Articolo metodologico

Soluzione di elaborazione "Silver-bismuto-iodio" ternario pellicole sottili per assorbitori di piombo fotovoltaici

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 settembre 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

In questo articolo

Sommario

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Qui, presentiamo protocolli dettagliati per soluzione-elaborati argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) ternario semiconductor film sottili fabbricato su TiO2-rivestito elettrodi trasparenti e loro potenziale applicazione come aria-stabile e privo di piombo dispositivi optoelettronici.

Abstract

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PEROVSKITI ibride basate su bismuto sono considerati promettenti fotoattivi semiconduttori per applicazioni di celle solari rispettosi dell'ambiente e aria-stabile. Tuttavia, povere morfologie di superficie e relativamente alta bandgap energie hanno limitato il loro potenziale. Argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) è un semiconduttore promettente per dispositivi optoelettronici. Di conseguenza, dimostriamo la fabbricazione di Ag-Bi-I ternario film sottile, utilizzando l'elaborazione materiale soluzione. Film sottili risultante presentano morfologie di superficie controllate e ottica bandgaps secondo loro termico temperature di ricottura. Inoltre, è stato segnalato che Ag-Bi-I sistemi ternari cristallizzare a Roberta2ho7, Ag2BiI5, ecc. secondo il rapporto di precursori chimici. La soluzione elaborata Roberta2ho7 pellicole sottili esibiscono una struttura di cristallo cubico-fase, dense, privo di foro stenopeico morfologie di superficie con grani che variano nel formato da 200 a 800 nm e un bandgap indiretta di 1,87 eV. Il risultante Roberta27 pellicole sottili Visualizza una buona aria diagrammi banda stabilità ed energia, nonché di superficie morfologie e ottica bandgaps adatto per le celle solari di singola giunzione lead-free e aria-stabile. Molto recentemente, una cella solare con efficienza di conversione di potenza 4,3% è stata ottenuta ottimizzando le composizioni di Ag-Bi-I cristallo e architetture di dispositivo di celle solari.

Introduzione

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Soluzione di elaborazione inorganiche celle solari a film sottile sono stati ampiamente studiate da molti ricercatori che cercano di convertire la luce solare direttamente in energia elettrica1,2,3,4,5. Con lo sviluppo di architettura materiale di sintesi e dispositivo, perovskiti basati su alogenuri di piombo sono stati segnalati per essere i migliori assorbitori di celle solari con un'efficienza di conversione di energia (PCE) superiore a 22%5. Tuttavia, ci sono crescenti preoccupazioni circa l'uso di piombo tossico, così come problemi di stabilità del piombo-alogenuro perovskite stessa.

Recentemente è stato segnalato che perovskiti ibride basate su bismuto possono essere formato incorporando i cationi monovalenti in un'unità complessa di ioduro di bismuto e che questi possono essere usati come assorbitore di fotovoltaici in mesoscopici cella solare architetture6, 7,8. Il cavo nelle perovskiti può essere sostituito con bismuto, che ha il 6s2 coppia solitaria esterno; Tuttavia, metodologie ad alogenuri di piombo finora soltanto convenzionali sono stati utilizzati per perovskiti ibride basate su bismuto con strutture di cristallo complesso, nonostante il fatto che essi hanno diversi Stati di ossidazione e proprietà chimiche9. Inoltre, queste perovskiti hanno scarse superficie morfologie e producono film relativamente spesso nel contesto di applicazioni per dispositivi a film sottile; Pertanto, essi hanno un scarso rendimento fotovoltaico con spacco della fascia alta energia (> 2 eV)6,7,8. Così, abbiamo cercato di trovare un nuovo metodo per produrre film sottile semiconduttori basati su bismuto, che sono rispettosi, aria-stabile, e hanno energia basso band-gap (< 2 eV), considerando il design dei materiali e la metodologia.

Vi presentiamo la soluzione elaborata Ag-Bi-I ternario film sottili, che può essere cristallizzato a Roberta27 e Ag2BiI5, per semiconduttori lead-free e aria-stabile10,11. In questo studio per Roberta2I7 composizione, n-butilammina è utilizzato come solvente per dissolvere simultaneamente l'ioduro d'argento (AgI) e bismuto ioduro (BiI3) precursori. La miscela è spin-cast e ricotto a 150 ° C per 30 min in un N2-riempito portaoggetti; Successivamente, i film vengono temprati a temperatura ambiente. I film sottili risultanti sono marrone-nero a colori. Inoltre, la morfologia superficiale e la composizione di cristallo di Ag-Bi-I sistemi ternari sono controllati dalla temperature di ricottura e rapporto di precursore di AgI/BiI3. Roberta risultante2ho7 pellicole sottili presentano una struttura cristallina cubica fase, morfologie di superficie dense ed omogenea con grani di 200-800 nm in dimensioni grandi e un gap di banda ottica di 1,87 eV a partire di assorbire la luce da una lunghezza d'onda di 740 nm . Recentemente è stato segnalato che ottimizzando le composizioni di cristallo e architettura dei dispositivi, Ag-Bi-I ternarie film sottile celle solari possono raggiungere un PCE del 4,3%.

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Protocollo

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1. preparazione del nudo-vetro, drogato con fluoro ossido di stagno (SnO2: F) substrati

  1. Per pulire il vetro nudo, substrati drogati con fluoro ossido di stagno (FTO), li Sonicare in sequenza in una soluzione acquosa contenente 2% Triton, deionizzata (DI) acqua, acetone e alcool isopropilico (IPA), ciascuno per 15 min.
  2. Mettere i substrati puliti in riscaldamento forno a 70 ° C per 1 h rimuovere il residuo IPA.

2. preparazione del compatto TiO2 strati (c-TiO2) per bloccare gli elettroni

  1. Per la preparazione di una soluzione di precursore di c-TiO2 , drop 0,74 mL di titanio isopropossido (TTIP) lentamente in 8 mL di etanolo anidro (EtOH), mentre mescolando vigorosamente e poi iniettare rapidamente 0,06 mL di acido cloridrico (HCl) nella soluzione. Agitare la soluzione risultante durante la notte a temperatura ambiente.
    Nota: Utilizzare un flaconcino di vetro da 20 mL, una concentrazione di 35-37% di HCl e un agitatore magnetico.
  2. Filtrare la soluzione di precursore di preparati c-TiO2 utilizzando una siringa e un 0,2 µm-poro-Dimensione filtro, rilasciarlo sul substrato FTO pulito e poi spin-cast al substrato, a 3.000 giri/min per 30 s.
  3. Termicamente-tempra i substrati da loro riscaldamento in un forno a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente.
  4. Mettere a bagno i substrati in soluzione acquosa 0,12 M titanio tetracloruro (TiCl4) a 70 ° C per 30 min e poi lavarle accuratamente con acqua distillata per rimuovere qualsiasi residuo di TiCl4.
  5. Termicamente-tempra i substrati a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente per un miglioramento interfaccia dello strato2 c-TiO. Memorizzare il risultante c-TiO2-rivestito substrati in N2-riempito condizioni fino all'utilizzo.

3. preparazione di mesoporosi TiO2 strati (m-TiO2) per migliorare l'estrazione di elettroni

  1. Per la preparazione di una soluzione di precursore di2 m-TiO, aggiungere 1 g di 50 nm e medie TiO2 nanoparticella incollare (SC-HT040) di un flaconcino di vetro da 10 mL con 3,5 g di 2-propanolo e 1 g di Terpineolo e poi mescolate tutto fino a quando la pasta è perfettamente sciolto.
    Nota: I 50 nm e medie TiO2 pasta nanoparticella è altamente viscoso e deve essere maneggiato con attenzione usando una spatola.
  2. Spin-cast 200 µ l di 50 nm e medie TiO2 nanoparticella incolla soluzione preparata a 5.000 giri/min per 30 s sul c-TiO2-rivestito substrati FTO.
  3. Termicamente-tempra i substrati risultanti in un forno a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente.
  4. Immergere i substrati nella soluzione acquosa 0,12 M TiCl4 a 70 ° C per 30 min e poi lavarli completamente utilizzando dell'acqua distillata per rimuovere qualsiasi residuo di TiCl4.
  5. Termicamente-tempra i substrati a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente per un interfaccia miglioramento del livello di2 m-TiO. Archivio il risultante c-TiO2- e m-TiO2-rivestito substrati in N2-riempito condizioni fino a quando non utilizzato.

4. fabbricazione di Roberta2ho7 film sottili

  1. Trattare i substrati di vetro nudo sotto una lampada a raggi ultravioletto (UV) con un'intensità di 45cm mA2 con un ozono UV pulitore per 10 min garantire che i substrati sono pulite e idrofili. Non trattare il c - e m-TiO2-rivestito substrati FTO con l'ozono UV pulitore.
    Nota: diffrazione di raggi x (XRD), assorbanza e gli spettri di Fourier infrarossi (FT-IR) sono stati studiati usando Ag-Bi-I film sottili fabbricati su substrati di vetro nudo. Il c - e m-TiO2-substrati rivestiti FTO sono stati utilizzati per dispositivi a celle solari.
  2. Vigorosamente vortice 0,3 g di BiI3 (0.5087 mmol), 0,06 g di AgI (0,2544 mmol), e 3 mL di n-butilammina fino a quando tutto è completamente sciolta e quindi filtro per siringa la miscela utilizzando un 0,2 µm-poro-dimensione del politetrafluoroetilene (PTFE) del filtro.
  3. Rilasciarli 200 µ l della soluzione precursore sui substrati e quindi spin-cast a 6.000 rpm per 30 s con un umidità controllata sotto il 20%. Trasferire immediatamente il film rosso-giallastro risultante a un N2-riempito portaoggetti pronto per ricottura termica.
  4. Iniziare la ricottura termica del film risultante a temperatura ambiente, poi il film a 150 ° C di calore e mantenere una temperatura di 150 ° C per 30 min. placare rapidamente il film ricotto a temperatura ambiente. Il finale del film avrà un colore lucido e marrone-nero. Per placare rapidamente il substrato ricotto, rimuoverlo dalla piastra calda che è stata impostata a 150 ° C.
  5. Per Ag-Bi-I ternari pellicole sottili di una composizione diversa, ad esempio Ag2BiI5, modificare il rapporto molare di precursore di AgI a BiI3 da 1:2 a 2:1 e utilizzare lo stesso volume del solvente n-butilammina. Tempri la pellicola risultante utilizzando il metodo sopra descritto.
  6. Per studiare la temperatura-dipendente Ag-Bi-I formazione utilizzando modelli XRD, spettri FT-IR, morfologie di superficie e spettri di assorbanza, utilizzare termiche temperature di ricottura di 90, 110 e 150 ° C per l'Ag-Bi-I ternario film sottili.

5. fabbricazione di celle solari escogita utilizzando Roberta2ho7 film sottili

  1. Utilizzare poly(3-hexylthiophene) (P3HT) come un buco-il trasporto di materiale in Luca2ho7 celle solari a film sottile. Aggiungere 10 mg di P3HT a 1 mL di clorobenzene e poi mescolare la miscela a 50 ° C per 30 min finché il P3HT è perfettamente sciolto. Filtrare utilizzando un filtro PTFE 0,2 µm-poro-dimensione. Preparare e conservare il P3HT in un N2-riempito portaoggetti.
  2. Goccia 100 µ l della P3HT dissolto in clorobenzene imbocca la Roberta2ho7 pellicole sottili fabbricati sul c - e m-TiO2-rivestito substrati FTO e poi spin-cast i substrati a 4.000 giri/min per 30 s in un N2-riempito portaoggetti. Termicamente-tempra il film P3HT a 130 ° C per 10 min per l'orientamento strutturale del P3HT.
  3. Utilizzare un evaporatore termale con un tasso di deposizione di 0,5 Å / s e un bar modello maschera forata per depositare 100 elettrodi nm di spessore oro (Au), come un metallo superiore contatto in Luca2I7 celle solari a film sottile.

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Risultati

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È stato segnalato che l'Ag-Bi-I sistemi ternari, che sono considerare come promettente semiconduttori, sono cristallizzati in varie composizioni, come Roberta27, AgBiI4e Ag2BiI510, secondo il rapporto molare di AgI a BiI3. Precedenti studi hanno dimostrato che forme cristalline di massa con varie composizioni di Ag-Bi-I sistemi ternari possono essere sintetizzate sperimentalmente modificando il rappo...

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Discussione

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Abbiamo fornito un protocollo dettagliato per la realizzazione di soluzione di Ag-Bi-I semiconduttori ternari, che devono essere sfruttati come assorbitori di piombo fotovoltaici nelle celle solari a film sottile con architetture di dispositivo mesoscopica. c-TiO2 strati sono stati formati su substrati FTO per evitare perdite di elettroni che scorre in elettrodi FTO. m-TiO2 strati in sequenza sono stati formati su c-TiO2-rivestito substrati FTO per migliorare le estrazioni di elettroni ge...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato da Daegu Gyeongbuk Istituto di scienza e tecnologia (DGIST) ricerca e sviluppo (R & D) programmi del Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione di Corea (18-ET-01). Questo lavoro è stato supportato anche da Istituto Corea di valutazione di tecnologia energetica e Planning(KETEP) e il Ministero del commercio, industria & Energy(MOTIE) della Repubblica di Corea (No. 20173010013200).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Ioduro di bismuto (III), Puratronic, 99,999% (base metallica)Afa Aesar7787-64-6conservato in condizione riempita di N2
Ioduro d'argento, Premion, 99,999% (base metallica)Afa Aesar7783-96-2conservato in condizione riempita con N2
Butilammina 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Alcool isopropilico (IPA)Duksan67-63-0elettrico di alta purezza
Sigma-Aldrich546-68-9≥ 97,0%
Alcool etilicoSigma-Aldrich64-17-5200 proof, reagente ACS, ≥ 99,5%
Acido cloridricoSAMCHUN7647-01-0
Tetracloruro di titanio extra puro (TiCl4)sharechem
Pasta di nanoparticelle TiO2 di dimensioni 50nmsharechem
2-propanoloSigma-Aldrich67-63-0anidro, 99,5%
TerpineoloMerck8000-41-7
Forno di riscaldamentoDiffrazione
DiffrattometroRigakuMiniflex 600 con contatore a scintillazione NaI e che utilizza radiazioni Cu-K&alfa
monocromatizzate (lunghezza d'onda 1,5406 & Aring).
BrukerBruker Tensor 27
(FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
PerkinElmerPerkinSpettrofotometro ELMER LAMBDA 950
Spettroscopia
fotoelettronica ultravioletta (UPS)RBDPHI5500 sistema multi-tecnica
Isopropossido di titanio (IV) di raggi X AHTECH al plasma di ossigeno (O2) WiseTherm Microscopio elettronico a scansione a scansione a emissione di campo Spettri UV-Vis Strumenti

Riferimenti

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