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Summary

Hier präsentieren wir Ihnen detaillierte Protokolle für Lösung verarbeitet Silber-Wismut-Jod (Ag-Bi-I) ternärer Halbleiter Dünnschichten auf TiO₂hergestellt-beschichtet, transparenten Elektroden und ihre mögliche Anwendung als Luft-stabil und bleifrei Optoelektronische Geräte.

Abstract

Wismut-basierten Hybrid Perovskites gelten als viel versprechende Foto-aktive Halbleiter für Umwelt- und Luft-Stall Solarzelle. Allerdings haben schlechte Oberfläche Morphologien und relativ hohe Bandlücke Energien ihr Potenzial begrenzt. Silber-Wismut-Jod (Ag-Bi-I) ist eine vielversprechende Halbleiter für optoelektronische Geräte. Daher zeigen wir Ihnen die Herstellung von Ag-Bi-I ternären Dünnfilme mittels Materiallösung Verarbeitung. Die daraus resultierende Dünnfilme weisen kontrollierte Oberfläche Morphologien und optische Bandlücken entsprechend ihrer thermischen Temperaturen glühen. Darüber hinaus wurde berichtet, dass Ag-Bi-I ternäre Systeme kristallisieren AgBi₂₇, Ag₂BiI₅, etc. entsprechend dem Verhältnis der Vorläuferchemikalien. Die Lösung verarbeitet AgBi₂ich₇ dünne Schichten weisen eine kubische Phase Kristallstruktur, dichten, Pinhole-freie Oberfläche Morphologien mit Körner in der Größe von 200 bis 800 nm und einer indirekten Bandlücke von 1,87 eV. Die daraus resultierende AgBi₂I₇ Dünnfilme zeigen gute Stabilität und Energie Band Diagramme Luft, sowie Oberfläche Morphologien und optische Bandlücken für bleifrei- und Luft-Stall Single-Junction-Solarzellen geeignet. Vor kurzem erhielt eine Solarzelle mit 4,3 % Wirkungsgrad durch Optimierung der Ag-Bi-I Kristall Kompositionen und Solarzelle Gerät Architekturen.

Introduction

Lösung verarbeitet anorganische Dünnschicht-Solarzellen sind weit von vielen Forschern, die Sonnenlicht direkt in Strom^1,2,3,4,5umwandeln wollen untersucht worden. Mit der Entwicklung der materiellen Synthese und Gerät Architektur berichteten Blei Halogenid-basierte Perovskites die beste Solarzelle Absorber mit einem Wirkungsgrad (PCE) größer als 22 %⁵sein. Allerdings sind es Bedenken über die Verwendung von giftigen Blei sowie Probleme mit der Stabilität der Blei-Halogenid-Perowskit selbst wächst.

Es wurde vor kurzem berichtet, dass Wismut-basierten Hybrid Perovskites gebildet werden kann, durch die Einbeziehung monovalente kationen in eine komplexe Einheit von Bismut Jodid und dass diese als Photovoltaik-Absorber in mesoskopischen Solarzelle Architekturen^{6verwendet werden können, 7,8}. Die Führung in der Perovskites ausgetauscht werden, mit Wismut, hat das 6 s² äußeren Elektronenpaar; jedoch bisher nur konventionelle Blei Halogenid Methoden für Wismut-basierten Hybrid-Perovskites mit komplexen Kristallstrukturen, trotz der Tatsache haben, dass sie verschiedene Oxidationsstufen und chemischen Eigenschaften⁹. Darüber hinaus diese Perovskites haben schlechte Oberfläche Morphologien und relativ dicke Schichten im Zusammenhang mit Anwendungen für Dünnschicht-Geräte zu produzieren; Deshalb haben sie eine schlechte Photovoltaik-Leistung mit hohem Bandabstand Energie (> 2 eV)^6,7,8. So haben wir versucht, eine neue Methode zur Wismut-basierte Dünnschicht-Halbleiter, produzieren, die umweltfreundlich, Luft-Stall sind, zu finden und haben niedrige Bandabstand Energie (< 2 eV), unter Berücksichtigung der Material-Design und Methodik.

Wir präsentieren Lösung verarbeitet Ag-Bi-I ternären Dünnfilme, die sein kann kristallisiert AgBi₂ich₇ und Ag₂BiI₅, für bleifrei- und Luft-Stable Halbleiter^10,11. In dieser Studie für die AgBi₂ich₇ Zusammensetzung, n-butylamin wird als Lösungsmittel verwendet, um gleichzeitig die Silberiodid (AgI) und Wismut Jodid (BiI₃) Vorläufer auflösen. Die Mischung ist Spin-Besetzung und geglüht bei 150 ° C für 30 min in einer N-₂-gefüllten Glove-Box; Anschließend werden die Filme auf Raumtemperatur abgeschreckt. Die daraus resultierende Dünnfilme sind braun-schwarze Farbe. Darüber hinaus werden die Oberflächenmorphologie und Kristall Zusammensetzung der Ag-Bi-I ternäre Systeme die annealing Temperaturen und Vorläufer Verhältnis von AgI/BiI₃gesteuert. Die daraus resultierende AgBi₂ich₇ dünne Schichten weisen eine kubische Phase kristalline Struktur, Dichte und glatte Oberfläche Morphologien mit großen Körnern von 200-800 nm Größe und eine optische Bandlücke von 1,87 eV zu absorbieren Licht von einer Wellenlänge von 740 nm . Es wurde kürzlich berichtet, dass durch die Optimierung der Kristall Kompositionen und Gerät Architektur, Ag-Bi-I ternären Dünnschicht-Solarzellen einen PCE von 4,3 % erreichen können.

Protocol

1. Vorbereitung des nackten-Glas, Fluor-dotierte Zinn-Oxid (SnO2: F) Substrate Zum Reinigen der nackten Glas, Fluor-dotierte-Zinn-Oxid (FTO) Substraten Beschallen sie nacheinander in einer wässrigen Lösung mit 2 % Triton, deionisiertes (DI) Wasser, Aceton und Isopropylalkohol (IPA), jeweils für 15 Minuten. Setzen Sie die gereinigten Substrate im Trockenschrank bei 70 ° C für 1 h, die restliche IPA zu entfernen. 2. Vorbereitung des kompakten TiO2 Schichten (c-TiO2) um die Elektronen zu blockieren Für die Vorbereitung einer c-TiO2 Vorläufer Lösung 0,74 mL Titan Isopropoxide (TTIP) langsam in 8 mL wasserfreiem Ethanol (EtOH) während kräftig rühren und dann injizieren Sie schnell 0,06 mL Salzsäure (HCl) in der Lösung. Rühren Sie die resultierende Lösung über Nacht bei Raumtemperatur.Hinweis: Verwenden Sie eine 20 mL Glasflasche, ein 35-37 % Konzentration der HCl und ein Magnetrührer. Die vorbereiteten c-TiO2 Vorläufer Lösung mit Hilfe einer Spritze und einem 0,2 µm Porengröße Filter filtern, legen Sie es auf das gereinigte FTO-Substrat und dann Spin-Besetzung das Substrat bei 3.000 u/min für 30 s. Thermisch-Tempern Sie der Substrate durch Erhitzen sie in einem Ofen bei 500 ° C für 1 h und dann auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Einweichen Sie die Substrate in eine 0,12 M Titan Titantetrachlorid (TiCl4) wässrige Lösung bei 70 ° C für 30 min und dann waschen Sie sie gründlich mit VE-Wasser, um alle restlichen TiCl4zu entfernen. Thermisch Tempern Sie der Substrate bei 500 ° C für 1 h und dann auf Grenzflächen Verbesserung des c-TiO2 Layers bei Raumtemperatur abkühlen lassen. Speichern Sie die resultierende c-TiO2-beschichtete Substrate in N2-gefüllt Bedingungen bis zur Verwendung. 3. Vorbereitung der mesoporösen TiO2 Schichten (m-TiO2) Elektron Extraktion zu verbessern Für die Vorbereitung einer m-TiO2 Vorläufer Lösung hinzufügen 1 g 50 nm Größe TiO2 Nanopartikel (SC-HT040) in einem 10 mL-Glasflasche mit 3,5 g 2-Propanol und 1 g Terpineol einfügen und dann alles umrühren, bis die Paste ganz aufgelöst hat.Hinweis: Die 50 nm Größe TiO2 Nanopartikel Paste ist sehr zähflüssig und muss mit einem Spatel vorsichtig behandelt werden. Spin-Cast 200 µL der vorbereiteten 50 nm Größe TiO2 Nanopartikel Paste Lösung bei 5.000 u/min für 30 s auf der c-TiO2-FTO Substrate beschichtet. Thermisch Tempern Sie der daraus resultierenden Substrate in einem Ofen bei 500 ° C für 1 h und dann auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Einweichen Sie die Substrate in die 0,12 M TiCl4 wässrige Lösung bei 70 ° C für 30 min und dann waschen Sie sie komplett mit VE-Wasser, um alle restlichen TiCl4zu entfernen. Thermisch Tempern Sie der Substrate bei 500 ° C für 1 h und dann auf Grenzflächen Verbesserung der m-TiO2 Schicht bei Raumtemperatur abkühlen lassen. Speicher die resultierende c-TiO2- und m-TiO2-beschichtete Substrate in N2-gefüllte Bedingungen bis verwendet. 4. Herstellung von AgBi2ich7 Dünnschichten Behandeln Sie die nackten Glassubstrate unter einer ultravioletten (UV)-Lampe mit einer Intensität von 45 mA/cm2 mit einem UV-Ozon Reiniger für 10 min um sicherzustellen, dass die Substrate sauber und hydrophil sind. Behandeln nicht die c und m-TiO2-FTO Substrate mit dem UV-Ozon Reiniger beschichtet.Hinweis: Röntgendiffraktometrie (XRD), Absorption und Fourier-Transform-Infrarot (FT-IR) Spektren wurden untersucht mit Ag-Bi-I Dünnschichten auf nackten Glassubstraten hergestellt. C und m-TiO2-beschichtete FTO Substrate für Solarzelle Geräte verwendet wurden. Energisch Wirbel 0,3 g BiI3 (0.5087 Mmol), 0,06 g der AgI (0.2544 Mmol), und 3 mL n-butylamin bis alles aufgelöst ist und dann Spritze-Filter die Mischung mit einem 0,2 µm Porengröße Polytetrafluorethylen (PTFE) filtern. Drop 200 µL der Vorläufer-Lösung auf den Substraten und dann Spin-Besetzung bei 6.000 u/min für 30 s mit einer kontrollierten Luftfeuchtigkeit unter 20 %. Sofortüberweisung den daraus resultierenden gelblich-rote-Film auf eine N-2-gefüllten Glove-Box bereit für thermische glühen. Beginnen Sie die thermische Glühen von der resultierende Film bei Raumtemperatur, dann erhitzen Sie den Film auf 150 ° C, und halten Sie eine Temperatur von 150 ° C für 30 min. stillen schnell die geglühten Film auf Raumtemperatur. Der fertige Film wird eine glänzende und braun-schwarze Farbe haben. Um die geglühten Substrat schnell zu stillen, entfernen Sie es von der Heizplatte, die auf 150 ° c gesetzt wurde Für Ag-Bi-I ternären Dünnfilme ein unterschiedlicher Zusammensetzung, z. B. Ag2BiI5ändern Sie die Vorläufer-Molverhältnis von AgI BiI3 1:2 bis 2:1 und verwenden Sie das gleiche Volumen des Lösungsmittels n-butylamin. Tempern Sie den resultierenden Film mit der oben beschriebenen Methode. Um die temperaturabhängige Ag-Bi-I Bildung mit XRD Mustern, FT-IR Spektren, Oberfläche Morphologien und Absorption Spektren zu untersuchen, verwenden Sie thermal annealing Temperaturen von 90, 110 und 150 ° C für die Ag-Bi-I ternären Dünnschichten. 5. Herstellung von Solarzellen entwirft mit AgBi2ich7 Dünnschichten Verwenden Sie poly(3-hexylthiophene) (P3HT) als ein Loch-der Transport von Material in der AgBi2ich7 Dünnschicht-Solarzellen. 1 mL Chlorobenzene 10 mg P3HT hinzu und rühren Sie die Mischung bei 50 ° C für 30 min, bis die P3HT perfekt gelöst hat. Mit einem 0,2 µm Porengröße PTFE-Filter filtern. Erstellen und speichern die P3HT in eine N-2-Glove-Box gefüllt. Drop 100 µL der P3HT aufgelöst in Chlorobenzene auf der AgBi27 Dünnschichten auf c und m-TiO2hergestellt-beschichtet FTO Substrate und dann Spin-Besetzung der Substrate bei 4.000 u/min für 30 s eine N-2-Glove-Box gefüllt. Thermisch-Tempern des P3HT Films bei 130 ° C für 10 min für die strukturelle Ausrichtung des P3HT. Verwenden Sie einen thermischen Verdampfer mit einer Abscheiderate von 0,5 Å / s und eine Bar Muster Lochmasken 100 nm dicken Gold (Au) Elektroden zu hinterlegen, wie eine Top Metall Kontakt in der AgBi27 Dünnschicht-Solarzellen.

Representative Results

Es wurde berichtet, dass die Ag-Bi-I ternäre Systeme, die als vielversprechende Halbleiter angesehen werden, kristallisiert in verschiedenen Zusammensetzungen, z. B. AgBi2ich7, AgBiI4und Ag2BiI510, je nach Das molare Verhältnis von AgI, BiI3. Frühere Studien haben gezeigt, dass Bulk Kristallformen mit verschiedenen Kompositionen von Ag-Bi-I ternäre Systeme experimentell synthetisiert werden könn…

Discussion

Für die Herstellung der Lösung von Ag-Bi-I ternären Halbleitern, welche als bleifrei-Photovoltaik-Absorber in Dünnschicht-Solarzellen mit mesoskopischen Gerät Architekturen genutzt werden sollen, haben wir ein detailliertes Protokoll bereitgestellt. c-TiO₂ Schichten bildeten sich auf FTO Substraten Elektron Leckage fließt in die FTO Elektroden zu vermeiden. m-TiO₂ Schichten bildeten sich nacheinander auf c-TiO₂-beschichtet FTO Substrate zur Verbesserung der Elektron-Extraktionen aus…

Materials

Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis)	Afa Aesar	7787-64-6	stored in N2-filled condition
Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis)	Afa Aesar	7783-96-2	stored in N2-filled condition
Butylamine 99.5%	Sigma-Aldrich	109-73-9
Triton X-100	Sigma-Aldrich	9002-93-1
Isopropyl alcohol (IPA)	Duksan	67-63-0	Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxide	Sigma-Aldrich	546-68-9	≥97.0%
Ethyl alcohol	Sigma-Aldrich	64-17-5	200 proof, ACS reagent, ≥99.5%
Hydrochloric acid	SAMCHUN	7647-01-0	Extra pure
Titanium tetrachloride (TiCl4)	sharechem
50nm-sized TiO2 nanoparticle paste	sharechem
2-propanol	Sigma-Aldrich	67-63-0	anhydrous, 99.5%
Terpineol	Merck	8000-41-7
Heating oven	WiseTherm
Oxygen (O2) plasma	AHTECH
X-ray diffraction (XRD)	Rigaku		Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation (1.5406 Å wavelength).
Fourier transform infrared (FTIR)	Bruker		Bruker Tensor 27
field-emission scanning electron microscope (FE-SEM)	Hitachi		Hitachi SU8230
UV-Vis spectra	PerkinElmer		PerkinElmer LAMBDA 950 Spectrophotometer
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)	RBD Instruments		PHI5500 Multi-Technique system