Article de méthode

Processus de Solution assistée par vapeur basse pression pour bande accordable Gap sténopé méthylammonium plomb halogénure Perovskite Films

DOI :

10.3791/55404

⸱

8 septembre 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Joint Center for Artificial Photosynthesis, Chemical Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, 3Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 4Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 5Department of Physics, Graduate School of Nanotechnology, University of Trieste, 6TASC Laboratory, IOM-CNR - Istituto Officina dei Materiali, 7Department of Chemistry, University of California, Berkeley, 8Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, 9Joint Center for Artificial Photosynthesis, Lawrence Berkeley National Laboratory

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous présentons ici un protocole pour la synthèse de CH3NH3I et précurseurs de Br3CH3NH et la formation subséquente de continu, pinhole-free CH3NH3IBP3-xBrx minces pour la application dans les cellules solaires à haut rendement et autres dispositifs optoélectroniques.

Résumé

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Organo-plomb halogénure pérovskites ont récemment suscité un grand intérêt pour les applications potentielles en couche mince photovoltaïque et l’optoélectronique. Ici, nous présentons un protocole pour la fabrication de ce matériel par l’intermédiaire de la méthode de process (LP-VASP) solution vapeur basse pression assistée, ce qui donne environ 19 % efficacité de conversion énergétique à hétérojonction plane perovskite photopiles. Tout d’abord, nous rapportons la synthèse de l’iodure de méthylammonium (CH3NH3j’ai) et bromure de méthylammonium (CH3NH3Br) de méthylamine et l’acide correspondant d’halogénure (HI ou HBr). Ensuite, nous décrivons la fabrication de perovskite halogénure méthylammonium plomb pinhole-free, continu (CH3NH3PbX3 avec X = I, Br, Cl et leur mélange) films avec le LP-VASP. Ce processus repose sur deux étapes : i) spin-enduit d’une couche homogène de précurseur d’iodure de plomb sur un substrat et ii) conversion de cette couche en CH3NH3IBP3-xBrx en exposant le substrat aux vapeurs d’un mélange de CH 3 NH3I et CH3NH3Br à pression réduite et 120 ° C. Grâce à une diffusion lente de la vapeur d’halogénures méthylammonium dans le précurseur d’iodure de plomb, nous réaliser une croissance lente et contrôlée d’un film continu, pinhole-free pérovskite. Le LP-VASP permet un accès synthétique à l’espace de composition pleine d’halogénure en CH3NH3IBP3-xBrx avec 0 ≤ x ≤ 3. Selon la composition de la phase vapeur, la bande interdite peut être ajustée entre 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV. En outre, en faisant varier la composition du précurseur aux halogénures et de phase vapeur, nous pouvons également obtenir CH3NH3IBP3-xClx. Films obtenus à partir de la VASP-LP sont reproductibles, la phase pure confirmé par des mesures de diffraction des rayons x et voir la photoluminescence haut rendement de quantique. Le processus ne nécessite pas l’utilisation d’une boîte à gants.

Introduction

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Hybrides organiques-inorganiques du plomb halogénure pérovskites (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) sont une nouvelle classe de semi-conducteurs qui a émergé rapidement au sein de ces dernières années. Cette classe de matériaux présente des propriétés de semi-conducteur excellent, comme haute absorption coefficient1, bandgap accordable2, long frais transporteur diffusion longueur3, défaut haute tolérance4et photoluminescence haute rendement de Quantum5,6. La combinaison unique de ces caractéristiques fait conduire halogénure pérovskites extrêmement séduisante pour application dans les dispositifs optoélectroniques, comme seule jonction7,8 et photovoltaïque multijonction9, 10, lasers11,12et LEDs13.

CH3NH3PbX3 films peuvent être fabriqués par une variété de méthodes de synthèse14, qui visent à améliorer l’efficacité de ce matériau semi-conducteur pour énergie demandes15. Toutefois, optimisation des dispositifs photovoltaïques l'repose sur la qualité de la couche active de perovskite halogénure, ainsi que ses interfaces avec contacts sélective de charge (électrons et trous de couches de transport), qui facilitent la collection photocarrier dans ces périphériques. En particulier, continues et sans trou d’épingle les couches actives sont nécessaires pour minimiser la résistance de shunt, améliorant ainsi la performance de l’appareil.

Parmi les méthodes les plus répandues pour fabriquer des halogénures organo-plomb perovskite minces sont des processus axés sur la solution et axée sur le vide. Le processus de solution plus courant utilise des taux équimolaires d’iodure de plomb et halogénures de méthylammonium dissous dans le diméthylformamide (DMF), le diméthylsulfoxyde (DMSO), ou γ-butyrolactone (GBL) ou des mélanges de ces solvants. 2 , 16 , 17 molarité de précurseur et type solvant, ainsi que recuit, température, temps et atmosphère, doit être contrôlé avec précision pour obtenir des films continues et sans trou d’épingle. 16 par exemple, pour améliorer la couverture de la surface, une technique de solvant-ingénierie a démontré que le rendement dense et extrêmement uniforme films. 17 dans cette technique, un solvant non-(toluène) est dégoutté sur la couche de perovskite pendant le filage de la solution de pérovskite. 17 ces approches sont généralement bien adaptés pour hétérojonctions mésoscopiques, qui emploient mésoporeux TiO2 un contact sélective de l’électron avec surface de contact accrue et réduisent la durée de transport transporteur.

Cependant, hétérojonctions planaires, qui utilisent les contacts sélectifs basés sur mince (habituellement TiO2) films, sont préférables car elles fournissent une configuration simple et évolutive qui peut être plus facilement adoptée dans la technologie des cellules solaires. Par conséquent, le développement des couches actives de perovskite Halogénures organo-plomb qui montrent une haute efficacité et stabilité en fonctionnement pour hétérojonctions planes peut conduire à des progrès technologiques dans ce domaine. Toutefois, l’un des principaux défis pour fabriquer des hétérojonctions planaires est toujours représenté par l’homogénéité de la couche active. Quelques tentatives, basées sur des processus sous vide, ont tenté de préparer des couches uniformes sur des films minces de2 TiO. Par exemple, Snaith et collaborateurs ont démontré un processus d’évaporation double, qui produisent des couches de perovskite très homogène avec des efficacités de conversion haute puissance pour des applications photovoltaïques. 18 alors que ce travail représente un progrès considérable dans le domaine, l’utilisation de systèmes d’aspiration élevées et le manque d’accordabilité de la composition de la couche active limite l’applicabilité de cette méthode. Fait intéressant, extrêmement grande uniformité a été atteint avec la solution vapeur assistée par processus (VASP)19 et mis à jour le basse pression VASP (LP-VASP)6,20. Tandis que la VASP, proposé par Yang et collaborateurs19, exige des températures plus élevées et l’utilisation d’une boîte à gants, le LP-VASP est basé sur le recuit d’une couche de précurseur aux halogénures de plomb en présence de vapeur d’halogénures méthylammonium, à réduire la pression et température relativement basse sous une hotte. Les présentes conditions spécifiques activez accès mixé pérovskite compositions et fabrication de pure CH3NH3IBP3, CH3NH3IBP3-xClx, CH3NH3IBP3- xxde la Br et CH3NH3PbBr3 peuvent être facilement atteint. Plus précisément, CH3NH3IBP3-xBrx films en l’espace de composition complète peuvent être synthétisés avec optoélectroniques de haute qualité et la reproductibilité de6,20.

Dans les présentes, nous fournir une description détaillée du protocole pour la synthèse d’un halogénure organique-inorganique de plomb perovskite couches par LP-VASP, y compris la procédure pour la synthèse des précurseurs d’halogénure méthylammonium. Une fois que les précurseurs sont synthétisées, formation de CH3NH3PbX3 films se compose d’une procédure en deux étapes qui comprend i) l’enduction centrifuge de l’IBP2/PbBr2 (PbI2ou IBP2/PbCl 2) précurseur sur substrat de verre ou d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) recouvert de substrat en verre avec planar TiO2, comme couche de transport d’électrons et ii) la faible pression recuit dans des mélanges de CH3NH3j’ai assistée par vapeur et CH3NH3Br finement réglable selon le bandgap optique désirée (1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV). Dans ces conditions, les molécules d’halogénures méthylammonium présent dans la phase vapeur diffuse lentement dans le film mince de plomb aux halogénures, produisant des films de perovskite halogénure en continu et sans trou d’épingle. Ce processus conduit à une expansion de volume double de la couche de précurseur aux halogénures plomb départ à la pérovskite de halogénure rempli de plomb organiques-inorganiques. L’épaisseur standard du film perovskite est environ de 400 nm. Il est possible de faire varier cette épaisseur entre 100 et 500 nm en changeant la vitesse de la deuxième étape de revêtement de spin. La technique présentée se traduit dans des films d’optoélectronique de haute qualité, qui se traduit par des dispositifs photovoltaïques avec des efficacités de conversion de puissance jusqu'à 19 % à l’aide d’une UA/spiro-OMeTAD /CH3NH3IBP3-xBrx/ Compact TiO2/ FTO/verre solaire cellule architecture. 21

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Protocole

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attention : veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont extrêmement toxiques, cancérigènes et toxiques pour la reproduction. Risques d’explosion et implosion sont associés à l’utilisation d’une ligne de Schlenk. Assurez-vous de vérifier l’intégrité de l’appareil de verre avant d’exécuter la procédure. Une utilisation incorrecte de la ligne de Schlenk en liaison avec un piège à azote liquide froid peut entraîner la condensation de l’oxygène liquide (bleu pâle) qui peut devenir explosive. Veuillez vérifier que vous recevez appropriées sur la formation professionnelle par des experts avant d’utiliser les systèmes d’aspiration, les lignes de Schlenk et liquides cryogéniques. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez la synthèse y compris l’utilisation des contrôles d’ingénierie (hotte aspirante) et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pleine longueur pantalon, chaussures fermées). Toutes les procédures suivantes décrites ci-dessous sont effectuées sous une hotte dans l’air, à moins d’indication contraire.

1. préparation des halogénures méthylammonium

  1. à un 250 mL équipé d’un bar de remuer, ballon à fond rond ajouter de l’éthanol (100 mL) et la méthylamine (190 mmol, 16,5 mL, 40 % wt en H 2 O) et refroidir le ballon à 0 ° C avec un bain de glace.
  2. Tandis que la solution de la méthylamine (pendant environ 5 min à 600 révolution par minute (tr/min)) est en remuant, ajoutez HI (76 mmol, 10 mL, 57 % wt H 2 O) ou HBr (76 mmol, 8,6 mL, 48 % wt H 2 O) goutte à goutte et sceller la fiole avec un septum.
  3. Permettre la réaction de remuer pendant 2 h à 0 ° c.
  4. Enlever le ballon de réaction du bain de glace et évaporer les solvants et n’ayant pas réagis composantes volatiles à pression réduite (~ 50 Torr) avec un évaporateur rotatif équipé d’un bain d’eau à 60 ° c pendant 4 h ou jusqu'à ce que les substances volatiles sont enlevés.
  5. Pour recristalliser le solide résultant, ajouter éthanol chaud (~ 50 ° C) (100 mL) et dissoudre le matériel résiduel.
  6. Ajouter lentement l’éther diéthylique (200 mL) pour induire la cristallisation d’un solide blanc.
  7. Vide filtrer le mélange sur un filtre de fritte de verre grossier de 50 mm.
  8. Récupérer le surnageant et ajouter l’éther diéthylique (200 mL) pour induire la cristallisation supplémentaire de solide blanc. Vide filtrer le mélange sur un second filtre de fritte de verre grossier de 50 mm.
  9. Combiner les solides blancs sur un filtre de fritte de verre grossier de 50 mm et, tout en filtrant vide, laver la poudre obtenue avec éther diethylique trois fois (~ 30 mL chaque fois).
  10. Sécher le solide blanc sous vide. Cette procédure donne (58,9 mmol, 9,360 g, 77 %) d’iodure de méthylammonium (CH 3 NH 3 j’ai) et (55,5 mmol, 6,229 g, 73 %) de méthylammonium bromure (CH 3 NH 3 Br).
  11. Store dans l’obscurité et dans un dessiccateur à la température ambiante afin de minimiser la décomposition au fil du temps.

2. Préparation de Films minces méthylammonium conduisent aux halogénures (CH 3 NH 3 IBP 3-x Br x) 6 , 20

  1. tube de pré-conditionnement de le Schlenk
    1. Charge Schlenk 50 mL tube (diamètre 2,5 cm) avec 0,1 g d’halogénure méthylammonium. Pour empêcher les produits chimiques collent aux parois du tube à essai, utiliser un cylindre de papier pesage pour transférer l’halogénure méthylammonium dans le tube.
      NOTE : Le rapport final de I/(I+Br) CH 3 NH 3 IBP 3-x Br x est déterminé par la composition d’halogénure méthylammonium dans le tube à essai. Par exemple, pour atteindre 30 % je suis content, le tube de Schlenk est chargé avec 0,03 g CH 3 NH 3 I et 0,07 g CH 3 NH 3 fr. Actual obtenu compositions puis-je modifier avec montage expérimental, étalonnage tant les conditions de synthèse à compositions de rendement cible spécifique n’est nécessaire. Dans le cas présent, cela a été accompli en mesurant la teneur en halogénures dans les films synthétisés via dispersive en énergie (EDX).
    2. Utiliser une ligne de Schlenk équipée d’une pompe rotative pour se connecter et d’évacuer le tube. Régler la pression à 0,185 Torr. Ensuite, plonger le tube dans un bain d’huile de silicone préchauffé à 120 ° C, avec un agitateur magnétique (600 tr/min) pendant 2 h (préconditionnement du tube Schlenk).
      Remarque : Cette étape permet de sublimation du précurseur méthylammonium le long des côtés du tube Schlenk. Il est important de s’assurer de la sublimation du précurseur méthylammonium durant les deux heures de préconditionnement. Une fine couche de méthylammonium précurseur se condense le long des côtés du tube Schlenk pour couvrir la partie inférieure du tube. Si sublimation du précurseur méthylammonium n’est pas respectée ou est passe trop vite, vérifiez si la pression de la ligne de Schlenk et la température du bain d’huile sont correctes, ou essayez d’utiliser fraîche méthylammonium halogénure précurseur.
    3. supprimer Schlenk tube du bain d’huile et laisser méthylammonium halogénure sous une surpression de fluide N 2 pour éviter l’absorption de l’humidité.
  2. Préparation du substrat
    1. soniquer un substrat (verre ou enduit de FTO, 14 x 16 mm 2) avec de l’eau (environ 3 mL) contenant un détergent pendant 15 min dans un tube à essai (diamètre 1,5 cm et hauteur 15 cm) à 35 KHz.
    2. Jeter l’eau/détergent par lavage à l’eau ultrapure (~ 10 mL) 5 fois.
    3. Jeter l’eau ultrapure, ajouter l’acétone (~ 3 mL) et laisser agir pendant 15 min à 35 KHz.
    4. Jeter l’acétone, ajoutez l’isopropanol (~ 3 mL) et laisser agir pendant 15 min à 35 KHz.
    5. Jeter l’isopropanol, récupérer le substrat de l’éprouvette avec des pincettes et sécher avec un canon de 2 N pendant 15 s.
    6. Dépôt TiO 2 compact couche (100 nm) sur FTO substrats de verre par évaporation faisceau électrons à une température de substrat de 350 ° C et un taux de dépôt de 0.5 Å / s en utilisant la rotation du substrat. 21
  3. préparation de la solution de précurseur d’iodure de plomb
    1. pour la préparation de MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), dissoudre l’IBP 2 (0,8 mmol, g 0,369) et PbBr 2 (0,2 mmol, 0,073 g) dans 1 mL de DMF pour obtenir une concentration finale de 0,8 M de PbI 2 et 0,2 M de PbBr 2. Laisser agir pendant 5 min à 35 KHz pour dissoudre complètement le précurseur.
      1. Pour la préparation de l’iode pure ou films de brome, dissoudre l’IBP 2 (1 mmol, 0,461 g) ou PbBr 2 (0,8 mmol, 0,294 g) dans 1 mL de DMF, pour obtenir une concentration finale de 1 M et 0,8 M, respectivement. Laisser agir pendant 5 min à 35 KHz pour dissoudre complètement le précurseur.
      2. Pour la préparation de films de perovskite dopé au chlore méthylammonium plomb iodure, dissoudre l’IBP 2 0,369 g et idéale 2 (0,056 g) dans 1 mL de DMF, pour obtenir une concentration finale de 0,8 M de PbI 2 et 0,2 M idéale 2. Laisser agir pendant 5 min à 35 KHz pour dissoudre complètement le précurseur.
    2. La solution de précurseur du filtre avec un filtre de polytétrafluoréthylène (PTFE) 0,2 μm.
  4. Entraîner des dépôts aux halogénures
    1. préchauffer la solution précurseur sur une plaque chauffante sur 110 ° C pendant 5 min.
    2. Avec une micropipette, déposer 80 μL de la solution de précurseur d’iodure de plomb préchauffé sur le substrat antirotation (verre ou TiO 2 déposés sur le verre de la FTO enduit ; taille 2 14 x 16 mm). Essorage à 500 tr/min pendant 5 s avec un taux d’accélération de 500 tr/min s -1 et 1500 tr/min pendant 3 min avec un acceleratile taux de 1 500 tr/min s -1.
    3. Sous une hotte, sécher le film précurseur pendant 15 min à 110 ° C sur une plaque chauffante sous fluide N 2.
      Remarque : Un plat crystalizing est utilisé et placé au-dessus du substrat pour permettre le précurseur à sécher dans une atmosphère de 2 N. Pour faire varier l’épaisseur du film pérovskite qui en résulte, la vitesse de la deuxième étape de l’enduction centrifuge peut varier de 1 200 à 12 000 tr/min pour atteindre l’épaisseur de film dans l’ordre de 500 à 100 nm. Pour réduire encore l’épaisseur du film, solution de précurseur dilué peut être utilisée.
  5. Vapeur assistée par recuit
    1. exemple de charge dans le tube de Schlenk (établi conformément aux instructions dans la section 2.1.2). Régler la pression à 0,185 Torr.
      Remarque : L’échantillon se trouve dans le tube à essai au-dessus de l’halogénure méthylammonium sans être en contact direct avec elle. Pour ralentir l’incorporation de méthylammonium, la surface d’iodure de plomb est orientée vers sont à l’écart de l’halogénure méthylammonium.
    2. Immerger le tube de Schlenk chargé avec l’échantillon à bain d’huile de silicone chauffé à 120 ° C pendant 2 h.
    3. Sortir de l’échantillon et le rincer rapidement en plongeant dans un bécher contenant de l’alcool isopropylique. Séchez-le immédiatement l’échantillon rincé avec un canon de 2 N.
      Remarque : Pour préparer pur CH 3 NH 3 IBP 3 utilisez PbI 2 comme le précurseur de l’halogénure et iodure méthylammonium pure à l’étape de recuit assistée par vapeur. Pour préparer le CH 3 NH 3 PbBr 3 utiliser PbBr 2 comme le précurseur de l’halogénure et pure méthylammonium bromure dans l’étape de recuit vapeur assistée.

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Résultats

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Spectres de résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton ont été prises après la synthèse d’halogénure méthylammonium pour vérifier la pureté de la molécule (Figure 1). Numérisation des images de microscopie électronique (SEM) ont été acquis avant et après la vapeur recuit (Figure 2) pour caractériser la morphologie et l’homogénéité de précurseur aux halogénures mixtes de plomb et le CH3NH3IBP3-x

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Discussion

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Afin de fabriquer des hétérojonctions hautement efficace perovskite planaire organo-plomb, l’homogénéité de la couche active est une condition essentielle. En ce qui concerne l’existant solution2,16,17 et des méthodologies axées sur le vide18,19 , notre processus est remarquablement favorable à la première composition de la couche active qui peut être synthétisés au cour...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Développement de procédés de pérovskite, synthèse de couches minces, caractérisation structurale et morphologique ont été effectuées au Joint Center pour la photosynthèse artificielle, une énergie DOE Innovation Hub, pris en charge par l’intermédiaire de l’Office of Science de l’US Department of Énergie en vertu de l’attribution DE numéro-SC0004993. C.M.S.-F. reconnaît le soutien financier de la Swiss National Science Foundation (P2EZP2_155586).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Bromure de plomb (II), 99,999 %Sigma-Aldrich398853Toxicité aiguë, cancérogénicité
Iodure de plomb (II), 99,9985 %Alfa Aesar12724Toxicité aiguë,
N, N-diméthylformamide sensible à la lumière, > 99,9 %Sigma-Aldrich270547Toxicité aiguë, inflammable ; stocker dans un endroit bien ventilé
Alcool isopropylique, 99,5 %BDHBDH1133-4LPInflammable
Méthylamine env. 40 % dans l’eauTCIM0137Toxicité aiguë, inflammable ; Acide bromhydrique corrosif
48 % en poids dans H2O, &ge ; 99,99 %Sigma-Aldrich339245Toxicité aiguë, corrosif ; sensible à l’air et à la lumière ; stocker dans un endroit bien ventilé
Acide iodique 57 % en poids dans H2O, distillé, stabilisé, 99,95 %Sigma-Aldrich210021corrosif ; sensible à l’air et à la lumière ; stocker dans un endroit bien ventilé
Température de stockage recommandée 2/8 ° ; C; sensible à l’air et à la lumière
Éther éthylique anhydre BHT stabilisé/certifié ACSFisher ChemicalsE 138-4Toxicité aiguë, inflammable
Éthanol dénaturé (alcool réactif), ACSBDHBDH1156-4LPAlconoxdétergent inflammable
Sigma-Aldrich242985Savon utilisé pour le nettoyage du substrat
Milli-QIntegral 3 Système de purification d’eauEMD MilliporeZRXQ003WWDistributeur d’eau ultrapure
Verre enduit d’oxyde mince dopé au fluor (FTO)Dispositifs à couche mince Verrepersonnalisé: dimensions 13,8 mm x 15,8 mm ± ; 0,2 mm, épaisseur 2,3 mm ± ; 0,1 mm ; FTO : dimensions 3000Å ; ± ; 100Å ;, résistivité 7-10 ohms/sq, transmission 82 % @ 550nm)
Substrats de verreC & A Scientific - Première9101-EPlain. Longueur : 75 mm, Largeur : 25 mm, Épaisseur : 1 mm
Nettoyeur à ultrasons avec minuterie numérique et chauffageVWR97043-9922,8 L (0,7 gal.)24L x 14W x 10D cm (97/16x 51/2x 315/16")
Résonance Magnétique Nucléaire Advance 500BrukerZ115311
Quanta 250 FEG Microscope électroniqueà balayage FEI 743202032141Équipé d’un Bruker Xflash 5030 Détecteur de rayons X à dispersion d’énergie
SmartLab Diffractomètre à rayons X Rigaku2080B411Utilisation du rayonnement Cu K&alpha ; à 40 kV et 40 mA

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Fabrication de films sans trousajustement de la bande interditeespace de composition des halog nurestechnique de la rampe Schlenkm thode de d p t par centrifugationconversion en phase vapeuranalyse par diffraction des rayons Xmicroscopie lectronique balayage

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