Waiting
Processando Login

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

Chemistry

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

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

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.

Abstract

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.

Introduction

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 %.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 gesynthetiseerd door het veranderen van de molaire verhouding van AgI en BiI3 en dat elke samenstelling een verschillende XRD patroon10 heeft.

In tegenstelling tot bulk kristallen, die wij willen ontwikkelen oplossing-verwerkte Ag-Bi-I ternaire dunne lagen, die direct als een actieve laag in opto-elektronische apparaten kunnen worden gebruikt. In deze studie was n-butylamine gebruikt als oplosmiddel te ontbinden tegelijk AgI en BiI3 en vervolgens bereid elke Ag-Bi-I dunne film met een verschillende molaire AgI in verhouding tot BiI3 (1:2, 1:1 en 2:1). Eerst voerden we XRD metingen op elke film (Figuur 1). De XRD patronen voor de Ag-Bi-I dunne film met een molaire verhouding van 1:2 (AgI:BiI3) bereid toonde een één piek op 2θ ~ 42 °; Dit geeft aan dat AgBi2ik7 heeft een kristallijne samenstelling met een kubieke structuur (ruimtegroep Fd3m, een = b = c = 12.223 Å). Splitsing van de piek was echter duidelijk in de regio van 2θ ~ 42° wanneer de molaire verhouding van AgI:BiI3 1:1 overschreden, en de film met een molaire ratio van 2:1 dat Ag2BiI5 toonde heeft een hexagonale structuur (ruimtegroep R3m, een = b = 4.350 Å c = 20.820 Å)10,12.

Wij ook de absorptie van UV-Vis van de AgBi2gemeten ik7 en Ag2BiI5 thin films die waren voorbereid op de glazen substraten (Figuur 2a). Zodra de absorptiespectra waren genormaliseerd, de AgBi2ik7 dunne film geabsorbeerd langere golflengten, tot ~ 740 nm, dan de Ag2BiI5 dunne film. Figuur 2 toont de bovenaanzicht scanning elektronen microscopie (SEM) beelden van elke film. De bovengrondse morfologie van de AgBi2ik7 dunne film duidelijk kan worden gezien met grote korrels en een donker bruine kleur (Figuur 2b). De Ag2BiI5 dunne film blijkt echter licht deeltjes op de korrels, die uit de overtollige AgI13,14,15,16, en een licht bruine kleur ( voortvloeien Figuur 2 c). Wij, daarom koos voor het gebruik van de AgBi2ik7 samenstelling voor verdere studie, want het is meer geschikt voor dunne film gebaseerde opto-elektronica in termen van licht absorptie en oppervlakte morphologies dan de Ag2BiI5 samenstelling .

Figuur 3a toont aan dat de experimentele XRD patroon van de oplossing-verwerkte AgBi2ik7 dunne film komt overeen met de gerapporteerde en berekende XRD patronen van AgBi2ik7 kristallen zonder de vorming van secundair fasen. Zoals eerder vermeld, we bevestigd dat de AgBi2ik7 dunne film heeft een kubieke structuur (ruimtegroep Fd3m, een = b = c = 12.223 Å). Bovendien, de AgBi2ik7 film is zeer vochtigheid - en lucht-stable met geen structurele veranderingen wanneer opgeslagen in de lucht voor 10 d; Dit is begrijpelijk omdat AgI zeer stabiel in een waterig medium (Figuur 3b)13,14,15,16 is.

Figuur 4a toont een reeks XRD patronen voor Ag-Bi-I dunne lagen als een functie van de onthardende temperatuur in N2-voorwaarden gevuld. We hebben bevestigd dat Ag-Bi-I begint te kristalliseren boven 90 ° C in de vorm van de kubieke fase, zoals blijkt uit de (111), (400), en (440) pieken bij 13°, 29° en 42°, respectievelijk (dat wil zeggen, die overeenkomen met de sterretjes in figuur 4a). De XRD pieken in de kleine hoek regio's (2θ < 10°) aanzienlijk verminderd als de temperatuur verhoogd, en definitief verdwijnen bij 150 ° C met de geleidelijke verhoging van kubieke fase diffractions; Dit geeft aan dat de AgBi2ik7 film was volledig uitgekristalliseerd in de kubieke fase17. De spectra FTIR werden gemeten om te onderzoeken van de vorming van de systemen van de Ag-Bi-ik in detail (figuur 4b). De als-voorbereid en niet-gegloeid film toonde de FTIR-signalen voor N-H uitrekken (3200-3600 cm-1), C-H uitrekken (2850-2980 cm-1) en N-H buigen (1450-1650 cm-1) die het gevolg is van de n-butylamine-18. Hoewel de film als-bereid was gegloeid bij 90 ° C, boven het kookpunt van n-butylamine (77-79 ° C), toonde de FTIR-spectra nog de bijbehorende pieken, hoewel zij werden aanzienlijk verlaagd. Dit geeft aan dat de resterende n-butylamine zwak was gebonden aan de BiI3 en AgI in de vorm van een metaal halogenide-amine complex, het onderdrukken van de vorming van de bouwstenen in de Ag-Bi-I door de rand, vertex- of delen van het gezicht19. Deze signalen FTIR verdwenen als de temperatuur steeg verder; Dit is te verklaren door de afschaffing van de n-butylamine die was gebonden aan de BiI3 en AgI complexen en die is nauw verwant aan de kristallisatie van AgBi2ik7. Wij onderzocht ook de oppervlakte morphologies van de Ag-Bi-ik films gegloeid bij elke temperatuur zoals weergegeven in Figuur 4 c. Als de temperatuur boven 110 ° C stijgt, beginnen de Ag-Bi-ik films geleidelijk te kristalliseren in de kubieke fase met kleine korrels, en volledig kristalliseren met dichte en uniform oppervlak morphologies met inbegrip van grote korrels met de grootte van 200-800 nm (dat wil zeggen, het nummer van de kristallisatie per oppervlakte-eenheid was 4.08 x 108 #/cm2) bij 150 ° C.

We de optische absorptie van de Ag-Bi-I dunne films met behulp van UV-Vis-spectroscopie te onderzoeken van de wijzigingen in de optische eigenschappen als functie van de onthardende temperatuur gemeten. Figuur 5a blijkt een aanzienlijk verschil in de opname voor en na de thermische gloeien van de film. De film als-bereid toonde een gelige kleur en een absorptiespectrum met een helder en scherp exciton-piek op 474 nm20tentoongesteld. De absorptiespectra voor de films waren dramatisch rood-verschoven als de onthardende temperatuur verhoogd en, tot slot, we een absorptiespectrum van voldoende absorberend in het bereik van het zichtbare licht (350-740 nm verkregen). De optische band gap (Eg) van de AgBi2ik7 dunne film bij 150 ° C gegloeid is verkregen uit de plot van de Tauc met behulp van de vergelijking αhv ~ (hv-E-g)1/2, waar α is de d'absorption acoustique en hv is het foton-energie. Hier, werd Eg berekend als 1.87 eV (Figuur 5b). We gebruikten ook UV photoelectron spectroscopy (UPS) met He ik (21.22 eV) foton lijndiensten tussen een gasontladingslamp te onderzoeken van de Fermi-energie (Ef) en de valentie band energie (Ev) niveau van de resulterende AgBi2ik 7 film (Figuur 5 c). Voor deze meting van de UPS, werd de film voorbereid op een gouden substraat. De E-f werd bepaald met behulp van de cutoff energie (Ecutoff) zoals aangegeven in Figuur 5 c en was berekend op 5.05 eV met behulp van de vergelijking: Ef = 21.22 eV (hij ik)-Ecutoff . Lineaire extrapolatie in de lage bindingsenergie regio geeft Ev−Ef en Ev werd daarom vastgesteld 6.2 eV. De geleiding band energie (Ec) werd geëvalueerd aan de hand van de kloof van de optische band verkregen uit het Tauc perceel, waardoor het mogelijk is om te tekenen van een schematische energieniveau diagram van de AgBi2I7 film, zoals weergegeven in figuur 5 d .

Figure 1
Figuur 1: verschillende kristallijne composities van oplossing-verwerkte Ag-Bi-I ternaire dunne films. Dit paneel toont XRD patronen van Ag-Bi-I dunne films vervaardigd met behulp van verschillende molaire ratio's van AgI BiI3 na de thermische gloeien bij 150 ° c (1) 1:2, (2) 1:1, en (3) 2:1. De referentie XRD patronen van AgBi2ik7 en Ag2BiI5 werden verkregen uit PDF-kaart nr. 00-034-1372 en PDF-kaart nr. 00-035-1025, respectievelijk. De onderbroken vak geeft de belangrijkste XRD patroon gebruikt om te identificeren van de verschillende kristallisaties van de Ag-Bi-I ternaire dunne films. Dit cijfer is gewijzigd van het werk door Kim et al. 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Vergelijking van de oplossing-verwerkte AgBi2ik7 en Ag2BiI5 thin films. (een) dit paneel toont genormaliseerde UV-Vis absorptiespectra AgBi2ik7 en Ag2BiI5 thin films. De andere twee deelvensters zijn bovenaanzicht SEM beelden van (b) AgBi2ik7 en (c) Ag2BiI5 thin films, bereid op glazen substraten met verschillende molaire ratio's van precursoren AgI BiI3. De inzetstukken in panelen b en c tonen de foto's van elke dunne film. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: Kristal structuur en lucht stabiliteit van de oplossing-verwerkte AgBi2ik dunne films van7 . (een) dit paneel toont de experimentele XRD piek gegevens van een AgBi2ik7 dunne film. De referentie- en berekende XRD gegevens voor AgBi2ik7 worden verkregen PDF-kaart nr. 00-034-1372 en computerprogramma VESTA, respectievelijk. (b) dit paneel toont de resultaten van een onderzoek van de stabiliteit van de lucht van AgBi2ik7 dunne lagen met behulp van XRD meting. De XRD van AgBi2ik7 werd gemeten vóór en na het monster was opgeslagen in de lucht voor 10 d. Dit cijfer is gewijzigd van het werk door Kim et al. 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: structurele verandering van de Ag-Bi-I ternaire dunne lagen met een verschillende thermisch onthardende temperatuur. Deze panelen weergeven (een) XRD spectra, (b) FTIR spectra en (c) bovenaanzicht SEM beelden van oplossing-verwerkte Ag-Bi-I dunne lagen als een functie van de thermische onthardende temperatuur. De sterretjes in het deelvenster een geven de belangrijkste gekristalliseerde XRD pieken van AgBi2ik7. Dit cijfer is gewijzigd van het werk door Kim et al. 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: Optische bandgap en energie band diagrammen voor AgBi2ik dunne films van7 . De bovenste twee panelen tonen (een) UV-Vis spectra en (b) Tauc percelen van Ag-Bi-I ternaire dunne films met een verschillende onthardende temperatuur. (c) dit paneel toont de gegevens van de UPS in een hoge bindingsenergie regio van een AgBi2ik7 dunne film gegloeid bij 150 ° C. (d) Dit is een weergave van een energie-band-diagram van een AgBi2ik7 dunne film berekend aan de hand van de Tauc plot en UPS. Dit cijfer is gewijzigd van het werk door Kim et al. 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 gegenereerd op basis van de fotovoltaïsche absorptieflessen (dat wil zeggen, de Ag-Bi-I dunne films). Zowel c-TiO2 en m-TiO2 werden behandeld met TiCl4 waterige oplossingen om passivate de TiO2 oppervlakte vallen; Dit leidt tot de Interfaciale verbetering van elke TiO2 laag. De voorloper van de Ag-Bi-I-oplossing was spin-bekleed met de luchtvochtigheid gehandhaafd onder de 20%; Dit was omdat butylamine oplosmiddel een laag kookpunt heeft en zeer reactief met vocht in de lucht, die de bovengrondse morfologie sterk kan beïnvloeden. De resulterende geelachtig-rood dunne films waren thermisch gegloeid in een N-2-handschoenenkastje gevuld met het oog op de daaruit voortvloeiende zwart / bruine en glanzend dunne films van AgBi2ik7. Wanneer gegloeid in omgevingsomstandigheden, de Ag-Bi-I dunne films toonde roodachtig kleuren en wazige morphologies, als gevolg van de oxidatie van bismut jodide. Voltooi de apparaat-fabricage, was P3HT rotatie-gegoten op AgBi2ik7 dunne lagen, gevolgd door een afzetting van goud (Au), te functioneren als een gat-vervoer laag en bovenste elektrode, respectievelijk.

Zoals blijkt uit Figuur 1 en Figuur 2, Ag-Bi-I ternaire systemen zijn uitgekristalliseerd in verschillende samenstellingen, zoals AgBi2ik7 en Ag2BiI5, volgens de voorloper van de verschillende ratio's van AgI en BiI3. De thermische onthardende voorwaarden beïnvloeden de absorptie korrelgroottes en de bovengrondse morfologie van de als-bereid Ag-Bi-I dunne films. Eerdere studies op Ag-Bi-I ternaire systemen gericht op de synthese en analyse van bulk kristallen; echter hebben we gemeld voor de eerste keer dat AgBi2ik7 dunne lagen kunnen worden voorbereid met een proces van spin coating-gebaseerde oplossing wordt en vervolgens gebruikt met succes als een zonnecel loodvrij absorber11. Veel onderzoekers hebben onlangs, dit werk gevolgd om de verdere ontwikkeling van de kwaliteit van het materiaal zelf, evenals de zonnecel prestaties21,22.

Er is nog ruimte voor de verdere ontwikkeling van de oplossing-verwerkte Ag-Bi-I ternaire dunne-film zonnecellen wat betreft materiaalkwaliteit en apparaat het platform engineering. Vele artikelen over de Ag-Bi-I ternaire materialen zijn onlangs gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften en wij zijn daarom van mening dat verder onderzoek naar Ag-Bi-I ternaire systemen grote vooruitgang op het gebied van de oplossing-verwerkte maken zal en milieu-vriendelijke dunne-film zonnecellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

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).

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

Chemie kwestie 139 bismut jodide Zilverjodide Ag-Bi-I ternaire dunne film oplossingsproces niet-toxisch halfgeleider fotovoltaïsche absorber
Oplossing-verwerkte "Zilver-bismut-Iodine" ternaire dunne lagen voor fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen
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