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概要

ここで、我々 現在のソリューション処理銀ビスマス ヨウ素 (Ag-Bi-私) 三元系半導体の詳細なプロトコル TiO₂上に作製した薄膜-透明電極および空気安定性として潜在的なアプリケーションおよび鉛フリーめっきオプトエレクトロニクス デバイス。

Abstract

ハイブリッドのビスマス系ペロブスカイトは環境および大気中安定な太陽電池のアプリケーションのための有望な写真アクティブ半導体とみなされます。しかし、貧しい人々 の表面形態と比較的高いバンド ギャップ エネルギー彼らの潜在性を限った。(Ag-Bi-私) 銀ビスマス ヨウ素は光電子デバイスの有望な半導体です。したがって、我々 は、薄膜の作製 Ag-Bi-私三元系材料ソリューション処理を使用してを示しています。結果として得られる薄膜制御表面形態とその熱処理温度によると光学バンド ギャップを表わします。さらに、それは、Ag-Bi-私三元系結晶化 AgBi₂私₇、報告されている Ag₂BiI₅、前駆体化学物質の比率に従って等。ソリューション処理 AgBi₂私₇薄膜展示キュービック相結晶構造、200 から 800 までの穀物との密なピンホール フリーの表面形態、nm と 1.87 eV の間接バンド ギャップ。結果 AgBi₂私₇薄膜を良い空気安定性とエネルギー バンド図だけでなく表面の形態と光学バンド ギャップ鉛フリーと大気安定な単一接合太陽電池に適した。非常に最近、4.3% の電力変換効率を持つ太陽電池は Ag-Bi-私結晶組成と太陽電池デバイス アーキテクチャを最適化することによって得られました。

Introduction

溶液プロセスによる無機薄膜太陽電池は、太陽光を直接電気^1,2,3,4,5に変換しようとして多くの研究者によって広く研究されています。材料合成とデバイス アーキテクチャの開発、鉛ハロゲン系ペロブスカイト型は 22⁵より大きい電力変換効率 (PCE) 最高の太陽電池の吸収体に報告されています。ただし、自体 – ハロゲン化鉛ペロブスカイトの安定性の問題と同様に、有害な鉛の使用について懸念が高まっています。

最近、ビスマス ベースのハイブリッド ペロブスカイトがビスマス ヨウ化複雑なユニットに一価カチオンとこれらがメゾスコ ピック太陽電池アーキテクチャ^{6、太陽光吸収材として使用することができますを組み込むことによって形作ることができる報告されています 7,8}。ペロブスカイトにおける鉛ビスマスは、6 s には置き換えることができます²外側孤立電子対;しかし、彼らは異なる酸化状態と化学的性質⁹を持っているという事実にもかかわらず、複雑な結晶構造を持つビスマス ベースのハイブリッド ペロブスカイトのところ唯一従来の鉛ハライドの方法論が使用されています。さらに、これらのペロブスカイトの貧しい人々 の表面形態があるし、薄膜デバイス アプリケーションのコンテキストで比較的厚いフィルムを生産したがって、彼らは高いバンド ギャップ エネルギー (> 2 eV)^6,7,8で貧しい太陽光発電性能を持っています。したがって、我々 は材料設計と方法論を考慮したビスマス薄膜半導体は、環境に優しい、空気安定を生成する新しい方法を見つける、低いバンド ギャップ エネルギー (< 2 eV) に求めた。

提案するソリューション処理 Ag-Bi-私三元系薄膜、することができます₇と Ag₂BiI₅、鉛フリーおよび大気中安定な半導体^10、11AgBi₂結晶私。この研究 AgBi₂I₇組成、ヨウ化銀 (AgI)、ビスマス (BiI₃) ヨウ化前駆体を同時に溶解する溶媒として n ブチルアミンを使用します。混合物は、スピン キャストと N₂で 30 分間 150 ° C で熱処理-グローブ ボックスをいっぱいその後、フィルムを室温に癒されています。得られた薄膜はブラウン ブラック カラーで。さらに、Ag-Bi-私三元系の結晶組成と表面形態のアニーリングの温度と AgI/BiI₃前駆体比によって制御されます。結果として得られる AgBi₂私₇薄膜展示キュービック相の結晶構造、サイズ、200-800 nm の大きな粒と 740 の波長の光を吸収し始めて 1.87 eV の光学バンド ギャップ緻密で滑らかな表面形態 nm.最近、結晶組成とデバイスのアーキテクチャを最適化することにより、Ag-Bi-私三元系薄膜太陽電池が 4.3% の PCE を達成できることが報告されています。

Protocol

1. 調製裸-ガラス、フッ素ドープ酸化スズ (SnO2: F) 基板 2% トリトン、脱イオン (DI) 水、アセトン、イソプロピル アルコール (IPA)、15 分ごとを含む水溶液で順番に超音波に裸のガラス、フッ素ドープ酸化スズ (FTO) 基板をきれい。 残留の IPA を削除する 1 h 70 ° C で加熱オーブンの洗浄の基板を置きます。 2. 電子をブロックするコンパクトな TiO2層 (c TiO2) の準備 C TiO2前駆体溶液の調製、精力的に、攪拌しながら徐々 に 8 mL の無水エタノール (エタノール) の 0.74 mL チタンイソプロポキシド (TTIP) を削除し、ソリューションに塩酸 (HCl) 0.06 mL を急速に注入します。得られた溶液を室温で一晩攪拌します。注: は、磁気スターラー、HCl 濃度 35 37 mL バイアルを使用します。 注射器と 0.2 μ m 孔サイズ フィルターを使用して準備された c TiO2前駆体溶液をフィルター処理、ドロップ洗浄 FTO 基板上に、その後、スピン キャスト 30 3,000 rpm で基板 s。 熱-アニール基板 1 h 500 ° C のオーブンでそれらを加熱することによって、彼らが部屋の温度に冷却します。 70 の ° C で 30 分間で 0.12 M チタン四塩化 (TiCl4) 水溶液に基板を浸漬し、徹底的に純水を使用して任意の残留 TiCl4を削除するそれらを洗ってください。 熱アニール 1 h 500 ° C で基板とできる c TiO2層の界面の改善のための部屋の温度に冷却すること。その結果 c TiO2を格納-N2の基板をコーティング-使用までの条件を満たされました。 3. 電子抽出を図るメソポーラス TiO2層 (m TiO2) の準備 M TiO2前駆体溶液の調製を追加 50 nm サイズ TiO2ナノ粒子の 1 g 3.5 g 2 – プロパノールとテルピネ オールの 1 g を 10 mL のバイアルに (SC HT040) を貼り付けるし、糊が完全に溶けるまで、すべてをかき混ぜます。注: 50 nm サイズ TiO2ナノ粒子ペーストは高粘度、へらを使用して慎重に処理する必要があります。 準備された 50 nm サイズ TiO2ナノ粒子ペースト ソリューションの 30 の 5,000 rpm でスピン キャスト 200 μ L c TiO2に s-FTO 基板をコーティングします。 熱アニール 1 h 500 ° C のオーブンで結果の基板と室温に冷却を。 70 の ° C で 30 分間で 0.12 M TiCl4水溶液に基板を浸漬、その後、完全に純水を使用して任意の残留 TiCl4を削除するそれらを洗ってください。 熱アニール 1 h 500 ° C で基板とできる m TiO2層の界面の改善のための部屋の温度に冷却すること。ストア結果 c TiO2- と m TiO2-N2の基板をコーティング-使用までの条件を満たされました。 4 AgBi2の作製私7薄膜 基板がきれいで、親水性であることを確認する 10 分間クリーナー UV オゾンで 45 mA/cm2の強度と紫外線 (UV) ランプの下での裸からす基板を扱います。C と m TiO2を治療しない-クリーナー UV オゾンと FTO 基板をコーティングします。注: を x 線回折 (XRD)、吸光、およびフーリエ変換赤外 (FT-IR) 薄膜を用いた Ag-Bi-私の裸からす基板上に作製した調べた。C と m TiO2-太陽電池デバイスのためコーティング FTO 基板に使用されました。 積極的に渦 BiI3 (0.5087 モル)、ヨウ化銀の 0.06 g 0.3 g (0.2544 モル)、n ブチルアミンのすべてを完全に溶解するまでの 3 mL とし、シリンジ フィルター、混合物は 0.2 μ m 孔サイズ ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) フィルターを使用して。 ドロップの基板の上に、その後、スピン キャスト前駆体溶液 200 μ L 30 6,000 rpm で 20% 以下制御湿度で s。すぐに N2黄色赤膜の結果を転送-熱処理対応グローブ ボックスを充填します。 室温で得られたフィルムの熱処理を開始し、150 ° C にフィルムを熱、30 分はすぐに室温に軟膜を消すために 150 ° C の温度を維持します。最終的なフィルムでお越しの際にも光沢があり、ブラウン ブラック カラー。すぐに焼なまし材の基板を消すに 150 ° C に設定されたホット プレートから削除します。 Ag-Bi-私三項薄膜 Ag2BiI5など、異なる組成の AgI の前駆物質のモル比を 1:2、2:1 ~ BiI3に変更し、n ブチルアミン溶剤と同じボリュームを使用します。上記の方法を使用して得られたフィルムをアニールします。 温度依存性 Ag-Bi-私形成 XRD パターン、FT-IR スペクトル、表面形態、吸光度スペクトルを使用して調べるため、Ag-Bi-私三元系薄膜の 90、110、150 ° C の熱アニーリングの温度を使用します。 5. 太陽電池の作製は、AgBi2を使用して工夫私7薄膜 Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) を使用して、AgBi2の正孔輸送材料として私7薄膜太陽電池。クロロ ベンゼン 1 mL に P3HT の 10 mg を追加し、P3HT が完全に溶けるまで 30 分 50 ° C で混合物をかき混ぜます。0.2 μ m 孔サイズ PTFE フィルターを使用してフィルターを適用します。準備し、N2P3HT を格納-グローブ ボックスを充填します。 ドロップ 100 μ L、P3HT はマイク c と m TiO27薄膜 AgBi2にクロロ ベンゼンに溶解-FTO 基板とし、スピン キャスト 30 4,000 rpm で基板をコーティング s N2-グローブ ボックスを充填します。熱-アニール P3HT の構造方向 10 分 130 ° C で P3HT 膜。 0.5 の堆積速度と熱蒸発器を使用して Å/秒とバー パターン トップ メタルはマイク7薄膜太陽電池 AgBi2で連絡と 100 nm 厚の金 (Au) 電極の預金をシャドウ マスク。

Representative Results

Ag-Bi-私三項システム、有望な半導体としてみなされるがであるが報告されている7AgBiI4、および Ag2BiI510AgBi2など、様々 な組成の結晶私によるとBiI3AgI のモル比。以前の研究は、Ag-Bi-私三元系の様々 な組成のバルク結晶形が AgI と BiI3のモル比を変更することによって実験的に合成できるし、各?…

Discussion

Ag-Bi-私三元系半導体、メゾスコ ピック デバイス アーキテクチャの薄膜太陽電池における鉛フリー太陽光吸収体として悪用されることであるソリューション作製のための詳しいプロトコルを実施しています。c TiO₂層は、FTO FTO 電極に流れる電子の漏れを避けるために基板上に形成されました。m TiO₂層の c TiO₂に形成された順番に-太陽光吸収体 (すなわち、薄膜中?…

Materials

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