Artykuł metodologiczny

Trójskładnikowe cienkie warstwy "srebrowo-bizmutowo-jodowe" przetworzone w roztworze do bezołowiowych absorberów fotowoltaicznych

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 września 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj prezentujemy szczegółowe protokoły dla przetwarzanych w roztworze cienkich warstw półprzewodnikowych srebra, bizmutu i jodu (Ag-Bi-I) wytwarzanych na przezroczystych elektrodach pokrytych TiO2 oraz ich potencjalnego zastosowania jako stabilnych i bezołowiowych urządzeń optoelektronicznych.

Streszczenie

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

Hybrydowe perowskity na bazie bizmutu są uważane za obiecujące fotoaktywne półprzewodniki do przyjaznych dla środowiska i stabilnych powietrznie zastosowań ogniw słonecznych. Jednak słaba morfologia powierzchni i stosunkowo wysokie energie pasma wzbronionego ograniczyły ich potencjał. Jod srebra bizmutu (Ag-Bi-I) jest obiecującym półprzewodnikiem do urządzeń optoelektronicznych. W związku z tym demonstrujemy wytwarzanie cienkich warstw trójskładnikowych Ag-Bi-I przy użyciu przetwarzania roztworu materiałowego. Powstałe cienkie warstwy wykazują kontrolowaną morfologię powierzchni i optyczne przerwy energetyczne w zależności od temperatury wyżarzania termicznego. Ponadto doniesiono, że układy trójskładnikowe Ag-Bi-I krystalizują do AgBi2I7, Ag2BiI5 itd. zgodnie ze stosunkiem prekursorów chemicznych. Cienkie warstwy AgBi2I7 przetworzone w roztworze wykazują strukturę krystaliczną w fazie sześciennej, gęstą, pozbawioną otworków morfologię powierzchni o ziarnistościach o wielkości od 200 do 800 nm oraz pośrednią przerwę energetyczną 1,87 eV. Powstałe w ten sposób cienkie warstwy AgBi2i7 wykazują dobrą stabilność powietrza i wykresy pasma energetycznego, a także morfologie powierzchni i optyczne przerwy energetyczne odpowiednie dla bezołowiowych i stabilnych powietrzem jednozłączowych ogniw słonecznych. Całkiem niedawno uzyskano ogniwo słoneczne o sprawności konwersji energii 4,3% poprzez optymalizację składu kryształów Ag-Bi-I i architektury urządzeń ogniw słonecznych.

Wprowadzenie

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

Nieorganiczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne przetwarzane w roztworze były szeroko badane przez wielu badaczy poszukujących możliwości bezpośredniego przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną1,2,3,4,5. Wraz z rozwojem syntezy materiałów i architektury urządzeń, perowskity na bazie halogenków ołowiu zostały uznane za najlepsze absorbery ogniw słonecznych o sprawności konwersji mocy (PCE) większej niż 22%5. Rosną jednak obawy dotyczące stosowania toksycznego ołowiu, a także problemów ze stabilnością samego perowskitu ołowiowo-halogenkowego.

Ostatnio doniesiono, że hybrydowe perowskity na bazie bizmutu mogą być formowane przez włączenie jednowartościowych kationów do jednostki kompleksu jodku bizmutu i że mogą one być używane jako absorbery fotowoltaiczne w mezoskopowych architekturach ogniw słonecznych6,7,8. Ołów w perowskitach można zastąpić bizmutem, który ma 6s2 zewnętrzna samotna para; Jednak do tej pory tylko konwencjonalne metodologie halogenku ołowiu były stosowane dla hybrydowych perowskitów na bazie bizmutu o złożonej strukturze krystalicznej, pomimo faktu, że mają one różne stopnie utlenienia i właściwości chemiczne9. Ponadto perowskity te mają słabą morfologię powierzchni i wytwarzają stosunkowo grube warstwy w kontekście zastosowań w urządzeniach cienkowarstwowych; w związku z tym mają słabą wydajność fotowoltaiczną z wysoką energią przerwy energetycznej (> 2 eV)6,7,8. W związku z tym staraliśmy się znaleźć nową metodę produkcji cienkowarstwowych półprzewodników na bazie bizmutu, które są przyjazne dla środowiska, stabilne powietrznie i mają niską energię przerwy energetycznej (< 2 eV), biorąc pod uwagę konstrukcję i metodologię materiału.

Prezentujemy przetworzone w roztworze cienkie warstwy trójskładnikowe Ag-Bi-I, które mogą być krystalizowane do AgBi2I7 i Ag2BiI5, dla półprzewodników bezołowiowych i stabilnych powietrze10,11. W tym badaniu dla kompozycji AgBi2I7 n-butyloamina jest stosowana jako rozpuszczalnik do jednoczesnego rozpuszczania prekursorów jodku srebra (AgI) i jodku bizmutu (BiI3). Mieszaninę wirowo i wyżarza w temperaturze 150 °C przez 30 minut w komorze rękawicowej wypełnionej N2; Następnie folie są hartowane do temperatury pokojowej. Powstałe cienkie folie są koloru brązowo-czarnego. Ponadto morfologia powierzchni i skład krystaliczny układów trójskładnikowych Ag-Bi-I są kontrolowane przez temperatury wyżarzania i stosunek prekursorów AgI/BiI3. Powstałe cienkie warstwy AgBi2i7 wykazują strukturę krystaliczną w fazie sześciennej, gęstą i gładką morfologię powierzchni z dużymi ziarnami o wielkości 200 - 800 nm oraz optyczną przerwę energetyczną 1,87 eV, która zaczyna absorbować światło o długości fali 740 nm. Niedawno doniesiono, że optymalizując skład kryształów i architekturę urządzenia, trójskładnikowe cienkowarstwowe ogniwa słoneczne Ag-Bi-I mogą osiągnąć PCE na poziomie 4,3%.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie podłoży z jałego szkła, domieszkowanego fluorem tlenku cyny (SnO2:F)

  1. Aby oczyścić podłoża z tlenku cyny (FTO) z domieszką fluoru, należy je kolejno poddać sonikacji w roztworze wodnym zawierającym 2% Triton, wodę dejonizowaną (DI), aceton i alkohol izopropylowy (IPA), każdy przez 15 minut.
  2. Oczyszczone podłoża umieścić w piecu grzewczym w temperaturze 70 °C na 1 godzinę w celu usunięcia resztek IPA.

2. Przygotowanie zwartych warstw TiO2 (c-TiO2) do blokowania elektronów

  1. W celu przygotowania roztworu prekursora c-TiO2 należy powoli wsypać 0,74 ml izoproptlenku tytanu (TTIP) do 8 ml bezwodnego etanolu (EtOH), energicznie mieszając, a następnie szybko wstrzyknąć 0,06 ml kwasu solnego (HCl) do roztworu. Powstały roztwór mieszać przez noc w temperaturze pokojowej.
    UWAGA: Użyj szklanej fiolki o pojemności 20 ml, HCl o stężeniu 35 - 37% i mieszadła magnetycznego.
  2. Przefiltrować przygotowany roztwór prekursora c-TiO2 za pomocą strzykawki i filtra o wielkości porów 0,2 μm, upuścić go na oczyszczone podłoże FTO, a następnie odlać podłoże z prędkością 3,000 obr./min przez 30 s.
  3. Podłoża wyżarzać termicznie, podgrzewając je w piecu w temperaturze 500 °C przez 1 godzinę, a następnie pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
  4. Namoczyć podłoża w 0,12 M roztworze wodnym czterochlorku tytanu (TiCl4) w temperaturze 70 °C przez 30 minut, a następnie dokładnie umyć je wodą demineralizowaną w celu usunięcia pozostałości TiCl4.
  5. Wyżarzać termicznie podłoża w temperaturze 500 °C przez 1 godzinę, a następnie pozostawić je do ostygnięcia do temperatury pokojowej w celu międzyfazowego ulepszenia warstwy c-TiO2. Powstałe podłoża pokryte c-TiO2 należy przechowywać w warunkach wypełnionychN2 do czasu użycia.

3. Przygotowanie mezoporowatych warstw TiO2 (m-TiO2) w celu poprawy ekstrakcji elektronów

  1. W celu przygotowania roztworu prekursora m-TiO2 należy dodać 1 g pasty nanocząsteczkowej TiO2 o wielkości 50 nm (SC-HT040) do szklanej fiolki o pojemności 10 ml z 3,5 g 2-propanolu i 1 g terpineolu, a następnie mieszać wszystko, aż pasta idealnie się rozpuści.
    UWAGA: Pasta nanocząsteczkowa TiO2 o wielkości 50 nm jest bardzo lepka i należy się z nią ostrożnie obchodzić za pomocą szpatułki.
  2. Odlewać spinowo 200 μl przygotowanego roztworu pasty nanocząsteczkowej TiO2 o wielkości 50 nm z prędkością 5 000 obr./min przez 30 s na podłoża FTO pokryte c-TiO2.
  3. Powstałe podłoża wyżarzać termicznie w piecu w temperaturze 500 °C przez 1 godzinę, a następnie pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
  4. Namoczyć podłoża w 0,12 M roztworze wodnym TiCl4 w temperaturze 70 °C przez 30 minut, a następnie całkowicie je umyć wodą demineralizowaną w celu usunięcia pozostałości TiCl4.
  5. Podłoża wyżarzać termicznie w temperaturze 500 °C przez 1 godzinę, a następnie pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej w celu międzyfazowej poprawy warstwy m-TiO2. Powstałe podłoża pokryte c-TiO2 i m-TiO2 należy przechowywać w warunkach wypełnionychN2 do czasu użycia.

4. Produkcja cienkich warstw AgBi2i7

  1. Podłoża z gołego szkła należy poddać działaniu lampy ultrafioletowej (UV) o intensywności 45 mA/cm2 za pomocą środka czyszczącego UV do ozonu przez 10 minut, aby upewnić się, że podłoża są czyste i hydrofilowe. Nie należy traktować podłoży FTO pokrytych c- i m-TiO2 środkiem do czyszczenia ozonu UV.
    UWAGA: Widma dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), absorbancji i transformacji Fouriera w podczerwieni (FT-IR) badano przy użyciu cienkich warstw Ag-Bi-I wytwarzanych na podłożach z gołego szkła. Podłoża FTO z powłoką c i m-TiO2 zostały wykorzystane w urządzeniach z ogniwami słonecznymi.
  2. Energicznie wymieszaj 0,3 g BiI3 (0,5087 mmol), 0,06 g AgI (0,2544 mmol) i 3 ml n-butyloaminy, aż wszystko całkowicie się rozpuści, a następnie przefiltruj mieszaninę strzykawką za pomocą filtra z politetrafluoroetylenu (PTFE) o wielkości porów 0,2 μm.
  3. Upuść 200 μl roztworu prekursora na podłoża, a następnie odlewać je z prędkością 6 000 obr./min przez 30 s przy kontrolowanej wilgotności poniżej 20%. Powstałą żółtawo-czerwoną warstwę należy natychmiast przenieść do komory rękawicowej wypełnionejN2, gotowej do wyżarzania termicznego.
  4. Rozpocznij wyżarzanie termiczne powstałej folii w temperaturze pokojowej, następnie podgrzej folię do 150 °C i utrzymuj temperaturę 150 °C przez 30 minut. Szybko schładzaj wyżarzoną folię do temperatury pokojowej. Ostateczny film będzie miał błyszczący i brązowo-kolor. Aby szybko schłodzić wyżarzone podłoże, należy je zdjąć z płyty grzejnej, która była ustawiona na 150 °C.
  5. W przypadku trójskładnikowych cienkich warstw Ag-Bi-I o innym składzie, takich jak Ag2BiI5, należy zmienić stosunek molowy prekursora AgI doBiI3 z 1:2 na 2:1 i użyć tej samej objętości rozpuszczalnika n-butyloaminy. Wyżarzać powstałą folię metodą opisaną powyżej.
  6. Aby zbadać zależne od temperatury tworzenie Ag-Bi-I przy użyciu wzorów XRD, widm FT-IR, morfologii powierzchni i widm absorbancji, należy użyć temperatur wyżarzania termicznego 90, 110 i 150 °C dla trójskładnikowych cienkich warstw Ag-Bi-I.

5. Produkcja urządzeń do ogniw słonecznych przy użyciu cienkich warstw AgBi2i7

  1. Użyj poli(3-heksylotiofenu) (P3HT) jako materiału transportującego otwory w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych AgBi2I7. Dodać 10 mg P3HT do 1 ml chlorobenzenu, a następnie mieszać mieszaninę w temperaturze 50 °C przez 30 minut, aż P3HT całkowicie się rozpuści. Filtrować za pomocą filtra PTFE o wielkości porów 0,2 μm. Przygotuj i przechowuj P3HT w schowku rękawicowym wypełnionym N2.
  2. Upuść 100 μl P3HT rozpuszczonego w chlorobenzenie na cienkie warstwy AgBi2I7 wytworzone na podłożach FTO pokrytych c- i m-TiO2, a następnie odlew wirowy podłoża z prędkością 4 000 obr./min przez 30 s w komorze rękawicowej wypełnionej N2. Wyżarzanie termiczne folii P3HT w temperaturze 130 °C przez 10 minut w celu orientacji strukturalnej P3HT.
  3. Użyj parownika termicznego o szybkości osadzania 0,5 A/s i maski cieniowej o wzorze prętowym, aby osadzać złote elektrody (Au) o grubości 100 nm jako górny kontakt metalu w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych AgBi2i7.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Doniesiono, że trójskładnikowe układy Ag-Bi-I, które są uważane za obiecujące półprzewodniki, są skrystalizowane w różnych składach, takich jak AgBi2I7, AgBiI4 i Ag2BiI510, zgodnie ze stosunkiem molowym AgI do BiI3. Wcześniejsze badania wykazały, że masowe formy krystaliczne o różnym składzie układów trójskładnikowych Ag-Bi-I mogą być eksperymentalnie syntetyzowane poprzez zmianę stosunku molowego Ag...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Dostarczyliśmy szczegółowy protokół wytwarzania roztworów trójskładnikowych półprzewodników Ag-Bi-I, które mają być wykorzystywane jako bezołowiowe absorbery fotowoltaiczne w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych o mezoskopowej architekturze urządzeń. Warstwy c-TiO2 zostały utworzone na podłożach FTO, aby uniknąć wycieku elektronów wpływających do elektrod FTO. Warstwy m-TiO2 zostały sekwencyjnie uformowane na podłożach FTO pokrytych c-TiO2 w celu poprawy ekstrakcji elektronów generowany...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez Programy Badawczo-Rozwojowe (R&D) Instytutu Nauki i Technologii (DGIST) Daegu Gyeongbuk Ministerstwa Nauki, ICT i Planowania Przyszłości Korei (18-ET-01). Ta praca była również wspierana przez Koreański Instytut Oceny i Planowania Technologii Energetycznych (KETEP) oraz Ministerstwo Handlu, Przemysł i Energia (MOTIE) Republiki Korei (nr 20173010013200).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Jodek bizmutu(III), Puratronic, 99,999% (na bazie metali)Afa Aesar7787-64-6przechowywany w stanie wypełnionym N2
Jodek srebra, Premion, 99,999% (na bazie metali)Afa Aesar7783-96-2przechowywany w stanie wypełnionym N2
Butylamina 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Alkohol izopropylowy (IPA)Duksan67-63-0Elektryczny
izoproptlenek tytanu(IV)Sigma-Aldrich546-68-9≥ 97,0%
Alkohol etylowySigma-Aldrich64-17-5200 proof, odczynnik ACS, ≥ 99,5%
Kwas solnySAMCHUN7647-01-0Ekstra czysty
czterochlorek tytanu (TiCl4)sharechem pasta
nanocząsteczkowa TiO2 o wielkości 50 nmsharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0bezwodny, 99,5%
TerpineolMerck8000-41-7
Piec grzewczyDyfrakcja
Dyfraktometr Rigaku Miniflex 600 z licznikiem scyntylacyjnym NaI i wykorzystujący monochromatyzowane promieniowanie Cu-K&alpha
(1,5406 i długość fali).
Podczerwień z transformacją Fouriera (FTIR)BrukerBruker Tensor 27
z emisją polową (FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
Widma UV-VisPerkinElmer PerkinElmerSpektrofotometr LAMBDA 950
Spektroskopia
fotoelektronów w ultrafiolecie (UPS)InstrumentyPHI5500 system Multi-Technique
o wysokiej czystości rentgenowska (XRD) plazmy tlenowej (O2) WiseTherm Skaningowy mikroskop elektronowy RBD

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Przetwarzanie z roztworucienkowarstwowe ogniwa s oneczneabsorbery bez o owiufilmy AgBi2I7wygrzewanie termicznenanoszenie metod spin coatinguwarstwy dwutlenku tytanustabilno w powietrzusprawno konwersji energii

Powiązane artykuły