Solución procesada "Plata, bismuto, yodo" ternario películas delgadas para absorbedores fotovoltaicas sin plomo
September 27th, 2018
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.
Este método puede ayudarle a responder preguntas clave sobre cómo hacer semiconductores ternarios de plata-bismo-yodo procesables por solución para células solares de película delgada respetuosas con el medio ambiente y adoptar aplicaciones. La principal ventaja de esta técnica es la fabricación de soluciones de plata-bismuto-yodo que luego se utiliza como un absorbedor fotovoltaico sin plomo en células solares de película delgada con arquitecturas de dispositivos microscópicos. Esta técnica tiene aplicaciones potenciales en la producción de células solares de película delgada respetuosas con el medio ambiente porque los semiconductores ternarios de plata-bmuth-yodo son absorbentes fotovoltaicos estables en el aire y sin plomo.
Para comenzar a preparar la solución precursora para capas compactas de dióxido de titanio, coloque 8 mililitros de etanol anhidro en un vial de vidrio de 20 mililitros y comience a agitarlo vigorosamente. Añadir 0,74 mililitros de isopropóxido de titanio a la gota de etanol de agitación. Y luego añadir rápidamente 0,06 mililitros de ácido clorhídrico concentrado.
Revuelva la mezcla durante entre 12 y 24 horas a temperatura ambiente para formar la solución precursora. A continuación, sonicar un sustrato de FTO desnudo de una pulgada por una pulgada durante 15 minutos cada uno en 2%aqueous octoxynol-9, acetona y alcohol isopropílico. Seque el sustrato limpio en un horno a 70 grados Centígrados durante una hora y déjelo enfriar a temperatura ambiente en el aire.
A continuación, fije el sustrato en un mandril de revestimiento de centrifugado. Llene una jeringa de 1 mililitro o 3 mililitros con una solución precursora de capa de dióxido de titanio compacta y adjunte un filtro de jeringa de 0,2 nanómetros. Filtrar la solución en un vial pequeño.
Aplique 200 microlitros de la solución precursora filtrada al sustrato para cubrirlo completamente. Recubrir el sustrato a 3000 RPM durante 30 segundos. Anneal la película en un horno a 500 grados Celsius durante una hora.
A continuación, apague el fuego y deje que el sustrato se enfríe en el aire a temperatura ambiente, lo que suele tardar unas seis horas. A continuación, sumerja el sustrato recubierto en una solución molar acuosa 0,12 de tetracloruro de titanio. Sumerja el sustrato en un horno celsius de 70 grados durante 30 minutos.
Enjuague bien el sustrato en agua desionizada después para eliminar el tetracloruro de titanio residual. Anneal la película a 500 grados Celsius durante una hora y luego dejar que se enfríe a temperatura ambiente en el aire. Una vez enfriado, almacene el sustrato compacto recubierto de dióxido de titanio bajo gas nitrógeno para su uso posterior.
Para comenzar a preparar la solución precursora para una capa de nanopartícula de dióxido de titanio mesoporoso en un vial de vidrio de 5 mililitros, combine 0,5 gramos de pasta de nanopartícula de dióxido de titanio de 50 nanómetros con 1,75 gramos de alcohol isopropílico y 0,5 gramos de terpineol. Agregue una barra de agitación al vial y revuelva hasta que la pasta se haya disuelto por completo. Esto suele tardar aproximadamente una hora.
A continuación, fije un sustrato FTO recubierto de dióxido de titanio compacto en una recubridora de centrifugado y aplique 200 microlitros de la solución de nanopartículas a la superficie del sustrato. Recubrir el sustrato a 5000 RPM durante 30 segundos. Anneal el sustrato recubierto en un horno a 500 grados Celsius durante una hora y dejar que se enfríe a temperatura ambiente.
A continuación, remoje el sustrato en una solución acuosa de 0,12 molares de tetracloruro de titanio a 70 grados centígrados durante 30 minutos. Enjuague bien el sustrato con agua desionizada. Anneal a 500 grados Celsius durante una hora y dejar que se enfríe a temperatura ambiente en el aire.
Almacene el sustrato recubierto con capas compactas y mesoporosas de dióxido de titanio bajo gas nitrógeno para su uso posterior. Para comenzar a preparar películas delgadas del yodobismuthate de plata, heptaiduro de dibismuth plateado, en una guantera llena de nitrógeno a baja humedad combinar 0,3 gramos de yoduro de bismuto-tres, 0,06 gramos de yoduro de plata y 3 mililitros de n-butilamina. Vórtice vigorosamente la mezcla hasta que los sólidos se hayan disuelto en su mayoría, y luego la jeringa filtre la solución precursora a través de un filtro de politetrafluoroetileno de 0,2 micrómetros.
A continuación, fije el sustrato deseado en una recubridora de centrifugado y aplique 200 microlitros de la solución precursora filtrada. Recubrir el sustrato a 6000 RPM durante 30 segundos. Coloque el sustrato sobre una placa caliente y caliente a 150 grados Celsius.
Anneal la película a esa temperatura durante 30 minutos y luego retirarla rápidamente de la placa caliente para apagarla. En una guantera llena de nitrógeno, combine 10 miligramos de P3HT y 1 mililitro de clorobenceno. Revuelva la mezcla a 50 grados Celsius durante 30 minutos para disolver completamente el P3HT y luego filtrar la mezcla con un filtro de jeringa de PTFE de 0,2 micrómetros.
A continuación, fije un sustrato FTO recubierto con hepatiduro de dibismuth plateado sobre dióxido de titanio compacto y mesoporoso en un recubridor de espín. Aplicar 100 microlitros de la solución P3HT al sustrato y recubrir el sustrato a 4000 RPM o 30 segundos. Anneal la película P3HT en una placa caliente precalentada a 130 grados Celsius durante 10 minutos.
Deje que el sustrato se enfríe a temperatura ambiente en la guantera. Por último, utilice un evaporador térmico para depositar 100 nanómetros de oro a 0,5 angstroms por segundo en el sustrato para formar los mejores contactos de oro de la célula solar. Las películas delgadas ternarias de plata-bmuth-yodo, 1:2, 1:1 y 2:1 se fabricaron con este método.
La película 1:2 mostró un solo pico a unos 42 grados, indiciando una estructura cúbica. Se observó división de pico para las películas 1:1 y 2:1, lo que indica una estructura hexagonal. La película 1:2 absorbió longitudes de onda más largas que la película 2:1.
Además, la película 1:2 tenía una superficie lisa con grandes granos, mientras que las partículas de yoduro de plata en la película 2:1. La película 1:2 fue elegida para su estudio posterior. La difracción de rayos X indicó que se requería una temperatura de recocido de 150 grados Celsius para que la película 1:2 cristalizara por completo en la fase cúbica.
La película estuvo estable en el aire durante al menos 10 días. Las espectroscopias FTIR sugirieron que la n-butilamina residual seguía siendo débilmente compleja a yoduro-bódulo bismuto-3 y yoduro de plata a temperaturas de recocido más bajas, suprimiendo la formación de bloques de construcción de plata-bismuto-yodo. Los granos se hicieron más grandes y más densamente embalados a medida que aumentaba la temperatura de recocido.
Las películas recocidos a 150 grados Centígrados también tenían las propiedades de absorción más adecuadas para su uso en células solares. En general, la película de heptaiduro de dibismuth de plata recocido a 150 grados Celsius mostró propiedades energéticas adecuadas para el uso de células solares. Esta técnica allana el camino para que los investigadores de células solares de película delgada procesables por solución sigan desarrollando metodologías para semiconductores ternarios de plata-bmuth-yodo en aplicaciones tales como células solares de película delgada sin plomo y estables al aire.
Al intentar este procedimiento, es posible que desee utilizar humedad controlada de menos del 20% para el recubrimiento de espín del sustrato con la solución precursora de plata-bismuto-yodo. Si gira la capa de la solución precursora en o por encima de 30% de humedad, verá amarillento debido a la altamente reactiva y foto Si no puede controlar la humedad en la capa de centrifugado, puede girar la capa de la solución precursora en una guantera llena de N. Sin embargo, tenga en cuenta que debe purgar completamente la guantera después de que haya terminado.
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Visión general
Este artículo presenta protocolos para la fabricación de películas delgadas de semiconductores ternarios de plata-bismuto-yodo (Ag-Bi-I) procesadas en solución. Estas películas están diseñadas para su uso en electrodos transparentes recubiertos de TiO2, destacando su potencial como dispositivos optoelectrónicos estables al aire y libres de plomo.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de materiales
- Optoelectrónica
- Tecnología ambiental
Antecedentes
- Los semiconductores ternarios de plata-bismuto-yodo son prometedores para aplicaciones fotovoltaicas.
- Los materiales libres de plomo son esenciales para tecnologías respetuosas con el medio ambiente.
- Las células solares de película delgada requieren materiales absorbentes estables y eficientes.
- El procesamiento en solución ofrece un método de fabricación escalable.
Propósito del estudio
- Desarrollar protocolos para crear películas delgadas de Ag-Bi-I.
- Explorar su aplicación en dispositivos fotovoltaicos libres de plomo.
- Proporcionar un método para producir células solares respetuosas con el medio ambiente.
Métodos utilizados
- Preparación de soluciones precursoras utilizando etanol anhidro y isopropóxido de titanio.
- Mezclado y adición de ácido clorhídrico concentrado a la solución.
- Fabricación de películas delgadas en electrodos recubiertos de TiO2.
- Caracterización de las propiedades semiconductoras resultantes.
Resultados principales
- Fabricación exitosa de películas delgadas de Ag-Bi-I demostrada.
- Las películas exhibieron estabilidad al aire y características libres de plomo.
- Se confirmó el potencial para su uso en aplicaciones de células solares de película delgada.
- Se proporcionaron protocolos para resultados reproducibles en estudios futuros.
Conclusiones
- Las películas delgadas de Ag-Bi-I son viables para dispositivos optoelectrónicos respetuosos con el medio ambiente.
- El procesamiento en solución es un método efectivo para su fabricación.
- Se fomenta la investigación adicional para optimizar su rendimiento en células solares.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
This work demonstrates solution-processed lead-free silver-bismuth-iodine ternary thin films as photovoltaic absorbers for environmentally stable solar cells. The method enables scalable fabrication of air-stable semiconductor materials with tunable optoelectronic properties. It supports early-stage discovery of lead-free alternatives in photovoltaic research by providing reproducible thin-film synthesis protocols.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of lead-free semiconductor compositions for photovoltaic energy conversion.
- Operational Value: Provides reproducible solution-processing protocol for thin-film synthesis under controlled thermal annealing.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of dense, pinhole-free films with grain sizes 200–800 nm for optoelectronic testing.
- Operational Value: Supports standardization of surface morphology and bandgap evaluation via annealing temperature control.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates air stability for ≥10 days, indicating suitability for environmental stress testing in device prototypes.
- Operational Value: Enables integration into TiO2-based solar cell architectures for performance validation.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions solution processing as a scalable approach for generating lead-free photovoltaic absorbers in early-stage optoelectronic discovery workflows.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of Ag-Bi-I ternary ratios for lead-free photovoltaic functionality.
- Screening: Enables assay-ready film fabrication with controlled morphology and indirect bandgap of 1.87 eV.
- Analytics: Provides XRD, FTIR, and optical absorption outputs for structural and energetic property assessment.
- Translational Research: Connects film stability and bandgap tuning to single-junction solar cell performance potential.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable protocol for Ag-Bi-I thin-film generation across varying precursor ratios and annealing conditions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in lead-free absorber suitability through air stability and bandgap engineering.
- Operational Value: Reproducible thin-film synthesis via solution processing and thermal annealing control.
- Strategic Value: Reduces late-stage material risk by enabling early evaluation of environmentally stable photovoltaic alternatives.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of lead-free semiconductor candidates in renewable energy research pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in solution processing, spin coating, and thermal annealing under inert or controlled humidity conditions.
- Needs instrumentation for spin coating, hot plates, ovens, and thermal evaporation for contact deposition.
- Demands standardization of precursor ratios and annealing temperatures to achieve phase-pure cubic AgBi2I7 films.
- Involves adaptation considerations for substrate compatibility and solvent choice in glovebox or ambient processing.
- Includes practical limitations such as residual amine complexation at low annealing temperatures suppressing phase formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:54
Preparation of Compact TiO2 (c-TiO2) Layers on Fluorine-Doped Tin Oxide (FTO) Substrates for Electron Blocking
3:29
Preparation of Mesoporous TiO2 (m-TiO2) Layers for Improved Electron Extraction
5:03
Fabrication of AgBi2I7 Thin Films (1:2 AgI:BiI3)
6:10
Fabrication of Solar Cell Devices Using AgBi2I7 Thin Films
7:23
Results: Characterization of Solution-Processed Ag-Bi-I Ternary Thin Films
9:16
Conclusion
