Методическая статья

Решение обработано «Серебро висмут йод» тройных тонких пленок для свинца фотоэлектрических амортизаторы

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 сентября 2018 г.

 ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь, мы представляем подробные протоколы для решения обработано серебро висмут йод (АГ-Bi-I) троичной полупроводниковых пленок на TiO2-покрытая прозрачным электродов и их потенциальное применение как воздух stable и свинца бесплатно оптоэлектронные устройства.

Аннотация

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

На основе висмута гибридные перовскитов рассматриваются как перспективных фото активные полупроводников для окружающей среды и воздуха stable солнечной ячейки приложений. Однако бедные поверхности морфологии и относительно высокой bandgap энергий ограничили их потенциал. Серебро висмут йод (Ag-Bi-I) является перспективным полупроводниковых оптоэлектронных устройств. Таким образом мы демонстрируем изготовление Ag-Bi я троичного тонких пленок, с использованием материала решения обработки. Результате тонких пленок проявлять контролируемой поверхности морфологии и оптических нанофотоэлектролиза, согласно их тепловой температуры отжига. Кроме того, сообщалось, что АГ-Bi я тройных систем кристаллизуются индекс AgBi2я7, Ag2ВП5и т.д. по словам соотношение химических веществ – прекурсоров. Решение обработано индекс AgBi2я7 тонких пленок проявлять кубической фазы кристаллической структуры, плотные, Пинхол бесплатный морфологии поверхности с зернами размером от 200 до 800 Нм и косвенные bandgap 1.87 eV. В результате индекс AgBi2я7 тонких пленок показать хороший кондиционер энергии и стабильности группы диаграмм, а также поверхности морфологии и оптических нанофотоэлектролиза подходит для свинца и воздуха stable сингл сочленения солнечных батарей. Совсем недавно солнечных батарей с 4,3% эффективности преобразования энергии был получен путем оптимизации Ag-Bi я кристалл композиции и архитектуры устройств солнечных батарей.

Введение

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

Решение обработанных неорганическими тонкопленочных солнечных батарей были широко изучены многих исследователей, стремящихся преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество1,2,3,4,5. С развитием архитектуры материала синтеза и устройства ведущий галогенид основе перовскитов поступили быть лучшим амортизаторы солнечных батарей с эффективности преобразования энергии (PCE) больше 22%5. Однако растет обеспокоенность по поводу использования токсичных свинца, а также вопросы стабильности свинца галоидных перовскита, сам.

Недавно было сообщено, что на основе висмута гибридные перовскитов может быть создана путем включения моновалентной катионов в сложных блок Иодид висмута и что они могут использоваться как фотоэлектрические амортизаторы в мезоскопических фотоэлемент архитектуры6, 7,8. Ведущую роль в перовскитов может быть заменен с висмута, который имеет 6s2 наружная Лон пара; Однако пока только обычных свинцовых галоидных методологии были использованы для совместной работы на основе висмута перовскитов со сложными кристаллических структур, несмотря на тот факт, что они имеют различные степени окисления и химические свойства9. Кроме того эти перовскитов имеют плохой поверхности морфологии и производят относительно толстые фильмов в контексте приложений тонкопленочных устройств; Таким образом они имеют плохой фотоэлектрических производительность с высоким запрещенной зоны энергии (> 2 eV)6,,78. Таким образом мы стремились найти новый метод для производства на основе висмута тонкопленочных полупроводников, которые являются экологически чистые, воздух стабильной, и имеют низкий запрещенной зоны энергии (< 2 eV), учитывая дизайн материала и методологии.

Мы представляем решение обработано Ag-Bi я троичного тонких пленок, которые могут быть кристаллизуется в индекс AgBi2я7 и Ag2ВП-5, для свинца и воздуха stable полупроводников10,11. В это исследование индекс AgBi2я7 композиция, n бутиламин используется как растворитель одновременно распустить йодистого серебра (AgI) и висмута йодид (3ВП) прекурсоров. Смесь спин литой и отожженной при 150 ° C на 30 мин в N2-заполнены перчаточный ящик; Впоследствии фильмы закалку до комнатной температуры. Результирующая тонких пленок Браун черный цвет. Кроме того на поверхности морфологии и кристалл состав тройных систем Ag-Bi я находятся под контролем температуры нагрева при отжиге и прекурсоров соотношение AgI/ВП3. В результате индекс AgBi2я7 тонких пленок проявлять кубической фазы кристаллической структуры, густой и гладкой поверхности морфологии с большими зерна 200-800 Нм в размер и оптический полоса разрыв 1.87 eV, начинают поглощать свет с длиной волны 740 Нм . Недавно сообщалось, что оптимизируя кристалл композиции и архитектуры устройств, Ag-Bi я троичного тонкопленочных солнечных элементов может достичь PCE 4,3%.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка голые стекла, легированный фтором оксида олова (SnO2: F) подложках

  1. Чтобы очистить голые стекло, легированный фтором оксид олова (ИТО) субстратов, sonicate их последовательно в водный раствор, содержащий 2% Тритон, деионизированную (DI) воды, ацетон и изопропиловый спирт (IPA), продолжительностью 15 мин.
  2. Положите очищенный субстратов в Отопление печи при 70 ° C для 1 h удалить остаточные МФА.

2. Подготовка компактных TiO2 слоя (2c Тио) блокировать электроны

  1. Для приготовления раствора прекурсоров c-TiO2 оставьте 0,74 мл титана isopropoxide (TTIP) медленно в 8 мл безводного этилового спирта (EtOH) при перемешивании энергично и затем быстро внедрить 0,06 мл соляной кислоты (HCl) в решение. Смешайте полученный раствор на ночь при комнатной температуре.
    Примечание: Используйте стеклянный флакон 20 мл, 35-37% концентрации HCl и магнитной мешалкой.
  2. Фильтр подготовленный c-TiO2 прекурсоров решения с помощью шприца и 0,2 мкм поры фильтра, поместите его на очищенную FTO подложку и затем спин литой субстрата при 3000 об/мин за 30 s.
  3. Термически отжиг субстратов путем нагревать их в духовке при температуре 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры.
  4. Замочите субстратов в водном растворе 0,12 М титана тетрахлорид (4TiCl) при 70 ° C за 30 минут, а затем вымыть их тщательно с помощью DI воды для удаления любых остаточных TiCl4.
  5. Термически отжиг субстратов на 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры для поверхностное улучшение c-TiO2 слоя. Хранить в результате c-TiO2-покрытием субстратов в N2-заполнены условий до использования.

3. Подготовка мезопористых TiO2 слоя (2m Тио) для улучшения извлечения электрона

  1. Для подготовки решения прекурсоров m-TiO2 , добавить 1 g 50 Нм размера TiO2 наночастиц вставить (SC-HT040) в 10 мл флаконе стекла с 3.5 g 2-пропанол и 1 g терпинеола и затем перемешайте все до тех пор, пока паста идеально растворяется.
    Примечание: 50 Нм размера TiO2 наночастиц пасты высоковязких и должны быть тщательно обработаны с помощью шпателя.
  2. Спин литой 200 мкл подготовленный 50 Нм размера TiO2 наночастиц вставить решения при 5000 об/мин за 30 s на c-TiO2-покрытием FTO субстратов.
  3. Термически отжиг результате субстратов в духовке при температуре 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры.
  4. Замочите субстратов в растворе4 TiCl 0,12 М при 70 ° C за 30 минут, а затем вымыть их полностью с помощью DI воды для удаления любых остаточных TiCl4.
  5. Термически отжиг субстратов на 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры для поверхностное улучшение м-TiO2 слоя. Магазин результате c-TiO2- и м-TiO2-покрытием субстратов в N2-заполнены условия пока не используется.

4. Изготовление индекс AgBi2я7 тонких пленок

  1. Лечить голые стеклянные подложки под лампу ультрафиолетового (УФ) с интенсивностью 45 мА/см2 с озона УФ очиститель для 10 мин для обеспечения чистой и гидрофильные субстратов. Не относитесь к c и m TiO2-покрытием FTO субстратов с озона УФ чище.
    Примечание: рентгеновская дифрактометрия (XRD), поглощения и Фурье ИК спектры (FT-IR) были исследованы с помощью Ag-Bi я тонких пленок на голой стеклянные подложки. C - и м-TiO2-покрытием FTO субстратов были использованы для солнечных батарей устройств.
  2. Энергично вихревой 0,3 г ВП3 (0.5087 ммоль), 0,06 г Аги (0,2544 ммоль), и 3 мл n бутиламин до тех пор, пока все полностью не растворится и затем шприц фильтр смесь с помощью 0,2 мкм поры политетрафторэтилена (ПТФЭ) фильтр.
  3. Падение 200 мкл раствора прекурсоров на субстраты и затем спин литой их при 6000 об/мин за 30 сек с контролируемой влажности ниже 20%. Немедленно передать полученный фильм желтовато красный N2-заполнены перчаточного ящика готов к термический отжиг.
  4. Начать, термический отжиг результате фильма при комнатной температуре, затем нагреть фильм до 150 ° C и поддерживать температуру 150 ° c за 30 мин быстро утолить отожженная фильм до комнатной температуры. Последний фильм будет иметь блестящие и Браун черный цвет. Чтобы быстро утолить отожженная субстрата, удалите его из горячей плиты, который был установлен до 150 ° C.
  5. Ag-Bi я троичного тонких пленок различного состава, например Ag2ВП5изменить прекурсоров молярное соотношение AgI ВП3 от 1:2 2:1 и использовать такой же объем растворителя n бутиламин. Отжиг полученный фильм, используя метод, описанный выше.
  6. Расследовать температур зависимая Ag-Bi-I формирование с помощью XRD шаблоны, FT-ИК спектры, поверхности морфологии и спектров поглощения, используйте тепловой температуры нагрева при отжиге и 90, 110, 150 ° C для тройных тонких пленок Ag-Bi-I.

5. Изготовление солнечных батарей придумывает, используя индекс AgBi2я7 тонких пленок

  1. Используйте poly(3-hexylthiophene) (P3HT) как отверстие транспортировки материала в индекс AgBi2я7 тонкопленочных солнечных батарей. Добавить 10 мг P3HT в 1 мл хлорбензол и затем перемешать смесь при 50 ° C за 30 мин до тех пор, пока P3HT совершенно не растворится. Фильтрация с использованием 0.2 мкм поры PTFE фильтр. Подготовить и хранить P3HT в N2-заполнены перчаточный ящик.
  2. Падение 100 мкл P3HT растворяется в хлорбензол на индекс AgBi27 тонких пленок на c и m TiO2-покрытием FTO субстратов, а затем спин литой субстрата при 4000 об/мин за 30 s в N2-заполнены перчаточный ящик. Термически отжиг P3HT фильм при 130 ° C 10 мин для структурной ориентации P3HT.
  3. Используйте тепловой испарителя с скорость осаждения 0.5 Å / s и бар шаблон теневой маски на депозит 100 Нм толщиной золота (Au) электродов, как топ металл контакта в индекс AgBi27 тонкопленочных солнечных батарей.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Сообщалось, что АГ-Bi я тройных систем, которые рассматриваются в качестве перспективных полупроводников, являются кристаллизуется в различных композиций, таких как индекс AgBi2я7,4AgBiI и Ag2ВП510, согласно Молярное соотношение AgI ВП3. Предыдущие исследования показали, что основная Кристалл формы с различными композициями Ag-Bi я тройных систем могут синтезироваться экспериментально, изменив молярн...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Мы предоставили подробный протокол для изготовления Ag-Bi я троичного полупроводников, которые должны быть использованы как свинец фотоэлектрических амортизаторы в тонкопленочных солнечных батарей с мезоскопических устройство архитектуры решения. c-TiO2 слоя были сформированы на FTO субстратов, чтобы избежать утечки электрона, впадающих в FTO электродов. m-TiO2 слоя последовательно были сформированы на c-TiO2-покрытием FTO субстратов для повышения извлечений электрона, генерируется из фот...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Дэгу Gyeongbuk институт науки и технологии (DGIST) исследования и разработки (R & D) программы министерства науки, ИКТ и будущего планирования Кореи (18-ET-01). Эта работа была также поддержана Кореи Институт энергетической технологии оценки и Planning(KETEP) и Министерство торговли, промышленности и Energy(MOTIE) из Республики Корея (№ 20173010013200).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Висмут(III) йодид, пуратроник, 99,999% (на основе металлов)Afa Aesar7787-64-6хранится в состоянии с N2-наполнением
Йодид серебра, Premion, 99,999% (на основе металлов)Afa Aesar7783-96-2хранится в состоянии с N2-наполнением
Бутиламин 99,5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Изопропиловый спирт (IPA)Duksan67-63-0Электрический высокочистый
GRADE Изопропоксид титана(IV)Sigma-Aldrich546-68-9≥ 97,0%
Этиловый спиртSigma-Aldrich64-17-5200 proof, реагент ACS, ≥ 99,5%
Соляная кислотаSAMCHUN7647-01-0Сверхчистый
тетрахлорид титана (TiCl4)sharechem
50-нм паста из наночастиц TiO2sharechem
2-пропанолSigma-Aldrich67-63-0безводный, 99,5%
ТерпинеолMerck8000-41-7
Нагревательная печьWiseTherm
Кислород (O2) плазменный
)дифрактометр Rigaku Rigaku Miniflex 600 со сцинтилляционным счетчиком NaI и использованием монохроматизированного излучения Cu-K&alpha
(1,5406 Å длина волны).
Инфракрасный микроскоп с преобразованием Фурье (FTIR)ПолевойTensor 27
(FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
УФ-ВИД спектрыPerkinElmer PerkinElmerLAMBDA 950
Спектрофотометр
Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (ИБП)RBD InstrumentsPHI5500 Многофункциональная система
рентгеновский дифракционный (XRD) AHTECH эмиссионный сканирующий электронный микроскоп Bruker

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

AgBi2I7

Похожие статьи