Name: 无铅光伏吸收剂的溶液处理 银铋碘 三元薄膜 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-09-27T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: 学习溶液法制备银铋碘三元半导体薄膜的方法，用于TiO₂电极上的无铅光伏吸收剂。该技术可制备空气稳定、环境友好的薄膜太阳能电池材料。

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本工作由大邱庆北科学技术院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology，DGIST）研究与开发（R&amp;#38;D) 韩国未来创造科学部信息通信技术与未来规划项目（18-ET-01）。&#160;本工作还得到了韩国能源技术评价与规划院（KETEP）以及产业通商资源部的资助 &amp;韩国产业通商资源部（MOTIE）（编号：20173010013200）。

1. 裸玻璃及氟掺杂氧化锡（SnO2:F）基底的制备
<ol>
	<li>为了清洗裸露的玻璃氟掺杂氧化锡（FTO）基底，依次在含有2%吐温的水溶液、去离子水（DI水）、丙酮和异丙醇（IPA）中进行超声处理，每种溶液中超声15分钟。</li>
	<li>将清洗后的基底置于70 °C的烘箱中加热1小时，以去除残留的IPA。</li>
</ol>
2. 制备致密TiO2层（c-TiO2）以阻挡电子
<ol>
	<li>制备c-TiO2前驱体溶液时，将0.74 mL钛酸异丙酯（TTIP）在剧烈搅拌下缓慢滴加至8 mL无水乙醇（EtOH）中，随后迅速向溶液中注入0.06 mL盐酸（HCl）。室温下持续搅拌所得溶液过夜。 
	注：使用20 mL玻璃小瓶、35–37%浓度的HCl以及磁力搅拌器。</li>
	<li>使用注射器和孔径为0.2 µm的滤膜过滤所制备的c-TiO2前驱体溶液，将其滴加到已清洁的FTO基底上，然后以3,000 rpm转速旋涂30 s。</li>
	<li>将基底置于马弗炉中，在500 °C下热退火1 h，随后自然冷却至室温。</li>
	<li>将基底浸入0.12 M的四氯化钛（TiCl4）水溶液中，在70 °C下保持30 min，然后用去离子水充分清洗，以去除残留的TiCl4。</li>
	<li>将基底在500 °C下再次热退火1 h，随后冷却至室温，以改善c-TiO2层的界面性能。将所得c-TiO2涂层基底保存在充满N2的环境中，待用。</li>
</ol>
3. 制备介孔TiO2层（m-TiO2）以提高电子提取效率
<ol>
	<li>制备 m-TiO2 前驱体溶液时，将 1 g 50 nm 的 TiO2 纳米颗粒浆料（SC-HT040）加入一个 10&#160;mL 玻璃小瓶中，再加入 3.5 g 2-丙醇和 1 g 松油醇，搅拌至浆料完全溶解。 
	注意：50 nm 的 TiO2 纳米颗粒浆料黏度较高，必须使用刮刀小心操作。</li>
	<li>将制备好的 50 nm TiO2 纳米颗粒浆料溶液 200 µL，以 5,000 rpm 转速旋涂 30 s 至已涂覆 c-TiO2 的 FTO 基底上。</li>
	<li>将所得基底置于烘箱中，在 500 °C 下热退火 1 h，然后使其冷却至室温。</li>
	<li>将基底浸入 0.12 M 的 TiCl4 水溶液中，在 70 °C 下浸泡 30 min，随后用去离子水彻底清洗，以去除残留的 TiCl4。</li>
	<li>在 500 °C 下对基底进行 1 h 的热退火处理，然后使其冷却至室温，以改善 m-TiO2 层的界面性能。将所得的 c-TiO2 与 m-TiO2 双层涂覆基底保存在充有 N2 的环境中，待用时取出。</li>
</ol>
4. AgBi2I7 薄膜的制备
<ol>
	<li>将裸露的玻璃基底置于强度为 45 mA/cm2 的紫外（UV）灯下，使用紫外臭氧清洗仪处理 10 分钟，以确保基底清洁且具有亲水性。切勿对涂覆有 c- 和 m-TiO2 的 FTO 基底使用紫外臭氧清洗仪。 
	注意：X 射线衍射（XRD）、吸收光谱和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱分析所用的 Ag-Bi-I 薄膜是在裸露的玻璃基底上制备的。涂覆有 c- 和 m-TiO2 的 FTO 基底用于太阳能电池器件。</li>
	<li>将 0.3 g BiI3（0.5087 mmol）、0.06 g AgI（0.2544 mmol）和 3 mL 正丁胺剧烈涡旋混合，直至完全溶解，然后使用孔径为 0.2 µm 的聚四氟乙烯（PTFE）滤膜通过注射器过滤该混合物。</li>
	<li>将 200 µL 前驱体溶液滴加到基底上，随后在湿度控制在 20% 以下的条件下以 6,000 rpm 旋涂 30 秒。立即把所得的黄红色薄膜转移至充满 N2 的手套箱中，准备进行热退火。</li>
	<li>从室温开始对所得薄膜进行热退火，随后将薄膜加热至 150 °C，并在 150 °C 下保持 30 分钟。迅速将退火后的薄膜淬冷至室温。最终薄膜呈光亮的棕黑色。为实现快速淬冷，将基底从设定为 150 °C 的加热板上取下即可。</li>
	<li>对于其他组成的 Ag-Bi-I 三元薄膜（如 Ag2BiI5），将前驱体中 AgI 与 BiI3 的摩尔比从 1:2 改为 2:1，并使用相同体积的正丁胺溶剂。采用上述方法对所得薄膜进行退火处理。</li>
	<li>为研究温度依赖性的 Ag-Bi-I 薄膜形成过程，利用 XRD 图谱、FT-IR 光谱、表面形貌和吸收光谱，对 Ag-Bi-I 三元薄膜在 90、110 和 150 °C 下进行热退火处理。</li>
</ol>
5. 使用 AgBi2I7 薄膜制备太阳能电池器件
<ol>
	<li>在 AgBi2I7 薄膜太阳能电池中使用聚(3-己基噻吩)（P3HT）作为空穴传输材料。将 10 mg P3HT 加入 1 mL 氯苯中，在 50 °C 下搅拌 30 分钟，直至 P3HT 完全溶解。使用孔径为 0.2 µm 的 PTFE 滤膜过滤。在充满 N2 的手套箱中配制并储存 P3HT 溶液。</li>
	<li>将 100 µL 溶于氯苯中的 P3HT 溶液滴加到沉积于 c- 和 m-TiO2 涂层 FTO 基底上的 AgBi2I7 薄膜表面，随后在充满 N2 的手套箱中以 4,000 rpm 转速旋涂 30 秒。在 130 °C 下对 P3HT 薄膜进行 10 分钟的热退火处理，以促进 P3HT 的结构取向。</li>
	<li>使用热蒸发仪，以 0.5 Å/s 的沉积速率，并配合条形图案遮蔽掩模，沉积 100 nm 厚的金（Au）电极，作为 AgBi2I7 薄膜太阳能电池的顶部金属接触层。</li>
</ol>

<ol><li>Grätzel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Light+and+Shade+of+Perovskite+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">The Light and Shade of Perovskite Solar Cells.</a> Nature Materials. 13, 838-842 (2014).</li>
<li>Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphoton.2014.134?cacheBust=1508229687919">The emergence of perovskite solar cells.</a> Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).</li>
<li>Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organometal+Halide+Perovskites+as+Visible-Light+Sensitizers+for+Photovoltaic+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells.</a> Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).</li>
<li>Burschka, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sequential+Deposition+as+a+Route+to+High-Performance+Perovskite-Sensitized+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells.</a> Nature. 499, 316-319 (2013).</li>
<li>Yang, W. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iodide+Management+in+Formamidinium-Lead-Halide-Based+Perovskite+Layers+for+Efficient+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells.</a> Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).</li>
<li>Park, B. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bismuth+Based+Hybrid+Perovskites+A3Bi2I9+%28A%3A+Methylammonium+or+Cesium%29+for+Solar+Cell+Application%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application.</a> Advanced Materials. 27 (43), 6806(2015).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methylammonium+Bismuth+Iodide+as+a+Lead-Free%2C+Stable+Hybrid+Organic-Inorganic+Solar+Absorber%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry%E2%88%92European+Journal%22%5BJournal%5D)">Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber.</a> Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).</li>
<li>Lyu, M., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-015-0948-y">Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites.</a> Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).</li>
<li>Mitzi, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic-Inorganic+Perovskites+Containing+Trivalent+Metal+Halide+Layers%3A+The+Templating+Influence+of+the+Organic+Cation+Layer%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer.</a> Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).</li>
<li>Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838812020063">Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases.</a> Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).</li>
<li>Kim, Y., et al. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201603608">Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics.</a> Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).</li>
<li>Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0025540879900965">Etude du Systeme AgIBiI3.</a> Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).</li>
<li>Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. <a target="_blank" href="http://link.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevB.57.13235">Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films.</a> Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).</li>
<li>Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609099006471">On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films.</a> Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).</li>
<li>Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0254058407004075">Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis.</a> Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).</li>
<li>Tezel, F. M., Kariper, İA. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/319411022_Effect_of_pH_on_Optic_and_Structural_Characterization_of_Chemical_Deposited_AgI_Thin_Films">Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films.</a> Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).</li>
<li>Chai, W. -X., Wu, L. -M., Li, J. -Q., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Series+of+New+Copper+Iodobismuthates%3A+Structural+Relationships%2C+Optical+Band+Gaps+Affected+by+Dimensionality%2C+and+Distinct+Thermal+Stabilities%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities.</a> Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).</li>
<li>Konstantatos, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasensitive+Solution-Cast+Quantum+Dot+Photodetectors%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors.</a> Nature. 442, 180-183 (2006).</li>
<li>Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/ce/b817891g">Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids.</a> CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).</li>
<li>Zhu, X. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Mono-+versus+Di-ammonium+Cation+of+2%2C2%27-Bithiophene+Derivatives+on+the+Structure+of+Organic-Inorganic+Hybrid+Materials+Based+on+Iodo+Metallates%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2'-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates.</a> Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).</li>
<li>Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Photon-to-Current+Conversion+in+Solar+Cells+Based+on+Light-Absorbing+Silver+Bismuth+Iodide%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide.</a> ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).</li>
<li>Turkevych, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photovoltaic+Rudorffites%3A+Lead-Free+Silver+Bismuth+Halides+Alternative+to+Hybrid+Lead+Halide+Perovskites%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites.</a> ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

我们提供了一种溶液法制备银-铋-碘三元半导体的详细方案，该材料将作为无铅光吸收层，用于介观器件结构的薄膜太阳能电池中。c-TiO2 在FTO基底上形成层以防止电子泄漏进入FTO电极。m-TiO2 在c-TiO上依次形成各层2-涂覆的FTO基底以改善光伏吸收层产生的电子提取效率（即，Ag-Bi-I薄膜）。两种c-TiO2 和 m-TiO2 用 TiCl 处理4 水溶液中以钝化 TiO2 表面陷阱；这有助于改善每个TiO的界面2 层。Ag-Bi-I前驱体溶液在湿度低于20%的条件下进行旋涂；这是因为丁胺溶剂沸点较低，且易与空气中的水分发生反应，从而显著影响薄膜表面形貌。所得黄红色薄层在N₂氛围中进行热退火处理。2充满手套箱以获得最终呈黑色-棕色且有光泽的 AgBi 薄膜2我7在环境条件下退火时，Ag-Bi-I薄膜呈现红色并具有雾状形貌，这是由于碘化铋氧化所致。为完成器件制备，将P3HT...

溶液法制备的无机薄膜太阳能电池已被众多研究人员广泛研究，旨在将太阳光直接转化为电能1,2,3,4,5。随着材料合成与器件结构的发展，基于卤化铅的钙钛矿材料已被报道为最优的太阳能电池吸光材料，其能量转换效率（PCE）已超过22%5。然而，人们对其中使用的有毒铅元素以及卤化铅钙钛矿材料本身存在的稳定性问题日益关注。
最近有报道称，通过将单价阳离子引入碘化铋配合物单元中，可以形成基于铋的杂化钙钛矿，并且这些材料可用作介观太阳能电池结构中的光吸收剂6,7,8。钙钛矿中的铅可被铋替代，铋具有6s2外层孤对电子；然而，迄今为止，尽管铋与铅具有不同的氧化态和化学性质，基于铋的杂化钙钛矿仍仅采用传统的卤化铅制备方法来合成，其晶体结构较为复杂9。此外，这类钙钛矿表面形貌较差，在薄膜器件应用中通常形成相对较厚的薄膜，因此其光电性能不佳，且带隙能量较高（&#62; 2 eV）6,7,8。因此，我们致力于探索一种新的方法，以制备环境友好、空气中稳定且具有低带隙能量（&#60; 2 eV）的基于铋的薄膜半导体材料，该方法兼顾材料设计与合成策略。
我们展示了通过溶液法处理的Ag-Bi-I三元薄膜，该薄膜可结晶为AgBi2我7 和 Ag2BiI5，用于无铅且空气稳定的半导体10,11在本研究中，针对 AgBi2I7 成分，正丁胺用作溶剂，以同时溶解碘化银（AgI）和碘化铋（BiI3) 前驱体。将混合物旋涂并在氮气环境中于 150 °C 退火 30 分钟2充满的手套箱中；随后将薄膜淬火至室温。所得薄膜呈棕黑色。此外，Ag-Bi-I三元体系的表面形貌和晶体组成受退火温度及AgI/BiI前驱体比例的调控。3. 所得的 AgBi2我7 薄膜表现出立方相晶体结构，表面形貌致密且光滑，晶粒尺寸较大，为200–800 nm，光学带隙为1.87 eV，从波长740 nm处开始吸收光。最近有报道称，通过优化晶体组成和器件结构，Ag-Bi-I三元薄膜太阳能电池的光电转换效率（PCE）可达4.3%。

<table><tbody><tr><td>碘化铋(III)，Puratronic，99.999%（以金属为基础）</td><td>Afa Aesar</td><td>7787-64-6</td><td>保存在充氮环境中</td></tr><tr><td>碘化银，Premion，99.999%（以金属为基础）</td><td>Afa Aesar</td><td>7783-96-2</td><td>保存在充氮环境中</td></tr><tr><td>丁胺 99.5%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>109-73-9</td><td></td></tr><tr><td>吐温 X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>9002-93-1</td><td></td></tr><tr><td>异丙醇（IPA）</td><td>Duksan</td><td>67-63-0</td><td>电级高纯度级别</td></tr><tr><td>四异丙醇钛</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>546-68-9</td><td>&amp;ge;97.0%</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>64-17-5</td><td>200 proof，ACS 试剂，&amp;ge;99.5%</td></tr><tr><td>盐酸</td><td>SAMCHUN</td><td>7647-01-0</td><td>特纯</td></tr><tr><td>四氯化钛（TiCl4）</td><td>sharechem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>50 nm 大小的二氧化钛纳米颗粒浆料</td><td>sharechem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2-丙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>67-63-0</td><td>无水，99.5%</td></tr><tr><td>松油醇</td><td>Merck</td><td>8000-41-7</td><td></td></tr><tr><td>加热烘箱</td><td>WiseTherm</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氧气（O₂）等离子体</td><td>AHTECH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>X射线衍射（XRD）</td><td>Rigaku</td><td></td><td>Rigaku Miniflex 600 衍射仪，配备 NaI 闪烁计数器，使用单色化 Cu-K&amp;alpha; 辐射&lt;br/&gt;（波长 1.5406 &amp;Aring;）。</td></tr><tr><td>傅里叶变换红外光谱（FTIR）</td><td>Bruker</td><td></td><td>Bruker Tensor 27</td></tr><tr><td>场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）</td><td>Hitachi</td><td></td><td>Hitachi SU8230</td></tr><tr><td>紫外-可见光谱（UV-Vis spectra）</td><td>PerkinElmer</td><td></td><td>PerkinElmer LAMBDA 950&lt;br/&gt; 分光光度计</td></tr><tr><td>紫外光电子能谱（UPS）</td><td>RBD Instruments</td><td></td><td>PHI5500 多功能系统</td></tr></tbody></table>

溶液法制备“银-铋-碘”三元薄膜用于无铅光伏吸光材料

Solution-Processed "Silver-Bismuth-Iodine" Ternary Thin Films for Lead-Free Photovoltaic Absorbers

基于铋的杂化钙钛矿材料被认为是适用于环保且空气稳定的太阳能电池应用的有前景的光敏半导体。然而，较差的表面形貌和相对较高的带隙能量限制了其发展潜力。银-铋-碘（Ag-Bi-I）是一种在光电子器件中具有前景的半导体材料。因此，我们展示了通过溶液法制备Ag-Bi-I三元薄膜的过程。所得薄膜的表面形貌和光学带隙可根据其热退火温度进行调控。此外，已有报道指出，Ag-Bi-I三元体系可结晶形成AgBi2我7，Ag2BiI5, 等。 根据前驱体化学品的比例。溶液处理的 AgBi2我7 薄膜表现出立方相晶体结构，表面形貌致密且无针孔，晶粒尺寸介于200至800 nm之间，间接带隙为1.87 eV。所得的AgBi2我7 薄膜表现出良好的空气稳定性与能带结构，其表面形貌和光学带隙适用于无铅且空气稳定的单结太阳能电池。最近，通过优化 Ag-Bi-I 晶体组成及太阳能电池器件结构，已实现光电转换效率达 4.3% 的太阳能电池。

据报道，Ag-Bi-I三元体系作为有前景的半导体材料，可根据AgI与BiI3的摩尔比形成多种不同组成的晶体，例如AgBi2I7、AgBiI4和Ag2BiI510。早期研究表明，通过调节AgI与BiI3的摩尔比，可实验合成具有不同组成的Ag-Bi-I三元体系块状晶体，且每种组成均具有不同的XRD图谱10。
与块体晶体不同，我们致力于开发可溶液加工的 Ag-Bi-I 三元薄膜，此类薄膜可直接用作光电器件中的活性层。在本研究中，使用正丁胺作为溶剂，同时溶解 AgI 和 BiI3，随后制备了不同 AgI 与 BiI3 摩尔比（1:2、1:1 和 2:1）的 Ag-Bi-I...

本文介绍了在涂覆有TiO2的透明电极上制备溶液加工型银-铋-碘（Ag-Bi-I）三元半导体薄膜的详细方案，及其作为空气中稳定且无铅光电器件的潜在应用。

基于铋的杂化钙钛矿被认为是用于环保且空气稳定的太阳能电池应用中有前景的光敏半导体。

该方法可帮助您解答有关如何制备可溶液加工的银-铋-碘三元半导体以用于环保型薄膜太阳能电池及其应用的关键问题。该技术的主要优势在于可通过溶液法制备银-铋-碘材料，并将其用作无铅光吸收层，集成于具有微观器件结构的薄膜太阳能电池中。该技术在环保型薄膜太阳能电池的制造方面具有应用潜力，因为银-铋-碘三元半导体是一种无铅且在空气中稳定的光伏吸收材料。开始制备致密二氧化钛层的前驱体溶液时，将8毫升无水乙醇加入20毫升玻璃小瓶中，并开始剧烈搅拌。逐滴加入0.74毫升钛酸异丙酯至正在搅拌的乙醇中，然后迅速加入0.06毫升浓盐酸。在室温下搅拌混合物12至24小时，以形成前驱体溶液。接下来，将一块1英寸×1英寸的裸FTO基底分别在2%的水性辛醇酚-9溶液、丙酮和异丙醇中各超声处理15分钟。将清洗后的基底置于70 °C的烘箱中干燥1小时，然后在空气中冷却至室温。然后，将基底固定在旋涂仪的卡盘上。用1毫升或3毫升的注射器吸取致密二氧化钛层前驱体溶液，并连接一个0.2纳米的注射器滤膜。将溶液过滤至一个小瓶中。将200微升过滤后的前驱体溶液涂覆于基底上，确保完全覆盖。以3000 RPM转速对基底进行30秒旋涂。将薄膜置于500摄氏度的烘箱中退火1小时。然后关闭加热，使基底在空气中自然冷却至室温，通常需要约六小时。接着将涂覆后的基底浸入0.12摩尔的四氯化钛水溶液中，在70摄氏度的烘箱中浸泡30分钟。随后用去离子水彻底冲洗基底，以去除残留的四氯化钛。将薄膜在 500 摄氏度下退火一小时，然后在空气中冷却至室温。冷却后，将涂有致密二氧化钛的基底保存在氮气环境中，以备后续使用。在5毫升玻璃小瓶中开始制备介孔二氧化钛纳米颗粒层的前驱体溶液时，将0.5克50纳米二氧化钛纳米颗粒浆料与1.75克异丙醇和0.5克萜品醇混合。向小瓶中加入一个搅拌子，搅拌至浆料完全溶解，通常需要约1小时。接下来，将一块涂有二氧化钛的紧凑型 FTO 基底固定在旋涂仪上，并在基底表面滴加 200 微升纳米颗粒溶液。以 5000 转/分钟旋涂 30 秒。将涂覆后的基底置于烘箱中，在 500 摄氏度下退火 1 小时，然后冷却至室温。然后将基底在70摄氏度的0.12摩尔浓度四氯化钛水溶液中浸泡30分钟。用去离子水彻底冲洗基底。在500摄氏度下退火1小时，并在空气中冷却至室温。将涂有致密层和介孔二氧化钛层的基底置于氮气环境中保存，以备后续使用。在低湿度氮气氛围的手套箱中，开始制备碘化银铋薄膜（碘化二银七碘化二铋）：将0.3克三碘化铋、0.06克碘化银和3毫升正丁胺混合。剧烈涡旋混合物，直至固体大部分溶解，然后使用0.2微米聚四氟乙烯滤膜通过注射器过滤器对前驱体溶液进行过滤。接下来，将选定的基底固定在旋涂仪上，并加入200微升过滤后的前驱体溶液。以6000转/分钟的转速旋涂基底30秒。将基底置于加热板上，加热至150摄氏度。在该温度下退火30分钟，然后迅速从加热板上取下薄膜以进行淬火。在充满氮气的手套箱中，将10毫克P3HT与1毫升氯苯混合。在50摄氏度下搅拌30分钟，使P3HT完全溶解，随后使用0.2微米聚四氟乙烯（PTFE）针头过滤器过滤该混合物。接下来，将涂有银铋七碘化物的FTO基底固定在旋涂仪上，该基底已沉积在致密和介孔二氧化钛上。取100微升P3HT溶液滴加到基底表面，在4000 RPM转速下旋涂30秒。随后将P3HT薄膜置于预热至130摄氏度的加热板上退火10分钟。在手套箱中让衬底冷却至室温。最后，使用热蒸发仪以每秒0.5埃的速度在衬底上沉积100纳米厚的金层，以形成太阳能电池的顶部金电极。采用此方法制备了银-铋-碘三元薄膜，其中碘化银与三碘化铋的摩尔比分别为1:2、1:1和2:1。1:2 薄膜在约 42 度处显示一个单峰，表明具有立方结构。1:1 和 2:1 薄膜观察到峰分裂现象，表明具有六方结构。1:2 薄膜吸收的波长比 2:1 薄膜更长。此外，1:2薄膜表面光滑且晶粒较大，而在2:1薄膜上则观察到过量碘化银颗粒。因此选择1:2薄膜进行后续研究。X射线衍射结果表明，1:2薄膜需在150摄氏度下退火才能完全结晶为立方相。该薄膜在空气中至少10天保持稳定。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明，残余的正丁胺在较低退火温度下仍弱结合于碘化铋(III)和碘化银，抑制了银-铋-碘结构单元的形成。随着退火温度升高，晶粒变得更大且排列更加致密。在150摄氏度下退火的薄膜也表现出最适合用于太阳能电池的吸收特性。总体而言，在150摄氏度下退火的七碘化二铋银薄膜展现出适用于太阳能电池的合适能量特性。该技术为溶液可加工薄膜太阳能电池的研究人员进一步开发银-铋-碘三元半导体的方法学铺平了道路，可用于无铅且空气稳定的薄膜太阳能电池等应用领域。在进行此操作时，建议在湿度低于20%的条件下旋涂银-铋-碘前驱体溶液。若在30%或更高湿度条件下旋涂前驱体溶液，由于材料具有高反应性和光敏性，将出现黄色现象。如果无法在旋涂仪中控制湿度，可在充满氮气的手套箱内进行前驱体溶液的旋涂。但请注意，操作完成后必须彻底清除手套箱中的残留气体。

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