Artículo de método

Solución procesada "Plata, bismuto, yodo" ternario películas delgadas para absorbedores fotovoltaicas sin plomo

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 de septiembre de 2018

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1Convergence Research Center for Solar Energy, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), 2Department of Chemistry and Research Institute for Convergence of Basic Sciences, Hanyang University

En este artículo

Resumen

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Adjunto, presentamos protocolos detallados para procesado en solución yodo-bismuto-plata (Ag-Bi-I) ternario semiconductor películas delgadas fabricadas en TiO2-recubrimiento de electrodos transparentes y su aplicación potencial como aire-estable y libre de plomo dispositivos optoelectrónicos.

Resumen

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Perovskitas híbrido basado en el bismuto son considerados como prometedores semiconductores foto-activo para aplicaciones de medio ambiente y aire-estable de células solares. Sin embargo, pobre morfología superficial y energías de banda prohibida relativamente altos han limitado su potencial. Plata-bismuto-yodo (Ag-Bi-I) es un prometedor semiconductores para dispositivos optoelectrónicos. Por lo tanto, se demuestra la fabricación de Ag-Bi-I ternario de películas delgadas mediante procesamiento de solución material. Las películas finas resultantes exhiben morfologías superficiales controlados y bandgaps ópticas según su térmico temperaturas de recocido. Además, se ha divulgado que Ag-Bi-I sistemas ternarios cristalizan a AgBi2I7, Ag2BiI5, etc. según la relación de los precursores químicos. La solución procesada AgBi2I7 películas delgadas exhiben una estructura cristal cúbico fase, densos, agujero de alfiler-libre morfologías superficiales con granos que van de 200 a 800 nm y un bandgap indirecto de 1,87 eV. La resultante AgBi2I7 películas delgadas mostrar buena estabilidad y energía diagramas de banda del aire, así como la superficie morfologías y bandgaps óptico adecuado para plomo y aire-estable single-junction solar células. Muy recientemente, una célula solar con 4,3% eficiencia de conversión de energía se obtuvo mediante la optimización de las composiciones de cristal Ag-Bi-I y célula solar dispositivo arquitecturas.

Introducción

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Solución procesada inorgánicos las células solares de película fina han sido ampliamente estudiadas por muchos investigadores tratando de convertir la luz solar directamente en electricidad1,2,3,4,5. Con el desarrollo de la arquitectura material de síntesis y dispositivo, perovskitas de haluro-base de plomo se han divulgado para ser los mejores amortiguadores de célula solar con una eficiencia de conversión de energía (PCE) superior a 22%5. Sin embargo, son más preocupaciones sobre el uso de plomo tóxico, así como problemas de estabilidad del haluro de plomo perovskita sí mismo.

Recientemente se ha divulgado que perovskitas híbrido basado en el bismuto pueden ser formado mediante la incorporación de cationes monovalentes en una unidad compleja de yoduro de bismuto y que éstos se pueden utilizar como absorbedores fotovoltaicas en mesoscópica célula solar arquitecturas6, 7,8. El plomo en las perovskitas puede reemplazarse con bismuto, que tiene el 6s2 par solitario externo; sin embargo, metodologías de haluro de plomo convencionales hasta ahora solamente se han utilizado para perovskitas híbrido basado en el bismuto con las estructuras cristalinas complejas, a pesar de que tienen Estados de oxidación diferentes y propiedades químicas9. Además, estas perovskitas pobre morfología superficial y producen películas relativamente gruesas en el contexto de aplicaciones para dispositivos de película delgada; por lo tanto, tienen un bajo rendimiento fotovoltaico con boquete de la venda alta energía (> 2 eV)6,7,8. Así, intentamos encontrar un nuevo método para producir semiconductores de película delgada basadas en bismuto, que son medio ambiente, aire, y tienen energía del boquete de la venda baja (< 2 eV), teniendo en cuenta el diseño de materiales y la metodología.

Presentamos solución procesada Ag-Bi-I ternarios láminas delgadas, que pueden ser cristalizado a AgBi27 y Ag2BiI5, plomo y aire-estable semiconductores10,11. En este estudio para el AgBi2I7 composición, n-butilamina es utilizado como un solvente para simultáneamente disolver el yoduro de plata (AgI) y bismuto yoduro (BiI3) precursores. La mezcla es spin-cast y recocido a 150 ° C por 30 min en un N2-lleno de guantera; Posteriormente, las películas se apagó a temperatura ambiente. Las películas delgadas resultantes son marrón oscuro en color. Además, la morfología superficial y la composición de cristal de los sistemas ternarios de la Ag-Bi-I son controlados por la temperatura de recocido y relación precursor de AgI/BiI3. La resultante AgBi2I7 películas delgadas presentan una estructura cristalina cúbico fase, morfologías superficie densas y lisas con granos grandes de 200-800 nm de tamaño y una separación de la banda óptica de 1,87 eV empezando a absorber la luz de una longitud de onda de 740 nm . Se ha divulgado recientemente que mediante la optimización de las composiciones de cristal y la arquitectura de dispositivo, Ag-Bi-I ternarias película delgada células solares puede alcanzar un PCE del 4,3%.

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Protocolo

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1. preparación de desnudo-vidrio dopada con flúor óxido de estaño (SnO2: F) sustratos

  1. Para limpiar el vidrio desnudo, sustratos de óxido de estaño dopado de flúor (OFT), someter a ultrasonidos les secuencialmente en una solución acuosa que contiene 2% Tritón, desionizada (DI) agua, acetona y alcohol isopropílico (IPA), cada uno por 15 min.
  2. Ponga el sustrato limpio en el horno de calentamiento a 70 ° C durante 1 h eliminar el IPA residual.

2. preparación de TiO compacto2 capas (c-TiO2) para bloquear los electrones

  1. Para la preparación de una solución de precursor c-TiO2 , 0,74 mL de isopropóxido de titanio (docente) de la gota lentamente en 8 mL de etanol anhidro (EtOH) mientras revolviendo vigorosamente y luego inyectar rápidamente 0,06 mL de ácido clorhídrico (HCl) en la solución. Agitar la solución resultante durante la noche a temperatura ambiente.
    Nota: Utilice un frasco de vidrio de 20 mL, una concentración de 35-37% de HCl y un agitador magnético.
  2. Filtrar la solución de precursor de2 c-TiO preparado utilizando una jeringa y filtro 0.2 μm tamaño de poro, cae sobre el sustrato limpio de FTO y luego spin-cast el sustrato a 3.000 rpm durante 30 s.
  3. Térmicamente-templar los sustratos por calentamiento en un horno a 500 ° C por 1 h y luego déjelos enfriar a temperatura ambiente.
  4. Empape el sustrato en una solución acuosa tetracloruro (TiCl4) del titanio de 0,12 M a 70 ° C por 30 min y luego lavar con agua desionizada para eliminar cualquier residual de TiCl4.
  5. Térmicamente-templar los sustratos a 500 ° C por 1 h y luego déjelos enfriar a temperatura ambiente para una mejora superficial de la capa de TiO c2 . Almacenar la resultante c-TiO2-recubrimiento de sustratos en N2-lleno de condiciones hasta su uso.

3. preparación de mesoporosos TiO2 capas (TiO m2) para mejorar la extracción de electrones

  1. Para la preparación de una solución de m-TiO2 precursor, agregue 1 g de 50 nm de tamaño TiO2 nanopartículas (SC-HT040) de la goma a un frasco de vidrio de 10 mL con 3,5 g de 2-propanol y 1 g de terpineol y luego revolver todo hasta que la goma se disuelva perfectamente.
    Nota: La pasta nanopartículas-nm Tamaño TiO2 de 50 es altamente viscoso y debe manejarse con cuidado con una espátula.
  2. Spin-cast 200 μL de los 50 nm de tamaño TiO2 nanopartículas pasta solución preparada a 5.000 rpm durante 30 s en el c-TiO2-recubrimiento de sustratos FTO.
  3. Térmicamente-templar los substratos resultantes en un horno a 500 ° C por 1 h y luego déjelos enfriar a temperatura ambiente.
  4. Remoje los sustratos en la solución acuosa4 del TiCl de 0,12 M a 70 ° C por 30 min y luego lavar completamente con agua desionizada para eliminar cualquier residual de TiCl4.
  5. Térmicamente-templar los sustratos a 500 ° C por 1 h y luego déjelos enfriar a temperatura ambiente para una mejora superficial de la capa de2 m-TiO. Tienda la resultante c-TiO2- y m-TiO2-revestido sustratos en N2-lleno de condiciones hasta su uso.

4. fabricación de AgBi2I7 películas delgadas

  1. Tratar los sustratos de vidrio desnudo bajo una lámpara ultravioleta (UV) con una intensidad de 45 mA/cm2 con un UV ozono limpiador durante 10 minutos para asegurarse de que los sustratos estén limpias e hidrofílico. No tratar a los de c y m TiO2-revestido sustratos FTO con el ozono UV cleaner.
    Nota: la espectros infrarrojo de-transformada de Fourier (FT-IR), difracción de rayos x (DRX) y absorbancia fueron investigada usando Ag-Bi-I películas delgadas fabricadas sobre sustratos de vidrio desnudo. La de c y m TiO2-sustratos recubiertos de FTO fueron utilizados para los dispositivos de la célula solar.
  2. Vortex vigorosamente 0,3 g de BiI3 (0.5087 mmol), 0,06 g de AgI (0.2544 mmol), y 3 mL de n-butilamina hasta que todo se haya disuelto completamente y entonces-filtro de la jeringuilla la mezcla usando un 0.2 μm tamaño de poro de politetrafluoroetileno (PTFE) del filtro.
  3. Caer 200 μL de la solución precursora en los sustratos y luego spin-cast a 6.000 rpm durante 30 s con una humedad controlada por debajo del 20%. Transferir inmediatamente la película resultante de color rojo amarillento a un N2-llena la caja de guante para recocido térmico.
  4. Comenzar el térmico de recocido de la película resultante a temperatura ambiente, después la película a 150 ° C de calor y mantener una temperatura de 150 ° C por 30 minutos calmar rápidamente la película recocida a temperatura ambiente. El final de la película tendrá un color brillante y marrón oscuro. Para apagar rápidamente el sustrato recocido, sacarlo de la placa que se estableció en 150 ° C.
  5. Para Ag-Bi-I ternario de películas delgadas de una composición diferente, como Ag2BiI5, cambiar la relación molar de precursor de AgI a BiI3 de 1:2 a 2:1 y usa el mismo volumen de solvente n-butilamina. Recueza la película resultante usando el método descrito anteriormente.
  6. Para investigar la función de la temperatura Ag-Bi-I formación utilizando patrones de DRX, espectros FT-IR, morfologías superficiales y espectros de absorbancia, utilizar temperaturas de recocido térmicas de 90, 110 y 150 ° C para el Ag-Bi-I ternario de películas delgadas.

5. fabricación de células solares dispositivos usando AgBi2I7 películas delgadas

  1. Usar poly(3-hexylthiophene) (P3HT) como material de transporte de agujero en los AgBi2I7 las células solares de película delgada. Añadir 10 mg de P3HT a 1 mL de clorobenceno y agitar la mezcla a 50 ° C por 30 min hasta que el P3HT se disuelva perfectamente. Filtrar usando un filtro PTFE 0,2 μm tamaño de poro. Preparar y almacenar el P3HT en un N2-llena la caja de guante.
  2. Gota 100 μl del P3HT disuelto en clorobenceno sobre la AgBi27 películas delgadas fabricadas en el c y m TiO2-revestido sustratos FTO y luego spin-cast los sustratos a 4.000 rpm durante 30 s en un N2-llena la caja de guante. Térmicamente-Recueza la película P3HT a 130 ° C durante 10 min para la orientación estructural de P3HT.
  3. Utilizar un evaporador térmico con una tasa de deposición de 0.5 Å / s y una barra patrón de máscara de sombra para depositar 100 electrodos nm de espesor oro (Au) como un metal superior Contacta la AgBi27 células solares de película delgada.

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Resultados

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Se ha informado de que los Ag-Bi-I ternarios sistemas, que son considerados como prometedores semiconductores, son cristalizados en varias composiciones, como AgBi27, AgBiI4y Ag2BiI510, según la fracción molar de AgI a BiI3. Estudios anteriores han demostrado que formas de cristal a granel con varias composiciones de Ag-Bi-I sistemas ternarios pueden ser sintetizadas experimentalmente cambiando la fr...

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Discusión

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Hemos proporcionado un protocolo detallado para la fabricación de la solución de Ag-Bi-I semiconductores ternarios, que deben ser explotados como amortiguadores de plomo fotovoltaicos en las células solares de película delgada con arquitecturas de dispositivo mesoscópica. c-TiO2 capas se formaron en los substratos de la FTO para evitar la fuga de electrones que fluye en los electrodos FTO. TiO m2 capas secuencialmente se formaron en c-TiO2-recubrimiento de sustratos FTO para mejorar la ex...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue apoyado por el Daegu Gyeongbuk Instituto de ciencia y tecnología (DGIST) investigación y programas de desarrollo (i+d) del Ministerio de ciencia, TIC y planeamiento futuro de Corea (18-ET-01). Este trabajo fue apoyado también por el Instituto de Corea de energía tecnología evaluación y Planning(KETEP) y el Ministerio de comercio, industria y Energy(MOTIE) de la República de Corea (Nº 20173010013200).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Yoduro de bismuto (III), Puratronic, 99,999% (base de metales)Afa Aesar7787-64-6almacenado en estado de relleno de N2
Yoduro de plata, Premion, 99,999% (base de metales)Afa Aesar7783-96-2almacenado en estado de relleno de N2
Butilamina 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Alcohol isopropílico (IPA)Duksan67-63-0Eléctrico de alta pureza
GRADO Titanio (IV) isopropóxidoSigma-Aldrich546-68-9≥ 97.0%
Alcohol etílicoSigma-Aldrich64-17-5200 pruebas, reactivo ACS, ≥ 99.5%
Ácido clorhídricoSAMCHUN7647-01-0
Tetracloruro de titanio extra puro (TiCl4)sharechem
Pasta de nanopartículas de TiO2 de 50 nmsharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0anhidro, 99.5%
TerpineolMerck8000-41-7
Horno de calentamientoDifractómetro Rigaku
Miniflex 600 con un contador de centelleo de NaI y utilizando radiación monocromática Cu-K y alfa
(longitud de onda 1.5406 y Aring;).
Microscopio electrónico de barrido de barrido por emisión de campo
Espectros UV-VisPerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Espectrofotómetro
Bruker Bruker Tensor 27 (FE-SEM)Hitachi Hitachi SU8230Espectroscopía ultravioleta fotoelectrónica (UPS)RBD Instruments PHI5500 Sistema multitécnico

Referencias

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