Artigo de método

Solução-processados "Prata-bismuto-iodo" ternário filmes finos para absorventes de chumbo fotovoltaicos

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 de setembro de 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

Neste artigo

Resumo

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Neste documento, apresentamos protocolos detalhados para processados solução iodo-bismuto-prata (Ag-Bi-I) ternário semicondutor filmes finos fabricados em TiO2-revestidos eletrodos transparentes e sua potencial aplicação como estável ao ar e chumbo dispositivos optoeletrônicos.

Resumo

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Perovskites híbrido baseado em bismuto são considerados promissores foto-ativo semicondutores para aplicações de ambiente e ar-stable célula solar. No entanto, pobres morfologias de superfície e energias bandgap relativamente alta limitaram seu potencial. Prata-bismuto-iodo (Ag-Bi-I) é um semicondutor promissor para dispositivos optoeletrônicos. Portanto, demonstramos a fabricação de Ag-Bi-eu ternários filmes finos usando processamento de material solução. Os filmes finos resultantes exibem morfologias superfície controladas e bandgaps óptico de acordo com suas térmicas temperaturas de recozimento. Além disso, foi relatado que Ag-Bi-eu sistemas ternários cristalizar a Cristiana2eu7, Ag2BiI5, etc. de acordo com a relação entre os precursores químicos. A solução-processado Cristiana2eu7 filmes finos apresentam uma estrutura de cristal cúbica-fase, morfologias superfície densas, livre de pinhole com grãos variando em tamanho de 200 a 800 nm e um bandgap indireto de eV 1,87. O resultante Cristiana27 filmes finos mostrar bom ar diagramas de banda de energia e estabilidade, bem como de superfície morfologias e bandgaps óptico adequado para chumbo e estável ao ar single-junção células solares. Muito recentemente, obteve-se uma célula solar com eficiência de conversão de energia de 4,3%, otimizando a composições de Ag-Bi-eu cristal e arquiteturas de dispositivo de célula solar.

Introdução

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Solução-processado inorgânicas película fina células solares têm sido amplamente estudadas por muitos investigadores que pretendam converter luz solar diretamente em eletricidade1,2,3,4,5. Com o desenvolvimento da arquitetura material de síntese e dispositivo, perovskites baseados em haleto de chumbo foram relatados para ser os melhores absorventes de célula solar com uma eficiência de conversão da energia (PCE) maior que 22%5. No entanto, estão crescendo as preocupações sobre o uso de chumbo tóxico, bem como problemas de estabilidade de perovskita haleto de chumbo em si.

Recentemente foi relatado que perovskites híbrido baseado em bismuto pode ser formada pela incorporação de cátions monovalentes em uma unidade complexa de iodeto de bismuto e que estes podem ser usados como absorventes de fotovoltaicos em mesoscópica célula solar arquiteturas6, 7,8. A liderança nas perovskites pode ser substituída com bismuto, que tem o 6s2 exterior par solitário; no entanto, metodologias de haleto de chumbo até agora apenas convencionais têm sido utilizadas para perovskites híbrido baseado em bismuto com estruturas complexas de cristal, apesar do fato de que eles têm os Estados de oxidação diferentes e propriedades químicas9. Além disso, estes perovskites têm morfologias superfície pobres e produzir filmes relativamente grossas no contexto de aplicativos de dispositivo de película fina; Portanto, eles têm um mau desempenho fotovoltaico com abertura-banda alta energia (> 2 eV)6,7,8. Assim, nós procuramos encontrar um novo método para produzir a película fina semicondutores baseados em bismuto, que são ambientalmente amigável, estável ao ar, e tem baixa banda-energia (< 2 eV), considerando o projeto material e metodologia.

Apresentamos a solução-processado Ag-Bi-eu ternários filmes finos, que podem ser cristalizada a Cristiana27 e Ag2BiI5, para semicondutores de chumbo e estável ao ar10,11. No presente estudo para o Wellington27 composição, n-Butilamina é usado como um solvente para dissolver simultaneamente o iodeto de prata (AgI) e precursores de bismuto iodeto (BiI3). A mistura é spin-cast e recozido a 150 ° C por 30 min em um N2-encheu a caixa de luva; posteriormente, os filmes são extinguidos à temperatura ambiente. Os filmes finos resultantes são marrom-escura na cor. Além disso, a morfologia de superfície e composição de cristal dos sistemas ternários de Ag-Bi-eu são controladas pelas altas temperaturas do recozimento e proporção de precursor de AgI/BiI3. A resultante de Cristiana2eu7 filmes finos apresentam uma estrutura cristalina da fase cúbica, densas e lisas superfície morfologias com grandes grãos de 200-800 nm em tamanho e uma óptica de gap de energia de 1,87 eV começando a absorver a luz de um comprimento de onda de 740 nm . Recentemente foi relatado que otimizando a composições de cristal e a arquitetura do dispositivo, Ag-Bi-eu ternárias película fina células solares pode atingir uma PCE de 4,3%.

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Protocolo

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1. preparação de Bare-vidro dopado com flúor óxido de estanho (SnO2: F) substratos

  1. Para limpar o vidro bare, substratos de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), proceda à sonicação-las sequencialmente em uma solução aquosa contendo 2% Triton, deionizada (DI) água, acetona e álcool isopropílico (IPA), cada um por 15 min.
  2. Coloque os substratos limpos no forno aquecimento a 70 ° C durante 1 h remover o IPA residual.

2. preparação do TiO Compact2 camadas (c-TiO2) para bloquear os elétrons

  1. Para a preparação de uma solução de precursor de2 c-TiO, soltar 0,74 mL de titânio isopropoxide (TTIP) lentamente em 8 mL de etanol anidro (EtOH) enquanto mexendo vigorosamente e então rapidamente injetar 0,06 mL de ácido clorídrico (HCl) a solução. Agite a solução resultante durante a noite em temperatura ambiente.
    Nota: Utilize um frasco de vidro de 20 mL, uma concentração de 35-37% de HCl e um agitador magnético.
  2. Filtrar a solução de precursor de2 c-TiO preparado usando uma seringa e um filtro de 0,2 µm-poro-tamanho, solte-o sobre o substrato FTO limpo e em seguida girar-elenco do substrato a 3.000 rpm por 30 s.
  3. Termicamente-recozer os substratos por aquecimento em um forno a 500 ° C, durante 1 h e então lhes permitem arrefecer à temperatura ambiente.
  4. Mergulhe os substratos em 0,12 M titânio tetracloreto (TiCl4) solução aquosa a 70 ° C durante 30 minutos e depois lave-os cuidadosamente, com DI água para remover qualquer residual TiCl4.
  5. Termicamente-recozer os substratos a 500 ° C, durante 1 h e então deixar arrefecer à temperatura ambiente por uma melhoria interfacial da camada2 c-TiO. Armazenar o resultante c-TiO2-revestido de substratos em N2-preenchido as condições até o uso.

3. preparação do TiO de mesoporos2 camadas (m-TiO2) para melhorar a extração do elétron

  1. Para a preparação de uma solução de precursor de2 m-TiO, adicione 1 g de 50 nm e médias TiO2 nanopartículas Cole (SC-HT040) para um frasco de vidro de 10 mL com 3,5 g de 2-propanol e 1 g de terpineol e em seguida, misture tudo até o colar perfeitamente dissolvido.
    Nota: A 50 nm de tamanho TiO2 nanopartículas colar é altamente viscoso e deve ser manuseado com cuidado usando uma espátula.
  2. Rotação-elenco 200 µ l da solução preparada de 50 nm e médias TiO2 nanopartículas colar a 5.000 rpm por 30 s para o c-TiO2-revestido substratos FTO.
  3. Termicamente-recozer os substratos resultantes em um forno a 500 ° C, durante 1 h e então lhes permitem arrefecer à temperatura ambiente.
  4. Mergulhe os substratos em 0,12 M TiCl4 solução aquosa a 70 ° C durante 30 minutos e depois lave completamente com água de DI para remover qualquer residual TiCl4.
  5. Termicamente-recozer os substratos a 500 ° C, durante 1 h e então deixar arrefecer à temperatura ambiente por uma melhoria interfacial da camada2 m-TiO. Loja do c-TiO resultante2- e m-TiO2-revestido de substratos em N2-preenchido as condições até usado.

4. fabricação de Cristiana2eu7 filmes finos

  1. Trate os substratos de vidro nua sob uma lâmpada de ultravioleta (UV) com uma intensidade de 45 mA/cm2 com um ozônio UV limpador para 10 min garantir que os substratos são limpos e hidrofílico. Não trate o TiO c - e m2-revestido substratos FTO com o ozônio UV limpador.
    Nota: espectros de (FT-IR) infravermelhos-transformada de Fourier, absorção e difração de raios x (XRD) foram investigados usando Ag-Bi-eu filmes finos fabricados em substratos de vidro desencapado. O c - e m-TiO2-substratos revestidos de FTO foram usados para dispositivos de célula solar.
  2. Vigorosamente o vórtice 0,3 g de BiI3 (0.5087 mmol), 0,06 g de AgI (0.2544 mmol), e 3 mL de n-Butilamina até que tudo é completamente dissolvido e depois seringa-filtrar a mistura usando um 0,2 µm-tamanho de poro de politetrafluoretileno (PTFE) do filtro.
  3. Larguem a 200 µ l da solução de precursor para os substratos e em seguida girar-elenco a 6.000 rpm para 30 s, com uma umidade controlada abaixo dos 20%. Transferir imediatamente o filme vermelho-amarelado resultante para um N2-enchido luvas pronta para recozimento térmico.
  4. Começar o recozimento térmico do filme resultante à temperatura ambiente, em seguida, aqueça o filme a 150 ° C e manter uma temperatura de 150 ° C por 30 min. saciar rapidamente o filme recozido à temperatura ambiente. O último filme terá uma cor brilhante e marrom-escura. Para saciar rapidamente o substrato recozido, remova-o da placa que foi definida a 150 ° C.
  5. Para Ag-Bi-eu ternários filmes finos de uma composição diferente, tais como Ag2BiI5, altere a relação molar de precursor de AgI para BiI3 de 1:2 a 2:1 e use o mesmo volume do solvente n-Butilamina. Recoze o filme resultante usando o método descrito acima.
  6. Para investigar a temperatura-dependente Ag-Bi-eu formação usando padrões XRD, espectros FT-IR, superfície morfologias e espectros de absorvância, use altas temperaturas do recozimento térmicas de 90, 110 e 150 ° C para os Ag-Bi-eu ternários filmes finos.

5. fabricação de células solares elabora usando Cristiana2eu7 filmes finos

  1. Usar o poly(3-hexylthiophene) (P3HT) como um buraco-transportando material no Cristiana2eu7 células solares de película fina. Adicionar 10 mg de P3HT para 1 mL de clorobenzeno e em seguida, agitar a mistura a 50 ° C por 30 min, até o P3HT perfeitamente dissolvido. Usando um filtro PTFE 0,2 µm-poro-tamanho do filtro. Preparar e armazenar o P3HT em um N2-encheu o porta-luvas.
  2. Soltar 100 µ l do P3HT dissolvido em clorobenzeno para a Cristiana27 filmes finos fabricados no c - e m-TiO2-revestido substratos FTO e em seguida girar-elenco os substratos em 4.000 rpm para 30 s em um N2-encheu o porta-luvas. Termicamente-recoza o filme P3HT a 130 ° C por 10 min para a orientação estrutural do P3HT.
  3. Use um evaporador térmico com uma taxa de deposição de 0,5 Å / s e uma barra padrão máscara de sombra para depositar 100 eletrodos nm de espessura ouro (Au), como um metal top contato no Cristiana27 células solares de película fina.

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Resultados

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Tem sido relatado que a Ag-Bi-eu ternários sistemas, que são considerados como promissoras semicondutores, são cristalizados em diversas composições, tais como Cristiana27, AgBiI4e Ag2BiI5,10, de acordo com a razão molar de AgI para BiI3. Estudos anteriores mostraram que formas de cristal granel com várias composições de sistemas ternários de Ag-Bi-que podem ser sintetizadas experimentalmente, altera...

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Discussão

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Nós fornecemos um protocolo detalhado para a preparação de solução de Ag-Bi-eu ternários semicondutores, que estão a ser explorados como absorventes de chumbo fotovoltaicos em células solares de película fina com arquiteturas de dispositivo mesoscópica. c-TiO2 camadas foram formadas em substratos FTO para evitar o vazamento de elétrons fluindo para os eletrodos FTO. m-TiO2 camadas foram formadas sequencialmente na c-TiO2-revestido substratos FTO para melhorar as extrações de elétrons gera...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado pelo Daegu Gyeongbuk Instituto de ciência e tecnologia (DGIST) pesquisa e programas de desenvolvimento (R & D), do Ministério da ciência, TIC e futuro planejamento da Coreia (18-ET-01). Este trabalho também foi apoiado pelo Instituto Coreia de avaliação de tecnologia de energia e Planning(KETEP) e o Ministério do comércio, indústria & Energy(MOTIE) da República da Coreia (n º 20173010013200).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Iodeto de bismuto (III), Puratronic, 99,999% (base de metais)Afa Aesar7787-64-6armazenado em condição preenchida com N2
Iodeto de prata, Premion, 99,999% (base de metais)Afa Aesar7783-96-2armazenado em condição preenchida com N2
Butilamina 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Álcool isopropílico (IPA)Duksan67-63-0Elétrico de Alta Pureza GRAU
Titânio(IV) isopropóxidoSigma-Aldrich546-68-9≥ 97.0%
Álcool etílicoSigma-Aldrich64-17-5200 prova, reagente ACS, ≥ 99,5%
ácido clorídricoSAMCHUN7647-01-0
Tetracloreto de titânio extra puro (TiCl4)sharechem
50nm-sized TiO2 pasta de nanopartículassharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0anidro, 99,5%
TerpineolMerck8000-41-7
forno de aquecimentoDifração
Oxygen (O2) plasmaAHTECHDratômetro
RigakuRigaku Miniflex 600 com contador de cintilação NaI e usando radiação monocromatizada-K&alpha
(1,5406 Å comprimento de onda).
Infravermelho por transformada de Fourier (FTIR)Microscópio eletrônico deBruker Tensor 27
(FE-SEM)Espectros de UV-Vis HitachiHitachi SU8230
PerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Espectrofotômetro
Espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta (UPS)InstrumentosPHI5500 sistema Multi-Technique
de raios X (XRD) WiseTherm varredura por emissão de campo Bruker RBD

Referências

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