Methodenartikel

Oplossing-verwerkte "Zilver-bismut-Iodine" ternaire dunne lagen voor fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 september 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 dit artikel

Samenvatting

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

Hierin presenteren wij gedetailleerde protocollen voor oplossing-verwerkte zilver-bismut-jodium (Ag-Bi-I) ternaire halfgeleider dunne lagen vervaardigd op TiO2-gecoat transparante elektroden en hun potentiële toepassing als lucht-stable en loodvrij opto-elektronische apparaten.

Samenvatting

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

Bismut gebaseerde hybride perovskites worden beschouwd als veelbelovende foto-actieve halfgeleiders voor milieuvriendelijke en lucht-stable zonnecel toepassingen. Arme oppervlakte morphologies en relatief hoge bandgap energieën hebben echter slechts beperkt hun potentieel. Zilver-bismut-Jood (Ag-Bi-I) is een veelbelovende halfgeleider voor opto-elektronische apparaten. We laten daarom zien de fabricage van Ag-Bi-I ternaire dunne films met behulp van materiële oplossing verwerking. De resulterende dunne films vertonen gecontroleerde oppervlakte morphologies en optische bandgaps volgens hun thermische onthardende temperaturen. Bovendien, het is gemeld dat Ag-Bi-I ternaire systemen kristalliseren tot AgBi2ik7, Ag2BiI5, etc. volgens de verhouding van de chemische precursoren. De oplossing-verwerkte AgBi2ik7 dunne films vertonen een cubic-fase kristalstructuur, dichte, pinhole-vrije oppervlakte morphologies met korrels variërend in grootte van 200 tot 800 nm en een indirecte bandgap van 1.87 eV. De resulterende AgBi2ik7 dunne lagen Toon goede lucht van stabiliteit en energie band diagrammen, evenals oppervlakte morphologies en optische bandgaps geschikt voor loodvrij en lucht-stable single-junction zonne-cellen. Zeer recent nog werd een zonnecel met 4,3% energie conversie-efficiëntie verkregen door het optimaliseren van de Ag-Bi-I crystal composities en de zonnecel apparaat platforms.

Inleiding

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

Anorganische dunne-film zonnecellen oplossing-verwerkt zijn door vele onderzoekers willen zonlicht omzetten in elektriciteit1,2,3,4,5rechtstreeks wijd bestudeerd. Met de ontwikkeling van materiële synthese en apparaat architectuur, zijn lood halogenide gebaseerde perovskites gemeld te zijn de beste zonnecel absorptieflessen met een energie conversie efficiency (PCE) groter dan 22%5. Echter zijn er toenemende bezorgdheid over het gebruik van giftige lood, evenals stabiliteitsproblemen van lood-halogenide perovskiet zelf.

Er werd onlangs gemeld dat bismut gebaseerde hybride perovskites kan worden gevormd door de integratie van monovalent kationen in een complexe eenheid van bismut jodide en dat deze kunnen worden gebruikt als fotovoltaïsche absorptieflessen in mesoscopische zonnecel platforms6, 7,8. Het lood in de perovskites kan worden vervangen door bismut, die de 6s heeft2 buitenste vrij elektronenpaar; echter zijn tot nu toe alleen conventionele lood halogenide methoden gebruikt voor hybride bismut gebaseerde perovskites met ingewikkelde kristalstructuren, ondanks het feit dat zij verschillende oxidatie Staten en chemische eigenschappen9 hebben. Bovendien, deze perovskites hebben slechte oppervlakte morphologies en produceren van de relatief dik films in de context van dunne-film apparaat toepassingen; Daarom hebben ze een slechte fotovoltaïsche prestaties met hoge band-gap energie (> 2 eV)6,7,8. Dus, we willen een nieuwe methode voor de productie van bismut gebaseerde dunne-film halfgeleiders, die milieuvriendelijk, lucht-stable zijn, vinden en hebben lage band-gap energie (< 2 eV), gezien het ontwerp van het materiaal en de methodologie.

Presenteren we een oplossing-verwerkte Ag-Bi-I ternaire dunne lagen, die kunnen worden gekristalliseerd AgBi2ik7 en Ag2BiI5, voor loodvrij en lucht-stable halfgeleiders10,11. In deze studie voor de AgBi2ik7 samenstelling, n-butylamine wordt gebruikt als oplosmiddel te ontbinden tegelijk de Zilverjodide (AgI) en bismut jodide (BiI3) precursoren. Het mengsel is rotatie-gegoten en ontharde bij 150 ° C gedurende 30 minuten in een N-2-gevuld handschoenenkastje; vervolgens zijn de films uitgeblust tot kamertemperatuur. De resulterende dunne films zijn bruin-zwarte in kleur. Bovendien, worden de bovengrondse morfologie en crystal samenstelling van de Ag-Bi-I ternaire systemen gecontroleerd door de onthardende temperaturen en voorloper verhouding AgI/BiI3. De resulterende AgBi2ik7 dunne films vertonen een kubieke fase kristalstructuur, dicht en glad oppervlak morphologies met grote korrels voor 200-800 nm in grootte en een optische band gap van 1.87 eV begint te absorberen van licht van een golflengte van 740 nm . Het werd onlangs gemeld dat door het optimaliseren van de crystal composities en architectuur, Ag-Bi-I ternaire dunne-film zonnecellen een PCE van 4,3 bereiken kunnen %.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. voorbereiding van de blote-glas, fluor-doped Tin Oxide (SnO2: F) substraten

  1. Voor de reiniging van de blote-glas, de fluor-doped tin oxide (FTT) substraten, bewerk ultrasone trillingen ten ze opeenvolgend in een waterige oplossing met 2% Triton, gedeïoniseerd water (DI) water, aceton, en isopropylalcohol (IPA), elk voor 15 min.
  2. Zet de gereinigde ondergronden in de oven verwarming bij 70 ° C gedurende 1 uur te verwijderen van de resterende IPA.

2. voorbereiding van compacte TiO2 lagen (c-TiO2) voor het blokkeren van de elektronen

  1. Voor de voorbereiding van een c-TiO2 precursor oplossing, vallen 0,74 mL van titaniumisopropoxide (TTIP) langzaam 8 mL watervrij ethanol (EtOH) terwijl krachtig roeren en vervolgens snel injecteren 0.06 mL zoutzuur (HCl) in de oplossing. Roer de resulterende oplossing 's nachts bij kamertemperatuur.
    Opmerking: Gebruik een flesje van 20 mL glas, een 35-37% concentratie van HCl en een magneetroerder.
  2. Filtreer de bereid c-TiO2 precursor oplossing met behulp van een spuit en een 0,2 µm-porie-grootte-filter, zet het neer op het schoongemaakte FTT substraat, en vervolgens draai-cast het substraat bij 3000 t/min voor 30 s.
  3. Thermisch-ontharden de substraten door verhitting van hen in een oven bij 500 ° C gedurende 1 uur en dan laten afkoelen tot kamertemperatuur.
  4. Geniet van de substraten in een 0,12 M titanium Tetra (TiCl4) waterige oplossing bij 70 ° C gedurende 30 minuten en daarna wassen hen grondig gebruikend DI water te verwijderen van alle resterende TiCl4.
  5. Thermisch-ontharden de substraten bij 500 ° C gedurende 1 uur en dan laten afkoelen tot kamertemperatuur voor een Interfaciale verbetering van de c-TiO2 laag. Opslaan van de resulterende c-TiO-2-coating van substraten in N2-voorwaarden gevuld tot gebruik.

3. bereiding van Mesoporous TiO2 lagen (m-TiO2) ter verbetering van de Electron extractie

  1. Voor de bereiding van een m-TiO2 precursor oplossing, toevoegen 1 g van 50 nm en middelgrote TiO2 nanoparticle (SC-HT040) naar een 10 mL glazen ampul met 3.5 g 2-propanol en 1 g terpineol te plakken en vervolgens roer alles tot het plakken is perfect opgelost.
    Opmerking: De 50 nm en middelgrote TiO2 nanoparticle pasta is zeer viskeuze en zorgvuldig moet worden behandeld met behulp van een spatel.
  2. Rotatie-gegoten 200 µL van het bereide 50 nm en middelgrote TiO2 nanoparticle plakken oplossing bij 5000 rpm voor 30 s op de c-TiO-2-gecoat FTT substraten.
  3. Thermisch-ontharden de resulterende substraten in een oven bij 500 ° C gedurende 1 uur en dan laten afkoelen tot kamertemperatuur.
  4. Geniet van de substraten in de 0,12 M TiCl4 waterige oplossing bij 70 ° C gedurende 30 minuten en daarna wassen ze volledig met behulp van DI water te verwijderen van alle resterende TiCl4.
  5. Thermisch-ontharden de substraten bij 500 ° C gedurende 1 uur en dan laten afkoelen tot kamertemperatuur voor een Interfaciale verbetering van de m-TiO2 laag. Winkel de resulterende c-TiO2- en m-TiO2-coating van substraten in N2-gevuld voorwaarden tot gebruikt.

4. de fabricage van AgBi2ik7 dunne lagen

  1. Behandelen de kale glazen substraten onder een ultraviolet (UV)-licht met een intensiteit van 45 mA/cm2 met een UV-ozon cleaner voor 10 min om ervoor te zorgen dat de substraten schoon en hydrofiele zijn. De c - en m-TiO-2niet te behandelen-gecoat FTT substraten met de UV-ozon schoner.
    Opmerking: röntgendiffractie (XRD), absorptie en Fourier-transform infrarood (FT-IR) spectra werden onderzocht met behulp van de Ag-Bi-I dunne lagen vervaardigd op kale glazen substraten. De c - en m-TiO-2-gecoate FTT substraten voor zonnecel apparaten werden gebruikt.
  2. Krachtig vortex 0,3 g BiI3 (0.5087 mmol), 0.06 g van AgI (0.2544 mmol), en 3 mL n-butylamine totdat alles volledig is opgelost en vervolgens spuit-filter het mengsel met behulp van een 0,2 µm-porie-grootte polytetrafluorethyleen (PTFE) filteren.
  3. Drop ze 200 µL van de oplossing van de voorloper op de substraten en vervolgens draai-cast bij 6000 t/min voor 30 s met een gecontroleerde vochtigheid onder de 20%. De resulterende geel-rood-film onmiddellijk overbrengen in een N-2-gevuld handschoenenkastje klaar voor thermische gloeien.
  4. Beginnen de thermische gloeien van de resulterende film bij kamertemperatuur, dan de film tot 150 ° C verhit, en een temperatuur van 150 ° C te handhaven voor 30 min. quench snel de ontharde film tot kamertemperatuur. De laatste film zal hebben een glanzend en bruin-zwarte kleur. Als u wilt snel doven het ontharde substraat, verwijderen uit de hete plaat die is ingesteld op 150 ° C.
  5. Wijzig de voorloper molaire verhouding tussen AgI in BiI3 van 1:2 tot 2:1 en gebruiken van hetzelfde volume van het n-butylamine oplosmiddel voor Ag-Bi-I ternaire dunne films van een andere samenstelling, zoals Ag2BiI5. Ontharden de resulterende film met behulp van de hierboven beschreven methode.
  6. Om te onderzoeken de temperatuur-afhankelijke Ag-Bi-I vorming met behulp van XRD patronen, FT-IR spectra oppervlakte morphologies en absorptie spectra, thermische onthardende temperaturen van 90, 110 en 150 ° C voor de Ag-Bi-I ternaire dunne lagen te gebruiken.

5. fabricage van zonnecel bedenkt met behulp van AgBi2ik7 dunne lagen

  1. Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) gebruiken als een gat-vervoeren materiaal in de AgBi2ik7 dunne-film zonnecellen. Meng P3HT 10 mg 1 mL chloorbenzeen en vervolgens roer het mengsel bij 50 ° C gedurende 30 minuten totdat de P3HT is perfect opgelost. Filteren met behulp van een 0,2 µm-porie-grootte PTFE filter. Bereiden en bewaren van de P3HT in een N-2-handschoenenkastje gevuld.
  2. Drop 100 µL van het P3HT opgelost in chloorbenzeen op de AgBi2ik7 dunne lagen vervaardigd op de c - en m-TiO-2-gecoat FTT substraten, en vervolgens draai-cast de substraten bij 4000 t/min voor 30 s in een N-2-handschoenenkastje gevuld. Thermisch-ontharden de P3HT film bij 130 ° C gedurende 10 minuten voor de structurele oriëntatie van P3HT.
  3. Gebruik van een thermische verdamper met een tarief van de depositie van 0,5 Å / s en een bar patroon schaduwmasker te deponeren van 100 nm-dik goud (Au) elektroden, zoals een bovenste metaal contact opnemen met in de AgBi2I7 dunne-film zonnecellen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Er werd gemeld dat de Ag-Bi-I ternaire systemen, die worden beschouwd als veelbelovende halfgeleiders, zijn uitgekristalliseerd in verschillende samenstellingen, zoals AgBi2ik7, AgBiI4en Ag2BiI510, volgens de molaire verhouding AgI tot BiI3. Eerdere studies hebben aangetoond dat bulk kristallen vormen met verschillende samenstellingen van de Ag-Bi-I ternaire systemen experimenteel kunnen worden gesyn...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Wij hebben een gedetailleerd protocol voor de fabricage van de oplossing van de Ag-Bi-I ternaire halfgeleiders, die kan alleen worden misbruikt als fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen in dunne-film zonnecellen met mesoscopische apparaat platforms verstrekt. c-TiO2 lagen werden gevormd op FTT substraten om te voorkomen dat elektron lekkage stroomt in de FTO-elektroden. m-TiO2 lagen ontstonden opeenvolgend op c-TiO2-gecoat FTT substraten ter verbetering van de elektron extracties gegen...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de Daegu Gyeongbuk Instituut voor wetenschap en technologie (DGIST) onderzoek en ontwikkeling (O & O) programma's van het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning Korea (18-ET-01). Dit werk werd ook ondersteund door de Korea Instituut voor energie technologie evaluatie en Planning(KETEP) en het ministerie van handel, industrie & Energy(MOTIE) van de Republiek Korea (nr. 20173010013200).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Bismuth(III) jodide, Puratronic, 99.999% (metaalbasis)Afa Aesar7787-64-6opgeslagen in N2-gevulde omstandigheden
Zilverjodide, Premion, 99.999% (metaalbasis)Afa Aesar7783-96-2opgeslagen in N2-gevulde omstandigheden
Butylamine 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Isopropylalcohol (IPA)Duksan67-63-0Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxideSigma-Aldrich546-68-9≥97,0%
EthylalcoholSigma-Aldrich64-17-5200 proof, ACS reagent, ≥99,5%
ZoutzuurSAMCHUN7647-01-0Extra puur
Titaniumtetrachloride (TiCl4)sharechem
50nm-grote TiO2-nanodeeltjespastasharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0watervrij, 99,5%
TerpineolMerck8000-41-7
VerwarmingskastWiseTherm
Zuurstof (O2) plasmaAHTECH
Röntgendiffractie (XRD)RigakuRigaku Miniflex 600 diffractometer met een NaI-scintillatieteller en gebruik van gemonochromatiseerde Cu-Kα straling
(1,5406 Å golflengte).
Fourier-transformatie infrarood (FTIR)BrukerBruker Tensor 27
veldemissie-scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
UV-Vis spectraPerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Spectrofotometer
Ultraviolet foto-elektronen spectroscopie (UPS)RBD InstrumentsPHI5500 Multi-Technique systeem

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Oplosmiddelverwerkingdunne filmzonnecellenloodvrije absorbersAgBi2I7 filmsthermisch uitgloeienspincoatingtitaandioxidelagenluchtstabiliteitenergieomzettingseffici ntie

Gerelateerde artikelen