Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

הפתרון-מעובד "סילבר-ביסמוט-יוד" Ternary סרטים רזה עבור בולמי נטול עופרת פוטו

Published: September 27, 2018 doi: 10.3791/58286
Automatic Translation
1,2, 1, 1
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

Summary

במסמך זה, אנו מציגים נתונים היסטוריים פרוטוקולים עבור פתרון-מעובד כסף-ביסמוט-יוד (Ag-Bi-I) ternary מוליכים למחצה סרטים רזה מפוברק TiO2-מצופה אלקטרודות שקופות, שלהם פוטנציאל יישום אוויר-יציב, נטול עופרת מעגל התקנים.

Abstract

Perovskites מבוססי ביסמוט היברידית נחשבים מבטיחים צילום פעיל מוליכים למחצה עבור יישומים ידידותיים לסביבה, אוויר יציב תא פוטו-וולטאי. עם זאת, מורפולוגיות משטח מסכן ואנרגיות גבוהות יחסית bandgap מוגבלת הפוטנציאל שלהם. כסף-ביסמוט-יוד (Ag-Bi-I) הוא מוליך למחצה מבטיח עבור התקנים מעגל. לכן, נדגים הזיוף של Ag-Bi-אני ternary דק סרטים באמצעות עיבוד פתרון גשמי. הסרטים דק וכתוצאה מכך התערוכה מורפולוגיות משטח מבוקרת, bandgaps אופטי לפי שלהם תרמי חישול טמפרטורות. בנוסף, דווח כי מערכות ternary Ag-Bi-אני להתגבש AgBi2אני7, Ag2BiI5, ועוד על פי יחס חומרים כימיקלים. AgBi פתרון-מעובד2אני7 סרטים רזה התערוכה מבנה מעוקב-פאזי קריסטל, צפוף, ללא חריר מורפולוגיות משטח עם גרגרים החל בגודל של 200 עד 800 nm, ו bandgap עקיפה של 1.87 eV. תוצאות AgBi27 סרטים רזה הצג טוב אוויר יציבות ואנרגיה דיאגרמות הלהקה, כמו גם על פני השטח מורפולוגיות, bandgaps אופטי מתאים תאים סולריים יחיד-צומת נטול עופרת, אוויר יציב. ממש לאחרונה, תא סולארי עם 4.3% כוח יעילות ההמרה הושג על-ידי מיטוב Ag-Bi-אני קריסטל יצירות וארכיטקטורות התקן תא פוטו-וולטאי.

Introduction

הפתרון-מעובד אורגניים סרט דק השמש תאים נחקרו באופן נרחב על ידי חוקרים רבים המבקשים להמיר את אור השמש ישירות לתוך חשמל1,2,3,4,5. עם התפתחות האדריכלות סינתזה והתקן גשמי, עופרת מבוסס-הליד perovskites דווחו להיות בולמי תא פוטו-וולטאי הטובה ביותר עם כוח יעילות ההמרה (PCE) גדול מ- 22%5. עם זאת, שם גדל חששות לגבי השימוש של עופרת רעילה, כמו גם בעיות יציבות של פרוביסקיט עופרת-הליד עצמה.

לאחרונה דווח כי perovskites היברידית מבוססי ביסמוט יכול להיווצר על ידי שילוב קטיונים monovalent לתוך יחידה מורכבים של יודיד ביסמוט, כי אלה יכולים לשמש בתור בולמי פוטו mesoscopic תא פוטו-וולטאי ארכיטקטורות6, 7,8. התפקיד הראשי perovskites יכול להיות מוחלף עם ביסמוט, שבו יש את השש2 החיצוני קושרים; עם זאת, עופרת המקובלת עד כה רק הליד מתודולוגיות שימשו perovskites מבוססי ביסמוט היברידית עם מבנים מורכבים קריסטל, למרות העובדה כי יש להם מדינות חמצון שונים ומאפיינים כימיים9. בנוסף, perovskites אלה יש עניים מורפולוגיות משטח ולייצר סרטים עבה יחסית בהקשר של יישומי התקן סרט דק; לכן, יש להם הופעה פוטו המסכן עם הלהקה גבוהה-פער אנרגיה (> 2 eV)6,7,8. לפיכך, אנו ביקשו למצוא שיטה חדשה לייצור מוליכים סרט דק מבוסס-ביסמוט, אשר אוויר יציב, ידידותי לסביבה, ויש פס נמוך-פער אנרגיה (< 2 eV), בהתחשב מתודולוגיה ועיצוב גשמי.

אנו מציגים פתרון-מעובד Ag-Bi-אני ternary סרטים רזה, אשר יכול להיות גיבש AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5, מוליכים למחצה נטול עופרת ויציב אוויר10,11. זה ללמוד AgBi2אני קומפוזיציה7 , n-butylamine משמש של הממס להתמוסס בו זמנית את יודיד הכסף (AgI) ואת ביסמוט יודיד (BiI3) סימנים מקדימים. התערובת הוא ספין-שחקנים ו annealed ב 150 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות N2-מלא הכפפות; לאחר מכן, הסרטים הם מתרצה לטמפרטורת החדר. הסרטים דק תוצאות הם בצבע חום-שחור בצבע. בנוסף, מורפולוגיה של פני השטח של הרכב קריסטל של Ag-Bi-אני ternary מערכות נשלטים על ידי טמפרטורות מחזק ויחס קודמן של אגי/BiI3. AgBi שנוצר2אני7 סרטים רזה התערוכה מבנה גבישי שלב מעוקב, מורפולוגיות משטח צפופה וחלקה עם גרגירים גדולים של 200-800 nm, גודל, והפער של הלהקה אופטי של eV 1.87 מתחיל לקלוט אור אורך גל של 740 nm . לאחרונה דווח כי על-ידי מיטוב קריסטל יצירות ואדריכלות התקן, Ag-Bi-אני ternary סרט דק תאים סולריים ניתן להשיג PCE של 4.3%.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת חשופים-זכוכית, פלואור-מסטול פח אוקסיד (סנובורד2: F) מצעים

  1. כדי לנקות את הזכוכית חשופים, מצעים מסטול פלואור תחמוצת בדיל (FTO), sonicate אותם ברצף בתמיסה המימית המכיל 2% טריטון יונים (DI), אצטון ומים אלכוהול איזופרופיל (IPA), כל אחד למשך 15 דקות.
  2. שים את סובסטרטים נקי בתנור חימום ב 70 ° C עבור h 1 כדי להסיר את שאריות IPA.

2. הכנה של TiO קומפקטי2 שכבות (c-טיו2) כדי לחסום את האלקטרונים

  1. עבור הכנת פתרון קודמן2 c-טיו, ירידה מ 0.74 ל isopropoxide טיטניום (TTIP) לאט לאט לתוך 8 מ"ל אתנול נטול מים (EtOH) בעוד לערבב נמרצות, ולאחר מכן הוסף במהירות 0.06 מ של חומצת מלח (HCl) לתוך הפתרון. מוסיפים את הפתרון שיתקבל ללילה בטמפרטורת החדר.
    הערה: השתמש בקבוקון זכוכית 20 מ"ל HCl בריכוז 35-37%, של פגים.
  2. לסנן את הפתרון קודמן2 c מוכן-טיו באמצעות מזרק ומסנן מיקרומטר נקבובית-בגודל 0.2, זרוק אותו על גבי המצע FTO נקי, ולאחר מכן ספין-שחקנים המצע ב-3000 סל ד ל 30 s.
  3. תרמית-anneal מצעים ידי חימום אותם בתנור ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר.
  4. להשרות את סובסטרטים 0.12 M טיטניום tetrachloride (TiCl4) תמיסה מימית-70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולאחר מכן לשטוף אותם ביסודיות באמצעות די מים כדי להסיר את כל שאריות TiCl4.
  5. תרמית-anneal סובסטרטים ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר עבור שיפור פנים של השכבה2 c-טיו. לאחסן את c-טיו וכתוצאה מכך2-ציפוי דיאלקטריים N2-מילוי התנאים עד השימוש.

3. הכנה של טיו Mesoporous2 שכבות (m-טיו2) כדי לשפר את הפקת אלקטרון

  1. עבור הכנת פתרון קודמן2 מ'-טיו, להוסיף 1 גר' בגודל ננומטר nanoparticle2 של TiO 50 להדביק (SC-HT040) כדי בקבוקון זכוכית 10 מ עם 3.5 g של 2-פרופנול ו- 1g של terpineol וואז מערבבים עד הדבק יש התפרקה לחלוטין.
    הערה: 50 בגודל ננומטר TiO2 nanoparticle הדבק בעלי צמיגות גבוהה, חייבים להיות בקפידה מטופלים בעזרת מרית.
  2. µL 200 ספין-שחקנים מוכנים 50 בגודל ננומטר TiO2 nanoparticle הדבק הפתרון ב- 5,000 סל ד ל 30 s על גבי ה-c-טיו2-מצופה FTO סובסטרטים.
  3. תרמית-anneal סובסטרטים הנוצרת בתוך תנור ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר.
  4. להשרות את סובסטרטים 0.12 M TiCl4 תמיסה מימית-70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולאחר מכן לשטוף אותם לחלוטין באמצעות די מים כדי להסיר את כל שאריות TiCl4.
  5. תרמית-anneal סובסטרטים ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר עבור שיפור פנים של השכבה2 מ'-טיו. לאחסן c-טיו וכתוצאה מכך2- ו m-טיו2-ציפוי דיאלקטריים N2-מילוי התנאים עד בשימוש.

4. ייצור של AgBi2אני7 סרטים רזה

  1. לפנק את הכוס החשוף סובסטרטים תחת מנורת אולטרה סגול (UV) עוצמה של אמא 45/cm2 עם האוזון UV מנקה 10 דקות להבטיח כי מצעים נקיים, הידרופילית. אל תתייחס ה-c - ו m-טיו2-מצופה FTO מצעים עם האוזון UV מנקה.
    הערה: רנטגן עקיפה (XRD), ספיגת ולאחר התמרת פורייה אינפרא-אדום (FT-IR) ספקטרה נחקרו באמצעות Ag-Bi-אני סרטים רזה מפוברק על זכוכית חשוף סובסטרטים. ה-c - ו m-טיו2-ציפוי דיאלקטריים FTO שימשו עבור התקנים תא פוטו-וולטאי.
  2. נמרצות מערבולת 0.3 גרם BiI3 (0.5087 mmol), 0.06 גרם של אגי (0.2544 mmol), ו- 3 מ"ל של n-butylamine עד הכל היא התפרקה לחלוטין של 0.2 µm-גודל הנקבוביות טפלון (PTFE) לסנן באמצעות מזרק ואז-מסנן התערובת.
  3. ירידה µL 200 של הפתרון קודמן של סובסטרטים ועל ואז ספין-שחקנים אותם ב- 6,000 סל ד ל 30 s עם לחות מבוקרת מתחת ל 20%. מיד להעביר את הסרט צהבהב-אדום תוצאות N2-מלא הכפפות מוכן חישול תרמי.
  4. להתחיל את חישול תרמי של הסרט שנוצר בטמפרטורת החדר, ואז מחממים הסרט עד 150 ° C, לשמור על חום של 150 מעלות במשך 30 דקות במהירות להרוות את הסרט annealed לטמפרטורת החדר. הסרט הסופי יהיה צבע מבריק, בצבע חום-שחור. כדי במהירות להרוות את המצע annealed, הסר אותה ממנה הכיריים אשר היה מוגדרת ל- 150 מעלות צלזיוס.
  5. Ag-Bi-אני ternary דק הסרטים של הרכב שונה, כגון Ag2BiI5, לשנות את היחס טוחנת קודמן של אגי BiI3 מ- 1:2 ל- 2:1 ולהשתמש באותו אמצעי אחסון של הממס n-butylamine. Anneal הסרט שנוצר באמצעות השיטה המתוארת לעיל.
  6. כדי לחקור תלוית טמפרטורה Ag-Bi-אני היווצרות באמצעות XRD דפוסי FT-IR ספקטרה, משטח מורפולוגיות, ספיגת ספקטרה, השתמש תרמי מחזק בטמפרטורה של 90, 110 ו 150 ° C לסרטים Ag-Bi-אני ternary דק.

5. ייצור של תאים סולאריים Devises באמצעות AgBi2אני7 סרטים רזה

  1. השתמש poly(3-hexylthiophene) (P3HT) כחומר הובלת חור AgBi2אני7 סרט דק תאים סולריים. להוסיף 10 מ ג של P3HT ל- 1 מ ל chlorobenzene, ואז מערבבים את התערובת ב 50 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות עד P3HT יש התפרקה לחלוטין. לסנן באמצעות מסנן PTFE 0.2 µm-גודל הנקבוביות. להכין ולאחסן את P3HT N2-מלא את תא הכפפות.
  2. זרוק 100 µL של P3HT מומס chlorobenzene אל AgBi2אני7 סרטים רזה מפוברק על c - ו m-טיו2-מצופה FTO סובסטרטים ולאחר מכן ספין-שחקנים של סובסטרטים ב- 4,000 סל ד ל 30 s N2-מילא את תא הכפפות. תרמית-anneal הסרט P3HT ב 130 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות האוריינטציה מבנית של P3HT.
  3. להשתמש מפזר חום עם קצב התצהיר של 0.5 Å / s ובר תבנית המסיכה צל להפקיד 100 ננומטר בעובי זהב (Au) אלקטרודות מתכת העליון מגע AgBi2אני7 סרט דק תאים סולריים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בעבר דווח כי Ag-Bi-אני ternary, אשר נחשבים מבטיחים מוליכים למחצה, המערכות גיבש בקומפוזיציות שונות, כגון AgBi2אני7, AgBiI4ו- Ag2BiI510, על פי היחס טוחנת של אגי BiI3. מחקרים מוקדמים יותר הראו כי ניתן לייצרו השפעול בצובר טפסים קריסטל עם קומפוזיציות שונות של מערכות ternary Ag-Bi-אני על-ידי שינוי היחס טוחנת של אגי ו BiI3 כי כל הרכב יש לו דפוס שונים XRD10.

בניגוד לקריסטלים בתפזורת, חיפשנו לפתח פתרון-מעובד Ag-Bi-אני ternary סרטים רזה, אשר יכול לשמש ישירות כשכבת פעיל במכשירים מעגל. במחקר זה, n-butylamine היה לשמש הממס בו זמנית להתמוסס אגי ו BiI3 , ואז הכין כל Ag-Bi-אני סרט דק עם יחס טוחנת שונים של אגי BiI3 (1:2, 1:1 ו- 2:1). ראשית, אנחנו ביצעו XRD המידות בכל סרט (איור 1). הדפוסים XRD לסרט Ag-Bi-אני רזה מוכן עם שן טוחנת יחס של 1:2 (AgI:BiI3) הראה לשיא יחיד-2θ ~ 42 מעלות; אפשרות זו מציינת את AgBi2אני7 יש קומפוזיציה גבישי עם מבנה מעוקב (חבורת סימטריות מרחבית Fd3m, = b = c = 12.223 Å). עם זאת, שיא פיצול ניכרה באזור של 2θ ~ 42° כאשר היחס טוחנת של AgI:BiI3 חרג 1:1, הסרט עם שן טוחנת יחס של 2:1 הראו כי Ag2BiI5 יש מבנה משושה (חבורת סימטריות מרחבית R3m, = b = 4.350 Å c = 20.820 Å)10,12.

מדדנו גם ספיגת UV-Vis AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5 דק סרטים אשר הוכנו על מצעים זכוכית (איור 2 א). ברגע ספקטרום בליעה היו מנורמל, את AgBi2אני סרט דק7 נספג אורכי הגל, עד ~ 740 nm, מאשר Ag2BiI5 סרט דק. איור 2 מציג את הדימויים מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה להציג העליונה של כל סרט. המורפולוגיה פני השטח של AgBi2אני סרט דק7 ניתן לראות בבירור, עם גרגרים גדולים, בצבע חום כהה (איור 2b). עם זאת, ה Ag2סרט דק5 BiI מראה תזוזה על החיטים, הנובעים את עודף AgI13,14,15,16, וגוון חום בהיר ( איור 2 c). לכן, בחרנו להשתמש AgBi2אני7 קומפוזיציה ללימוד נוסף, כפי שהוא מתאים יותר דק אלקטרואופטיקה המבוסס על הסרט מבחינת קליטת האור מורפולוגיות השטח מאשר Ag2BiI5 קומפוזיציה .

איור 3a מראה כי התבנית XRD ניסיוני של AgBi פתרון-מעובד2אני סרט דק7 עולה בקנה אחד עם דפוסי XRD שדווחה ומחושב של AgBi2אני7 קריסטלים ללא היווצרות של תיכון שלבים. כאמור, אנחנו אישר כי AgBi2אני סרט דק7 יש מבנה מעוקב (חבורת סימטריות מרחבית Fd3m, = b = c = 12.223 Å). בנוסף, את AgBi2אני7 הסרט הוא מאוד יציב לחות ואוויר ללא שינויים מבניים כאשר הוא מאוחסן באוויר עבור 10 d; זה מובן מכיוון AgI יציב מאוד מימית בינוני (איור 3b)13,14,15,16.

איור 4a מציג סדרה של תבניות XRD לסרטים דקים Ag-Bi-אני כפונקציה של הטמפרטורה מחזק N2-מילוי התנאים. אישרנו זאת Ag-Bi-אני מתחילה להתגבש מעל 90 ° C בצורה של שלב מעוקב, כפי שמוצג על ידי (111), (400), ושל פסגות (440) ב 13° 29°, 42 מעלות, בהתאמה (כלומר, אלה המייצגים הכוכביות ב איור 4a). הפסגות XRD באזורים זווית קטנה (2θ < 10°) הקטינה באופן משמעותי כמו הטמפרטורה גדל, ונעלם לבסוף ב 150 ° C עם העלייה ההדרגתית של שלב מעוקבים diffractions; אפשרות זו מציינת כי AgBi2אני7 הסרט היה מלא גיבש את שלב מעוקב17. ספקטרום FTIR נמדדו על מנת לחקור את היווצרות Ag-Bi-אני המערכות בפירוט (איור 4b). הסרט איך מכינים, שאינם annealed הראה את האותות FTIR עבור N-H מתיחה (3200-3600 ס מ-1), C-H מתיחה (2850-2980 ס מ-1) ו- N-H כיפוף (1450-1650 ס מ-1) אשר נבעה n-butylamine18. אמנם הסרט איך מכינים היה annealed ב 90 מעלות צלזיוס, מעל נקודת הרתיחה של n-butylamine (77-79 ° C), ספקטרום FTIR הראה עדיין הפסגות משויך, למרות שהם ירדו באופן משמעותי. אפשרות זו מציינת הנותרים של n-butylamine היה חייב בחולשה BiI3 ו- AgI בצורה של מתחם halide ממתכת-אמין, לדכא היווצרות של Ag-Bi-אני אבני הבניין על ידי קצה-, הקודקוד או שיתוף הפנים19. אותות אלה FTIR נעלם כמו הטמפרטורה גדל עוד יותר; זה מוסבר על ידי הסרת n-butylamine אשר היה חייב ה BiI3 ל קומפלקסי AgI, אשר קשורה קשר הדוק התגבשויות של AgBi2אני7. בדקנו גם את השטח מורפולוגיות של Ag-Bi-אני הסרטים annealed בטמפרטורה כל כפי שמוצג באיור 4 c. ככל שהטמפרטורה עולה מעל 110 מעלות צלזיוס, Ag-Bi-אני הסרטים בהדרגה מתחילים להתגבש בשלב מעוקב עם גרגרים קטנים, להתגבש באופן מלא עם צפיפות גבוהה ואחידה מורפולוגיות השטח כולל גרגרים גדולים עם הגודל של 200 עד 800 nm (קרי, המספר התגבשות ליחידת שטח היה 4.08 x8 10 #/cm2) ב- 150 מעלות צלזיוס.

מדדנו את ספיגת Ag-Bi-אני רזה הסרטים באמצעות UV-Vis ספקטרוסקופיה על מנת לחקור את השינויים במאפייני אופטי כפונקציה של הטמפרטורה מחזק אופטי. איור 5a מראה הבדל ניכר בקליטת לפני ואחרי חישול תרמי של הסרט. הסרט איך מכינים הראה צבע צהבהב, הציג את ספקטרום הבליעה לשיא אקסיטון ברורה וחדה -474 nm20. ספקטרום הבליעה של הסרטים היו אדום-העביר באופן דרמטי כמו הטמפרטורה מחזק גדל, בסופו של דבר, השגנו על ספקטרום הבליעה סופג מספיק בטווח של האור הנראה (350-740 ננומטר). הפער הלהקה אופטי (Eg) של AgBi2אני ממנו העלילה Tauc באמצעות את משוואת αhv הושג סרט דק7 annealed ב 150 ° C ~ (hv-Eg)1/2, איפה α האנרגיה של פוטון מקדם ספיגה ואין hv . . הנה, Eg מחושב להיות 1.87 eV (איור 5b). השתמשנו גם UV photoelectron ספקטרוסקופיה (UPS) עם הוא אני (21.22 eV) פוטון קווים של מנורת פריקה לחקור את אנרגיית פרמי (Ef) ואת רמת האנרגיה (Ev) הלהקה הערכי של תוצאות AgBi2 הסרט 7 (איור 5 c). על מדידה זו עליות, הסרט הוכן על מצע זהב. Ef נקבע שימוש באנרגיה הקיצוץ (Eהקיצוץ), כמוצג באיור 5 c ו חושבה להיות 5.05 eV באמצעות את המשוואה: Ef = 21.22 eV (הוא אני)-Eהקיצוץ . אקסטרפולציה ליניארית באזור מחייב-אנרגיה נמוכה נותן Ev−Ef ו, לכן, Ev היה נחוש בדעתו להיות 6.2 eV. האנרגיה הלהקה הולכה (Ec) הוערך באמצעות הפער הלהקה אופטי המתקבל העלילה Tauc, אשר אפשרו אותה לשרטט תרשים סכמטי רמת האנרגיה של AgBi2הסרט7 , כפי שמוצג באיור 5 d .

Figure 1
איור 1: קומפוזיציות גבישי שונה של פתרון-מעובד Ag-Bi-אני ternary סרטים רזה. לוח זה מציג דפוסי XRD Ag-Bi-אני סרטים רזה מפוברק באמצעות יחסים טוחנת שונים של אגי BiI3 לאחר חישול תרמי ב-150 º c: (1) 1:2, (2) 2:1 1:1, ו- (3). הדפוסים XRD הפניה של AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5 התקבלו מ- PDF כרטיס מס 00-034-1372 וכרטיס PDF מס 00-035-1025, בהתאמה. תיבת מקווקו מציינת את התבנית XRD העיקרי המשמש לזיהוי של crystallizations שונים של Ag-Bi-אני ternary דק הסרטים. איור זה השתנה מהעבודה על ידי קים. et al. 1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: השוואה בין פתרון-מעובד AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5 דק סרטים. לוח זה () מראה מול UV מנורמל הקליטה ספקטרום של AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5 דק סרטים. שני הלוחות האחרים הם תמונות SEM להציג העליונה של (b) AgBi2אני7 ו- (ג) Ag2BiI5 דק סרטים, שהוכנו על מצעים זכוכית עם יחס טוחנת שונים של מבשרי AgI BiI3. ההזחה של לוחות b ו- c להראות את התמונות צילום של כל סרט דק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: קריסטל יציבות מבנה ואוויר של פתרון-מעובד AgBi2אני7 סרטים רזה. לוח זה () מציג את נתוני שיא XRD ניסיוני AgBi2אני סרט דק7 . ההתייחסות ואת הנתונים XRD מחושב עבור AgBi2אני7 מתקבלים מן PDF כרטיס מס 00-034-1372, תוכנת מחשב וסטה, בהתאמה. (b) חלונית זו מציגה את התוצאות של חקירה היציבות אוויר של AgBi2אני7 סרטים רזה באמצעות מדידה XRD. XRD של AgBi2אני7 נמדד לפני ואחרי המדגם היה מאוחסן באוויר עבור 10 d. איור זה השתנה מהעבודה על ידי קים. et al. 1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: השינוי המבני של Ag-Bi-אני ternary דק סרטים עם תרמית שונים חישול טמפרטורה. אלה מראות ספקטרה XRD (), (b) FTIR ספקטרה ותמונות (c) להציג העליונה SEM של פתרון-מעובד Ag-Bi-אני רזה סרטים כפונקציה של הטמפרטורה מחזק תרמי. הכוכביות ב לוח מציינים XRD מגובשת הראשי פסגות של AgBi2אני7. איור זה השתנה מהעבודה על ידי קים. et al. 1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: bandgap אופטי ואנרגיה הלהקה דיאגרמות של AgBi2אני7 סרטים רזה. העליונות שני מראות () ספקטרום UV-Vis ומתכנן (b) Tauc של Ag-Bi-אני ternary דק סרטים עם טמפרטורת מחזק שונים. (ג) לוח זה מציג את הנתונים UPS באזור מחייב-אנרגיה גבוהה AgBi2אני סרט דק7 annealed ב- 150 מעלות צלזיוס. (ד) זהו ייצוג של דיאגרמה להקת אנרגיה של AgBi2אני סרט דק7 מחושב באמצעות עלילה Tauc UPS. איור זה השתנה מהעבודה על ידי קים. et al. 1. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

סיפקנו פרוטוקול מפורט עבור פתרון הזיוף של Ag-Bi-אני ternary מוליכים למחצה, אשר ניתן לנצל אותה בתור בולמי נטול עופרת פוטו על סרט דק תאים סולריים עם ארכיטקטורות התקן mesoscopic. c-טיו2 השכבות נוצרו על מצעים FTO כדי למנוע דליפה אלקטרונים הזורמים אל האלקטרודות FTO. m-טיו2 השכבות נוצרו ברצף על c-טיו2-מצופה FTO סובסטרטים כדי לשפר את הקוד שיחולץ אלקטרון המופקים על בולמי פוטו (קרי, Ag-Bi-אני רזה הסרטים). C-טיו2 ו- m-טיו2 טופלו TiCl4 פתרונות מימית כדי passivate2 TiO המלכודות פני השטח; זה מוביל לשיפור פנים של כל שכבה2 TiO. הפתרון Ag-Bi-אני קודמן היה מצופה ספין עם הלחות מתוחזק מתחת 20%; זה היה בגלל הממס butylamine יש נקודת רתיחה נמוכה והוא מאוד תגובתי עם הלחות באוויר, אשר יכול משפיעים מאוד על פני השטח המורפולוגיה. תוצאות צהבהב-אדום דק הסרטים היו תרמית-annealed N2-מלא הכפפות כדי להשיג תוצאות חום שחור ומבריק דק הסרטים של AgBi2אני7. כאשר annealed בתנאי הסביבה, Ag-Bi-אני רזה הסרטים הראה צבעים אדמדם מורפולוגיות מעורפל, הנובע החמצון של יודיד ביסמוט. כדי להשלים את ייצור המכשיר, P3HT היה ספין-שחקנים אל AgBi2אני7 סרטים רזה, ואחריו תצהיר זהב (Au), לתפקד כמו הובלת חור בשכבת העליונה אלקטרודה, בהתאמה.

כפי שמוצג באיור 1 ו- 2 איור, מערכות ternary Ag-Bi-אני היו גיבש בקומפוזיציות שונות, כגון AgBi2אני7 ו- Ag2BiI5, על-פי יחס שונה קודמן של אגי ו BiI3. התנאים מחזק תרמי להשפיע על absorptions, תבואה גדלים של מורפולוגיה משטח כמו איך מכינים Ag-Bi-אני רזה הסרטים. מחקרים קודמים במערכות ternary Ag-Bi-אני ממוקד סינתזה וניתוח של גבישים בכמות גדולה; עם זאת, דיווחנו לראשונה את AgBi2אני7 סרטים רזה ניתן להכין באמצעות תהליך פתרון מבוסס-ספין-ציפוי, ואז השתמש בהצלחה כמו בולם תא פוטו-וולטאי נטול עופרת11. לאחרונה, חוקרים רבים עקב עבודה זו כדי להמשיך ולפתחו באיכות החומר עצמו, כמו גם תאים סולאריים ביצועים21,22.

יש עדיין מקום להמשך פיתוח של פתרון-מעובד Ag-Bi-אני ternary סרט דק תאים סולריים באיכות החומר, התקן אדריכלות הנדסה. לאחרונה פורסמו מאמרים רבים הקשורים חומרים ternary Ag-Bi-אני שפיטים ו, לכן, אנו מאמינים כי בהמשך המחקר לתוך מערכות ternary Ag-Bi-אני יגרום צעדים גדולים בתחום של פתרון-מעובד, ידידותי לסביבה-סרט דק תאים סולריים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מכון טגו Gyeongbuk למדע, טכנולוגיה (DGIST) ומחקר תוכניות פיתוח (R & D) של משרד המדע, תקשוב העתיד תכנון של קוריאה (18-ET-01). עבודה זו גם נתמך על ידי המכון קוריאה של ההערכה טכנולוגיית אנרגיה, Planning(KETEP), משרד של סחר, תעשיית & Energy(MOTIE) של הרפובליקה של קוריאה (מספר 20173010013200).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis) Afa Aesar 7787-64-6 stored in N2-filled condition
Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis) Afa Aesar 7783-96-2 stored in N2-filled condition
Butylamine 99.5% Sigma-Aldrich 109-73-9
Triton X-100 Sigma-Aldrich 9002-93-1
Isopropyl alcohol (IPA) Duksan 67-63-0 Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxide Sigma-Aldrich 546-68-9 ≥97.0%
Ethyl alcohol Sigma-Aldrich 64-17-5 200 proof, ACS reagent, ≥99.5%
Hydrochloric acid SAMCHUN 7647-01-0 Extra pure
Titanium tetrachloride (TiCl4) sharechem
50nm-sized TiO2 nanoparticle paste sharechem
2-propanol Sigma-Aldrich 67-63-0 anhydrous, 99.5%
Terpineol Merck 8000-41-7
Heating oven WiseTherm
Oxygen (O2) plasma AHTECH
X-ray diffraction (XRD) Rigaku Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation
(1.5406 Å wavelength).
Fourier transform infrared (FTIR) Bruker Bruker Tensor 27
field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) Hitachi Hitachi SU8230
UV-Vis spectra PerkinElmer PerkinElmer LAMBDA 950
Spectrophotometer
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) RBD Instruments PHI5500 Multi-Technique system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Grätzel, M. The Light and Shade of Perovskite Solar Cells. Nature Materials. 13, 838-842 (2014).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).
  3. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  4. Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature. 499, 316-319 (2013).
  5. Yang, W. S., et al. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  6. Park, B. -W., et al. Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application. Advanced Materials. 27 (43), 6806 (2015).
  7. Hoye, R. L. Z., et al. Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber. Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).
  8. Lyu, M., et al. Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites. Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).
  9. Mitzi, D. B. Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer. Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).
  10. Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases. Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).
  11. Kim, Y., et al. Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).
  12. Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. Etude du Systeme AgIBiI3. Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).
  13. Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films. Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).
  14. Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films. Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).
  15. Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).
  16. Tezel, F. M., Kariper, İA. Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films. Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).
  17. Chai, W. -X., Wu, L. -M., Li, J. -Q., Chen, L. A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities. Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).
  18. Konstantatos, G., et al. Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors. Nature. 442, 180-183 (2006).
  19. Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids. CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).
  20. Zhu, X. H., et al. Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2'-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates. Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).
  21. Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide. ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).
  22. Turkevych, I., et al. Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites. ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).

Tags

כימיה גיליון 139 יודיד ביסמוט יודיד הכסף סרט דק ternary Ag-Bi-אני תהליך הפתרון רעיל מוליכים למחצה בולם פוטו
הפתרון-מעובד "סילבר-ביסמוט-יוד" Ternary סרטים רזה עבור בולמי נטול עופרת פוטו
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Oh, J. T., Kim, D. H., Kim, Y.… More

Oh, J. T., Kim, D. H., Kim, Y. Solution-Processed "Silver-Bismuth-Iodine" Ternary Thin Films for Lead-Free Photovoltaic Absorbers. J. Vis. Exp. (139), e58286, doi:10.3791/58286 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter