akarapitch Siripraparat, Pimolrat Mittanonsakul y Pasit Pakawatpanurut

Centro de Excelencia para la Innovación en Química (PERCH-CIC), Facultad de Ciencias, Universidad Mahidol, Bangkok, 10400, Tailandia

Akarapitch Siripraparat, Pongsakorn Kanjanaboos y Pasit Pakawatpanurut

Escuela de Ciencia e Innovación de Materiales, Facultad de Ciencias, Universidad Mahidol, Bangkok, 10400, Tailandia

Pimsuda Pansa-Ngat, Chaowaphat Seriwattanachai y Pongsakorn Kanjanaboos

Centro Nacional de Nanotecnología (NANOTEC), Agencia Nacional de Desarrollo de Ciencia y Tecnología, Parque Científico de Tailandia, Distrito de Khlong Luang, Pathum Thani, 12120, Tailandia

Pequeño cumnorkaew y anusit kaewprajak

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AS: Redacción: borrador original, metodología, validación, curación de datos. PM: Redacción—edición, conceptualización, investigación. PP: Redacción—edición, metodología, curación de datos. CS: Redacción—edición, metodología, curación de datos. PK: Metodología, investigación. AK: Metodología, investigación. PK: redacción—edición, metodología, curación de datos. PP: Redacción—edición, conceptualización, metodología, curación de datos.

Correspondencia al Entendimiento Pasit.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Siripraparat, A., Mittanonsakul, P., Pansa-Ngat, P. et al. Todo el disolvente verde a base de sulfolano mejoró la conductividad eléctrica y la rigidez de la capa cristalina de perovskita. Informe científico 13, 9335 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36440-6

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Recibido: 10 enero 2023

Aceptado: 03 junio 2023

Publicado: 08 junio 2023

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

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