Article de méthode

Solution-traité « Silver-Bismuth-iode » ternaire minces pour absorbeurs photovoltaïques sans plomb

DOI :

10.3791/58286

⸱

27 septembre 2018

 ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous présentons des protocoles détaillés pour traitées-solution argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) ternaire semiconductor fabriquées sur TiO2couches minces-enduit des électrodes transparentes et leurs applications potentielles comme stable à l’air et sans plomb dispositifs optoélectroniques.

Résumé

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

Pérovskites hybride à base de bismuth sont considérées comme prometteuses photo-actifs semiconducteurs pour des applications de cellule solaire respectueuse de l’environnement et stable à l’air. Cependant, mauvaises surfaces morphologies et énergies bandgap relativement élevés ont limité leur potentiel. Argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) est un semi-conducteur prometteur pour dispositifs optoélectroniques. Par conséquent, nous démontrons la fabrication des Ag-Bi-I ternaires films minces à l’aide de traitement de la solution matérielle. Les films minces qui en résulte pièce morphologies de surface contrôlées et minimiséedans optique selon leur thermique température de recuit. En outre, il a été rapporté que Ag-Bi-I systèmes ternaires se cristallisent à amelie2j’ai7, Ag2BiI5, etc. en fonction du rapport des précurseurs chimiques. La solution-traité amelie2j’ai7 films minces présentent une structure cristalline cubique-phase, morphologies surfaces denses, pinhole-free avec des grains d’une taille allant de 200 à 800 nm et une à bande interdite indirecte de 1,87 eV. La résultante d’amelie2j’ai7 films minces Voir la bonne stabilité et énergie des diagrammes de bande de l’air, ainsi que de surface morphologies et optique minimiséedans convenant sans plomb et stable à l’air simple-jonction des cellules solaires. Très récemment, une cellule solaire avec efficacité de conversion énergétique de 4,3 % a été obtenue en optimisant les compositions de cristal Ag-Bi-I et les architectures de dispositif de pile solaire.

Introduction

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Solution-traité des cellules solaires minces inorganiques ont été largement étudiés par de nombreux chercheurs qui cherchent à convertir la lumière du soleil directement en électricité1,2,3,4,5. Avec le développement de l’architecture matérielle de synthèse et dispositif, pérovskites axée sur l’iodure de plomb ont été signalés à être les meilleurs absorbeurs de cellules solaires avec une efficacité de conversion énergétique (PCE) supérieure à 22 %5. Toutefois, il se développent préoccupations au sujet de l’utilisation du plomb toxique, ainsi que des problèmes de stabilité de perovskite de plomb-halogénure lui-même.

On a récemment signalé que hybride basé sur bismuth pérovskites peuvent se former en incorporant des cations monovalents dans une unité complexe iodure de bismuth et que ceux-ci peuvent être utilisés comme absorbeurs photovoltaïques mésoscopique photopile architectures6, 7,8. Le plomb dans les pérovskites peut être remplacé avec du bismuth, qui a la 6 s2 doublet externe ; Cependant, méthodologies d’halogénure plomb jusqu’ici seulement conventionnels ont servi à pérovskites hybride à base de bismuth avec les structures cristallines complexes, malgré le fait qu’ils ont des États d’oxydation différents et propriétés chimiques9. En outre, ces pérovskites ont des morphologies surfaces pauvres et produisent des films relativement épaisses dans le contexte d’applications de périphérique minces ; par conséquent, ils ont une piètre performance photovoltaïque avec bande interdite haute énergie (> 2 eV)6,7,8. Ainsi, nous avons cherché à trouver une nouvelle méthode pour produire axée sur le bismuth minces semi-conducteurs qui sont respectueuses de l’environnement, stable à l’air, et ont de l’énergie faible bande interdite (< 2 eV), compte tenu de la conception matérielle et la méthodologie.

Nous présentons la solution-traitées Ag-Bi-I ternaires minces, qui peuvent être cristallisé à amelie2j’ai7 et Ag2BiI5, pour les semi-conducteurs sans plomb et stable à l’air10,11. Dans cette étude pour le Julien2, j’ai7 composition, n-butylamine est utilisé comme solvant pour dissoudre simultanément l’iodure d’argent (AgI) et de bismuth iodure (BiI3) précurseurs. Le mélange est spin-cast et recuits à 150 ° C pendant 30 min dans un N2-remplis la boîte à gants ; par la suite, les films sont trempés à température ambiante. Les films minces qui en résultent sont brun-noir en couleur. En outre, la morphologie de la surface et la composition de cristal des systèmes ternaires Ag-Bi-I sont contrôlés par la température de recuit et rapport précurseur AgI/BiI3. La résultante d’amelie2j’ai7 films minces présentent une structure cristalline de phase cubique, morphologies surfaces denses et lisses avec gros grains de 200 à 800 nm en taille et un espace de bande optique de 1,87 eV commence à absorber la lumière de longueur d’onde de 740 nm . Récemment, il a été signalé qu’en optimisant les compositions de cristal et l’architecture de l’appareil, Ag-Bi-I ternaires couche mince des cellules solaires peut atteindre un PCE de 4,3 %.

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Protocole

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1. préparation du verre nu, dopé au fluor oxyde d’étain (SnO2: F) substrats

  1. Pour nettoyer le verre nu, substrats d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO), les ultrasons séquentiellement dans une solution aqueuse contenant 2 % Triton, désionisée (DI) l’eau, l’acétone et l’alcool isopropylique (IPA), chacun pendant 15 min.
  2. Mettre les substrats nettoyés dans le four de chauffage à 70 ° C pendant 1 h supprimer le IPA résiduelle.

2. préparation de TiO Compact2 couches (c-TiO2) pour bloquer les électrons

  1. Pour la préparation d’une solution de précurseur de2 c-TiO, supprimez 0,74 mL de titane isopropylate (faite) lentement en 8 mL d’éthanol anhydre (EtOH) tout en remuant vigoureusement et puis rapidement injecter 0,06 mL d’acide chlorhydrique (HCl) dans la solution. Agiter la solution résultante du jour au lendemain à la température ambiante.
    Remarque : Utiliser un flacon de verre de 20 mL, une concentration de 35 à 37 % de HCl et un agitateur magnétique.
  2. Filtrer la solution de précurseur de2 c-TiO préparés à l’aide d’une seringue et un filtre à 0,2 µm-pores, déposez-le sur le substrat FTO nettoyé et puis rotation moulé le substrat à 3 000 tr/min pendant 30 s.
  3. Thermiquement-recuire les substrats en les chauffant au four à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante.
  4. Tremper les substrats dans une solution aqueuse à 0,12 M titane tétrachlorure (TiCl4) à 70 ° C pendant 30 min et puis laver soigneusement avec l’eau distillée pour enlever tout résidu de TiCl4.
  5. Thermiquement-recuire les substrats à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante pendant une amélioration interfaciale de la couche2 de c-TiO. Stocker le résultat c-TiO2-enduit de substrats en N2-rempli les conditions jusqu'à l’utilisation.

3. préparation de mésoporeux TiO2 couches (m-TiO2) pour améliorer l’Extraction des électrons

  1. Pour la préparation d’une solution de précurseur de2 m-TiO, ajoutez 1 g de 50 nm de moyennes TiO2 NANOPARTICULE coller (SC-HT040) pour un flacon de verre de 10 mL avec 3,5 g de propanol-2 et 1 g de terpinéol et puis tout mélanger jusqu'à ce que la pâte soit parfaitement dissout.
    Remarque : Les 50 nm taille TiO2 pâte nanoparticule est très visqueux et doit être manipulés avec précaution à l’aide d’une spatule.
  2. Spin-cast 200 µL de la 50 nm taille TiO2 NANOPARTICULE pâte solution préparée à 5 000 tr/min pendant 30 s sur le c-TiO2-enduit de substrats de la FTO.
  3. Thermiquement-recuire les substrats qui en résulte dans un four à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante.
  4. Tremper les substrats dans la solution aqueuse, 0,12 M TiCl4 à 70 ° C pendant 30 min et puis lavez-les complète à l’aide de l’eau distillée pour enlever tout résidu de TiCl4.
  5. Thermiquement-recuire les substrats à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante pendant une amélioration interfaciale de la couche de2 m-TiO. Magasin la résultant c-TiO2- et m-TiO2-enduit de substrats en N2-rempli les conditions jusqu'à utilisation.

4. fabrication d’amelie2j’ai7 Films minces

  1. Traiter les substrats de verre nu sous une lampe ultraviolette (UV) avec une intensité de 45 mA/cm2 avec une ozone UV nettoyant pendant 10 min pour s’assurer que les substrats sont propres et hydrophile. Ne pas traiter le c - et m-TiO2-enduit de substrats FTO avec l’ozone UV nettoyant.
    NOTE : diffraction des rayons x (DRX), absorbance, transformée de Fourier spectres et infrarouges (IR-TF) ont été étudiés à l’aide d’Ag-Bi-I films minces fabriquées sur des substrats de verre nu. Le c - et m-TiO2-substrats revêtus de FTO ont été utilisées pour les dispositifs de la cellule solaire.
  2. Vigoureusement vortex 0,3 g de BiI3 (0.5087 mmol), 0,06 g de mga (0.2544 mmol), et 3 mL de n-butylamine jusqu'à ce que tout soit complètement dissout et de filtre de seringue puis le mélange en utilisant un 0,2 µm-pores polytétrafluoroéthylène (PTFE) du filtre.
  3. Déposer 200 µL de la solution de précurseur sur les substrats et puis rotation moulé à 6 000 tr/min pendant 30 s avec une humidité contrôlée inférieure à 20 %. Transférer immédiatement le film rouge-jaunâtre qui en résultent à un N2-rempli de boîte à gants prêt pour recuit.
  4. Commencer le recuit thermique du film qui en résulte à température ambiante, puis chauffer le film à 150 ° C et maintenir une température de 150 ° C pour 30 min. étancher rapidement le film recuit à température ambiante. Le film final aura une couleur brun-noir et brillante. Pour rapidement étancher le substrat recuit, retirez-la de la plaque chauffante qui a été fixée à 150 ° C.
  5. Pour Ag-Bi-I ternaires minces d’une composition différente, par exemple, Ag2BiI5, le rapport molaire de précurseur de l’AgI par BiI3 de 1:2 à 2:1 et utiliser le même volume de solvant n-butylamine. Recuire le film résultant à l’aide de la méthode décrite ci-dessus.
  6. Pour étudier la fonction de la température Ag-Bi-I formation à l’aide de schémas XRD, spectres FT-IR, surfaces morphologies et spectres d’absorbance, utiliser des températures de recuit thermiques de 90, 110 et 150 ° C pour les films minces ternaires de l’Ag-Bi-I.

5. fabrication de cellules solaires conçoit à l’aide de julien2j’ai7 Films minces

  1. Utilisez poly(3-hexylthiophene) (P3HT) comme matériau de trou-transport à la Dario2j’ai7 couche mince des cellules solaires. Ajouter 10 mg de P3HT à 1 mL de chlorobenzène et puis remuez le mélange à 50 ° C pendant 30 min jusqu'à ce que le P3HT a parfaitement dissout. Filtrer à l’aide d’un filtre en PTFE 0,2 µm-pores. Préparer et stocker le P3HT dans un N2-remplis la boîte à gants.
  2. Déposer 100 µL de la P3HT dissous dans chlorobenzène sur la amelie2j’ai7 couches minces fabriquées sur le c - et m-TiO2-FTO substrats revêtus et puis essorage-cast les substrats à 4 000 tr/min pendant 30 s dans un N2-remplis la boîte à gants. Thermiquement-recuire le film P3HT à 130 ° C pendant 10 min pour l’orientation structurelle du P3HT.
  3. Utiliser un évaporateur thermique avec une vitesse de déposition de 0.5 Å / s et un bar modèle masque d’ombre à déposer 100 électrodes nm d’épaisseur or (Au) comme un métal haut de la page contact de julien27 couche mince des cellules solaires.

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Résultats

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Il a été signalé que les Ag-Bi-I systèmes ternaires, qui sont considérées comme prometteuses de semi-conducteurs, sont cristallisées dans des compositions différentes, comme Julien2j’ai7, AgBiI4et Ag2BiI510, conformément à le rapport molaire des MGA à BiI3. Des études antérieures ont montré que les formes cristallines en vrac avec diverses compositions de systèmes ternaires Ag-Bi-I peuvent être expér...

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Discussion

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Nous avons fourni un protocole détaillé pour la fabrication de la solution de Ag-Bi-I semi-conducteurs ternaires, qui devront être exploités comme absorbeurs de plomb photovoltaïques en couche mince des cellules solaires avec des architectures de dispositif mésoscopique. c-TiO2 couches sont forment sur des substrats de la FTO pour éviter les fuites d’électrons qui se jettent dans les électrodes de la FTO. m-TiO2 couches se forment successivement sur c-TiO2-enduit de substrats de la FTO po...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par la Daegu Gyeongbuk Institut de Science et technologie (DGIST) programmes de recherche et développement (R & D) du ministère de la Science, TIC et futur Planning de Corée (18-ET-01). Ce travail a été également soutenu par l’Institut d’évaluation de la Energy Technology Corée et Planning(KETEP) et le ministère du commerce, industrie & Energy(MOTIE) de la République de Corée (n° 20173010013200).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Iodure de bismuth(III), Puratronic, 99,999 % (à base de métaux)Afa Aesar7787-64-6stocké à l’état N2 Iodure
d’argent, Premion, 99,999 % (à base de métaux)Afa Aesar7783-96-2stocké à l’état chargé
en N2 Butylamine 99,5 %Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Alcool isopropylique (IPA)Duksan67-63-0Électrique Haute Pureté GRADE
Titane (IV) isopropoxydeSigma-Aldrich546-68-9&ge ; Alcool éthylique à 97,0 %
Sigma-Aldrich64-17-5200 proof, réactif ACS, &ge ; 99,5 %
Acide chlorhydriqueSAMCHUN7647-01-0
Tétrachlorure de titane extra pur (TiCl4)sharechem
Pâte de nanoparticules de TiO2 de taille 50 nmsharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0anhydre, 99,5 %
TerpinéolMerck8000-41-7
Four chauffantWiseTherm
Oxygen (O2) plasmaAHTECH
XRD)Diffractomètre Rigaku Rigaku Miniflex 600 avec compteur à scintillation NaI et utilisant un rayonnement monochromatisé Cu-K & alpha ;
(longueur d’onde 1,5406 & Aring ;).
BrukerBruker Tensor 27
(FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
Spectres UV-VisPerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Spectrophotomètre Spectroscopie
ultraviolette photoélectronique (UPS)InstrumentsPHI5500 Système multitechnique
Diffraction des rayons X (XRD) (Spectrophotomètre à balayage à émission de champ RBD

Références

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