Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Lagedruk Vapor-bijgewoonde oplossingsproces voor afstembare Band Gap Pinhole-vrije Methylammonium lood halogenide perovskiet Films

doi: 10.3791/55404 Published: September 8, 2017
* These authors contributed equally

Summary

Hier presenteren we een protocol voor de synthese van33NH CH I en CH3NH3Br precursoren en de daaropvolgende vorming van pinhole-vrije, continue CH3NH3PbI3-xBrx dunne lagen voor de toepassing in hoge efficiëntie zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten.

Abstract

Organo-lead halogenide perovskites hebben onlangs trok veel belangstelling voor potentiële toepassingen in dunne-film fotovoltaïsche zonne-energie en opto-elektronica. Hierin presenteren wij een protocol voor de fabrikatie van dit materiaal via de lagedruk damp bijgestaan oplossing proces (LP-VASP) methode, die ~ 19% energie conversie-efficiëntie in vlakke heterojunctie perovskiet zonne-cellen levert. Eerst, rapporteren we de synthese van methylammonium jodide (CH3NH3ik) en methylammonium bromide (CH3NH3Br) van methylamine en het bijbehorende halogenide zuur (HI of HBr). Vervolgens beschrijven we de fabricage van pinhole-vrije, continue methylammonium-lead halogenide perovskiet (CH3NH3PbX3 met X = ik, Br, Cl en hun mengsel) films met de LP-VASP. Dit proces is gebaseerd op twee stappen: i) spin-coating van een homogene laag van lood halogenide voorloper op een substraat, en ii) conversie van deze laag naar CH3NH3PbI3-xBrx door het substraat te dampen uit een mengsel van CH bloot te leggen 3 NH3I en CH3NH3Br bij verlaagde druk en 120 ° C. We bereiken via trage diffusie van de methylammonium halogenide damp in de voorloper van de lood-halogenide, langzame en gecontroleerde groei van een continue, pinhole-gratis perovskiet film. De LP-VASP biedt synthetische toegang tot de volledige halogenide samenstelling ruimte in CH3NH3PbI3-xBrx met 0 ≤ x ≤ 3. Afhankelijk van de samenstelling van de damp-fase, de bandgap kan worden afgestemd tussen 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV. Bovendien, door het variëren van de samenstelling van de voorloper van het halogenide van de damp-fase, kunnen we ook verkrijgen CH3NH3PbI3-xClx. Films die zijn verkregen van de LP-VASP zijn reproduceerbaar, puur zoals bevestigd door röntgendiffractie metingen en Toon hoge fotoluminescentie quantumrendement fase. Het proces is niet vereist voor het gebruik van een handschoenenkast.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Hybride organisch-anorganische lood halogenide perovskites (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) zijn een nieuwe klasse van halfgeleiders die snel is ontstaan in de afgelopen jaren. Deze materiële klasse bevat uitstekende halfgeleider eigenschappen, zoals hoge absorptie coëfficiënt1afstembare bandgap2, lange gratis vervoerder diffusie lengte3, hoge defect tolerantie4en hoge fotoluminescentie Quantum opbrengst5,6. De unieke combinatie van deze kenmerken maakt halogenide perovskites zeer aantrekkelijk voor toepassing in opto-elektronische apparaten, zoals één knooppunt7,8 en zonne-energie multijunction9, leiden 10, lasers11,12en13van de LEDs.

CH3NH3PbX3 films kunnen worden vervaardigd door een verscheidenheid van synthetische methoden14, die gericht zijn op verbetering van de efficiëntie van deze halfgeleidermateriaal voor energie toepassingen15. Echter, optimalisatie van fotovoltaïsche apparaten is afhankelijk van de kwaliteit van het halogenide perovskiet actieve laag, alsmede de interfaces met gratis selectieve contactpersonen (d.w.z. elektron en gat vervoer lagen), die photocarrier collectie in deze vergemakkelijken apparaten. Specifiek, zijn continu, pinhole-vrije actieve lagen nodig om te minimaliseren van shunt weerstand, waardoor de Apparaatprestaties van het.

Onder de meest wijdverbreide methoden voor het fabriceren van organo-lead halogenide zijn perovskiet dunne films oplossing- en vacuüm gebaseerde processen. De meest voorkomende oplossingsproces gebruikt mengsel ratio's van lood halogenide en methylammonium halogenide ontbonden dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), γ-butyrolacton (GBL) of mengsels van deze oplosmiddelen. 2 , 16 , 17 voorloper molarity en oplosmiddelen type, evenals het gloeien van temperatuur, tijd en sfeer, moet juist worden gecontroleerd met het oog op een continue en pinhole-vrije films. 16 bijvoorbeeld om verbetering van de dekking van de oppervlakte, een oplosmiddel-engineering techniek werd aangetoond aan opbrengst dichte en zeer uniform films. 17 in deze techniek, een niet-oplosmiddel (tolueen) is droop op de perovskiet laag tijdens het spinnen van de perovskiet oplossing. 17 deze benaderingen zijn meestal geschikt voor mesoscopische heterojunctions, die de dienst mesoporous TiO,2 als de selectieve contactpersoon van een elektron met grotere contactoppervlak en vervoerder vervoer lengte verminderd.

Echter, vlakke heterojunctions, die gebruik maken van selectieve contactpersonen op basis van dun (meestal TiO2) films, zijn meer wenselijk omdat ze bieden een eenvoudige en schaalbare configuratie die gemakkelijker kan worden aangenomen in de zonnecel technologie. Daarom is de ontwikkeling van de organo-lead halogenide perovskiet actieve lagen die hoge efficiëntie en stabiliteit onder bewerking voor vlakke heterojunctions weergeven kan leiden tot technologische vooruitgang op dit gebied. Een van de belangrijkste uitdagingen voor het fabriceren van vlakke heterojunctions is echter nog steeds vertegenwoordigd door de homogeniteit van de actieve laag. Een paar pogingen, op basis van vacuüm processen, hebben gedaan om te bereiden uniforme lagen op dunne TiO2 films. Bijvoorbeeld hebben Snaith en medewerkers aangetoond een dubbele verdamping proces, die zeer homogene perovskiet lagen met hoogvermogen conversie efficiëntie voor fotovoltaïsche toepassingen opleveren. 18 terwijl dit werk is een aanzienlijke vooruitgang in het veld, het gebruik van hoog vacuüm-systemen en het gebrek aan tunability van de samenstelling van de actieve laag beperken de toepasselijkheid van deze methode. Interessant is dat is extreem hoge uniformiteit bereikt met de damp-bijgewoonde oplossing proces (VASP)19 - en gemodificeerde lagedruk VASP (LP-VASP)6,20. Hoewel de VASP, voorgesteld door Yang en medewerkers19, hogere temperaturen en het gebruik van een handschoenenkastje vereist, de LP-VASP is gebaseerd op het gloeien van een voorsprong halogenide voorloper laag in de aanwezigheid van methylammonium halogenide damp, bij verminderen druk en relatief lage temperatuur in een fumehood. Deze specifieke voorwaarden inschakelen toegang gemengd perovskiet composities, en fabricage van pure CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xBrxen CH3NH3PbBr3 kan gemakkelijk worden bereikt. Specifiek, kunnen CH3NH3PbI3-xBrx films over de volledige samenstelling ruimte worden gesynthetiseerd met opto-elektronische hoge kwaliteit en reproduceerbaarheid6,20.

Hierin, bieden wij een gedetailleerde beschrijving van het protocol voor de synthese van organische-anorganische lood halogenide perovskiet lagen via LP-VASP, met inbegrip van de procedure voor de synthese van de methylammonium halogenide precursoren. Zodra de voorlopers worden gesynthetiseerd, bestaat vorming van CH3NH3PbX3 films uit een procedure in twee fasen, die bestaat uit i) de spin-coating van de PbI2/PbBr2 (PbI2of PbI2/PbCl 2) voorloper op glas substraat of fluor-doped tin oxide (FTT) gecoat glas substraat met vlakke TiO2, als elektronentransport laag, en ii) de lagedruk damp-bijgewoonde gloeien in mengsels van CH3NH3ik en CH3NH3Br die fijn kan worden aangepast afhankelijk van de gewenste optische bandgap (1,6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). Onder deze omstandigheden aanwezig de methylammonium halogenide moleculen in de damp fase langzaam diffuus in het lood halogenide dunne film continu, pinhole-gratis halogenide perovskiet films oplevert. Dit proces levert een twee-voudige volume-expansie van de startende lood halogenide voorloper laag aan de voltooide organisch-anorganische lood halogenide perovskiet. De standaard dikte van de film perovskiet is ongeveer 400 nm. Het is mogelijk om te variëren van deze dikte tussen 100-500 nm door het veranderen van de snelheid van de tweede stap van de spin coating. De gepresenteerde techniek resulteert in films van opto-elektronische hoge kwaliteit, wat zich naar fotovoltaïsche apparaten met macht conversie efficiëntie tot 19 vertaalt % met behulp van een Au/spiro-OMeTAD /CH3NH3PbI3-xBrx/ compacte TiO2/ FTO/glas zonne-cel van het platform. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Verscheidene van de chemicaliën die worden gebruikt in deze syntheses zijn acuut toxisch, kankerverwekkend en giftig voor de voortplanting. Implosie en explosie risico's worden geassocieerd met het gebruik van een Schlenk-lijn. Zorg ervoor dat de integriteit van de glazen apparatuur controleren voordat u de procedure uitvoert. Onjuist gebruik van het Schlenk-lijn i.s.m. een koude val van vloeibare stikstof kan resulteren in de condensatie van vloeibare zuurstof (lichtblauw) die explosief kan worden. Zorg ervoor om te ontvangen passend op de opleiding van de baan door deskundigen alvorens het te gebruiken vacuüm-systemen, Schlenk lijnen en cryogene vloeistoffen. Gebruik alle passende veiligheidspraktijken bij het uitvoeren van de synthese met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, volledige lengte broek, gesloten-teen schoenen). Alle van de volgende, hieronder beschreven procedures worden uitgevoerd in een zuurkast in lucht, tenzij anders vermeld.

1. voorbereiding van de halogenide van de Methylammonium

  1. tot een 250 mL ronde onderkant kolf uitgerust met een roer-bar, ethanol (100 mL) en methylamine (190 mmol 16,5 mL, 40% wt in H 2 O) toevoegen en de erlenmeyer tot 0 ° C met cool een ijsbad.
  2. Terwijl de methylamine oplossing is roeren (voor ongeveer 5 min op 600 revolutie per min (rpm)), HI (76 mmol, 10 mL, 57% wt in H 2 O) of HBr (76 mmol 8.6 mL, 48% wt in H 2 O) dropwise toevoegen en de erlenmeyer met een septum.
  3. Laat de reactie op het roer gedurende 2 uur op 0 ˚C.
  4. Verwijderen van de inhoud van reactiekolf uit het ijsbad en verdampen de oplosmiddelen en spoorverontreiniging vluchtige bestanddelen bij verlaagde druk (~ 50 Torr) met een rotatieverdamper uitgerust met een waterbad op 60 ˚C gedurende 4 uur of totdat de vluchtige stoffen worden verwijderd.
  5. Om recrystallize de resulterende solid, toevoegen van warm (~ 50 ° C) ethanol (100 mL) en los het resterende materiaal.
  6. Voeg langzaam diethylether (200 mL) te induceren kristallisatie van een wit solid.
  7. Vacuüm filteren het mengsel over een grof 50 mm glas frit filter.
  8. Herstellen het supernatant en voeg diethylether (200 mL) te induceren extra kristallisatie van witte, vaste stof. Vacuüm filteren het mengsel over een tweede filter met frit glas voor grof 50 mm.
  9. De witte lichamen op een grove 50 mm glas frit filter combineren en, terwijl de vacuüm filteren, spoel het resulterende poeder met diethylether driemaal (~ 30 mL telkens).
  10. Droge witte vaste onder vacuüm. Deze procedure levert (58,9 mmol, 9.360 g, 77%) van methylammonium jodide (CH 3 NH 3 ik) en (55.5 mmol, 6.229 g, 73%) van methylammonium bromide (CH 3 NH 3 Br).
  11. Winkel in het donker en in een exsiccator bij kamertemperatuur om te minimaliseren van de ontleding mettertijd.

2. Voorbereiding van Methylammonium leiden halogenide (CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x) dunne lagen 6 , 20

  1. pre-conditionering van het Schlenk tube
    1. Lading een 50 mL Schlenk buis (diameter 2,5 cm) met 0,1 g van methylammonium halogenide. Om te voorkomen dat de chemische stoffen die vasthouden aan de muren van de reageerbuis, een cilinder papier gewicht te gebruiken voor het overbrengen van de methylammonium-halogenide in de buis.
      Opmerking: De definitieve verhouding van I/(I+Br) in CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x wordt bepaald door de methylammonium halogenide samenstelling in de reageerbuis. Bijvoorbeeld om te bereiken van 30% kan ik inhoud, de Schlenk buis zit boordevol 0,03 g CH 3 NH 3 ik en 0,07 g CH 3 NH 3 Br. Actual verkregen composities variëren met experimentele opzet, zo kalibratie van de synthese voorwaarden opbrengst specifiek streefcijfer composities is noodzakelijk. In het onderhavige geval, dit werd bereikt door het meten van halogenide inhoud in de gesynthetiseerde films via energie dispersieve x-stralen spectroscopie (EDX).
    2. Gebruiken een Schlenk lijn uitgerust met een roterende pomp aansluiten en evacueren van de buis. Pas de druk 0,185 Torr. Dan, dompel de proefbuis in een silicone oliebad pre-water verwarmd tot 120 ° C, met een magneetroerder (600 rpm) voor 2 h (pre-conditionering van het Schlenk-buis).
      Opmerking: Deze stap maakt het mogelijk voor sublimatie van de voorloper van de methylammonium langs de zijkanten van het Schlenk-buis. Het is belangrijk om ervoor te zorgen de sublimatie van de voorloper van de methylammonium tijdens de twee uur van pre-conditionering. Een dun laagje van de voorloper van de methylammonium zal condenseren langs de zijkanten van het Schlenk-buis ter dekking van de onderste helft van de buis. Als de sublimatie van de voorloper van de methylammonium niet wordt nageleefd of te snel gebeurt, Ga als de druk van het Schlenk-lijn en de temperatuur van de oliebad kloppen, of probeert te gebruiken verse methylammonium halogenide voorloper.
    3. verwijderen Schlenk tube van de oliebad en laat methylammonium halogenide onder een overdruk van vloeiende N 2 om te voorkomen dat vocht inname.
  2. Substraat voorbereiding
    1. Bewerk ultrasone trillingen ten een substraat (glas of FTT gecoat glas, 14 x 16 mm 2) met water (~ 3 mL) met wasmiddel gedurende 15 min. in een reageerbuis (diameter van 1.5 cm en hoogte 15 cm) bij 35 KHz.
    2. Negeren van het wasmiddel/water door te spoelen met ultrazuiver water (~ 10 mL) 5 keer.
    3. Negeren de ultrapure water, het toevoegen van aceton (~ 3 mL) en bewerk ultrasone trillingen ten gedurende 15 minuten staan bij 35 KHz.
    4. Negeren van de aceton toevoegen van isopropanol (~ 3 mL) en bewerk ultrasone trillingen ten gedurende 15 minuten staan bij 35 KHz.
    5. Negeren de isopropanol, herstellen van het substraat van de proefbuis met een pincet en droog het met een N 2 pistool voor 15 s.
    6. Storting TiO 2 compacte laag (100 nm) op FTT glazen substraten door electron beam verdamping bij een temperatuur van het substraat van 350 ° C, en een tarief van de depositie van 0,5 Å / s met behulp van substraat rotatie. 21
  3. bereiding van de oplossing van lood halogenide voorloper
    1. voor de bereiding van MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), los PbI 2 (0,8 mmol, 0.369 g) en PbBr 2 (0,2 mmol, 0.073 g) in 1 mL DMF om een eindconcentratie van 0,8 M PbI 2 en 0,2 M voor PbBr 2. Bewerk ultrasone trillingen ten voor 5 min op 35 KHz tot volledig los van de voorloper.
      1. Voor de bereiding van zuivere jodium of broom films, ontbinden PbI 2 (1 mmol, 0.461 g) of PbBr 2 (0,8 mmol, 0,294 g) in 1 mL DMF, om een eindconcentratie van 1 M en 0.8 M, respectievelijk. Bewerk ultrasone trillingen ten voor 5 min op 35 KHz tot volledig los van de voorloper.
      2. Los voor de bereiding van chloor-doped methylammonium lood jodide perovskiet films, PbI 2 (0.369 g) en PbCl 2 (0.056 g) in 1 mL DMF, om een eindconcentratie van 0,8 M PbI 2 en 0,2 M voor PbCl 2. Bewerk ultrasone trillingen ten voor 5 min op 35 KHz tot volledig los van de voorloper.
    2. Filter de voorloper-oplossing met een filter van de polytetrafluorethylene (PTFE) 0.2 micrometer.
  4. Leiden halogenide afzetting
    1. Verwarm de oplossing van de voorloper op een hete plaat ingesteld op 110 ° C gedurende 5 minuten
    2. Met een micropipet, drop 80 μL van de voorverwarmde lood halogenide voorloper oplossing op het substraat niet-draaiend (glas of TiO 2 gestort op FTT gecoat glas; 14 x 16 mm 2 grootte). Draaien op 500 rpm voor 5 s met een acceleratie snelheid van 500 rpm s -1, en 1500 rpm gedurende 3 minuten met een acceleratiop tarief van 1500 rpm s -1.
    3. In een fumehood, droog voorloper film gedurende 15 minuten staan bij 110 ° C op een hete plaat onder stromend N 2.
      Opmerking: Een crystalizing schotel wordt gebruikt en over het substraat dat de voorloper te drogen in een sfeer van N 2 geplaatst. Als u wilt variëren de dikte van de resulterende perovskiet film, de snelheid van de tweede stap van de spin-coating kan gevarieerd worden van 1.200 tot 12.000 tpm tot laagdikte in het bereik van 500 tot 100 nm. Als u wilt verder verlagen de laagdikte, de voorloper van de verdunde oplossing kan worden aangewend.
  5. Vapor-bijgewoonde gloeien
    1. Load monster in de buis van de Schlenk (bereid volgens de aanwijzingen in punt 2.1.2). Aanpassen van de druk om 0,185 Torr.
      Opmerking: Het monster zit in de reageerbuis boven de methylammonium-halogenide zonder in direct contact met het. Om te vertragen opneming van methylammonium, de lood halogenide oppervlak is gericht op gezicht weg van de methylammonium-halogenide.
    2. Immerse de Schlenk buis geladen met het monster in silicone oliebad verwarmd tot 120 ° C voor 2 h.
    3. Uit het monster nemen en snel het spoelen door het in een bekerglas van isopropylalcohol te dompelen. Onmiddellijk drogen de gespoeld monster met een pistool N 2.
      Opmerking: Om te bereiden pure CH 3 NH 3 PbI 3 PbI 2 gebruiken als de voorloper van het halogenide en zuivere methylammonium jodide in de damp-bijgewoonde onthardende stap. Te bereiden CH 3 NH gebruikt 3 PbBr 3 PbBr 2 als de voorloper van het halogenide en zuivere methylammonium bromide in de damp-bijgewoonde onthardende stap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Proton nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectra werden genomen na de synthese van de halogenide methylammonium om te controleren of de zuiverheid van de molecule (Figuur 1). Scanning elektronen microscopie (SEM) beelden werden verworven vóór en na damp gloeien (Figuur 2) te karakteriseren de morfologie en de homogeniteit van de gemengde leiding halogenide voorloper zowel de CH3NH3PbI3-xBrx films. Röntgendiffractie (XRD) patronen werden verzameld om te bevestigen fase zuiverheid en conversie van lood halogenide naar CH3NH3PbI3-xBrx (Figuur 3).

Figure 1
Figuur 1: nucleaire magnetische resonantie spectra. (een) NMR 1H voor CH3NH3Br in DMSO-d6. Pieken bij δ 7,65 (br s, 3H) en 2,35 (s, 3H) ppm de identiteit bevestigen van het molecuul. 22 (b) 1H NMR van CH3NH3ik in DMSO-d6. Pieken bij δ 7,45 (br s, 3H) en 2.37 (s, 3H) ppm de identiteit bevestigen van het molecuul. 23 de pieken bij 2,50 en 3,33 pag/min zijn te wijten aan de resterende DMSO en water. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Methylammonium bromide en methylammonium jodide kan gemakkelijk worden gekenmerkt door 1H NMR (Figuur 1). De chemische verschuiving van de methylgroep is een scherpe singlet gecentreerd op δ 2,35 ppm (3H) voor de CH3NH3Br en δ 2.37 ppm (3 H) voor CH3NH3ik. De verschuiving van ammoniumnitraat is een brede singlet gecentreerd op δ 7.65 ppm (3H) en δ 7.45 ppm (3H) voor CH3NH3Br en CH3NH3ik respectievelijk. Het verschil in chemische verschuiving van de twee methylammonium halogeniden is te wijten aan de verschillende halogenide elektronegativiteit, die gevolgen hebben voor (de) afscherming van de protonen aanwezig in de moleculen. Deze chemische shifts zijn in overeenstemming met de eerder gemelde spectra22,23.

Figure 2
Figuur 2: Conversie van lood halogenide voorloper naar CH3NH3PbI3-xBrx. SEM beelden van de gemengde leiding halogenide voorloper (a en b). Representatieve SEM beelden van CH3NH3PbI3-xBrx films gegloeid in 100% (c, d), 50% (e, f) en 30% (g, h) methylammonium jodide. De veelzijdige films zijn pinhole gratis, en Toon graan maten tot 700 nm. Schaal bar = 5 µm (a, c, e, g), en 1 µm (b, d, f, h). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuren 2a en 2b Toon de homogene morfologie van de voorloper van de lood-halogenide dat vervolgens wordt omgezet in CH3NH3PbI3-xBrx in mengsels van methylammonium jodide en bromide (en) (c-h). De resulterende perovskiet films zijn continue, storingsvrije pinhole met korrelgroottes tot 700 nm. De standaard dikte van de film perovskiet is ongeveer 400 nm, die wordt verkregen door spin coating 1 M leiden halogenide voorloper oplossing met een snelheid van 1500 rpm. De dikte kan worden gewijzigd door het variëren van de rotatiesnelheid, met hogere snelheden opbrengst dunner films en vice versa. Interessant is dat de conversie van de lood halogenide voorloper laag naar de resulterende lood halogenide perovskiet resultaten in een geschatte twee-voudige volume-expansie.

De temperatuur van 120 ° C voor de damp fase anneal is zodanig gekozen dat methylammonium halogenide sublimeert, diffundeert naar de voorsprong halogenide film, en het evenwicht tussen methylammonium halogenide damp en solide CH3NH3PbI3-xBr x is in het voordeel van de perovskiet fase. In een eerdere studie toonden we dat gloeien bij 100 ° C in grotendeels onvolledige omzetting in de fase van perovskiet resulteerde en dat Apparaatprestaties beste was toen synthese werd uitgevoerd bij 120 ° C in plaats van 150 ° C. 20 de fase-karakterisering van de voorloper en CH3NH3PbI3-xBrx films op FTT glazen substraten door XRD wordt gepresenteerd in Figuur 3a. De voorloper van lood halogenide (0,8 M PbI2 en 0,2 M PbBr2) toont PbI2 fase met haar belangrijkste hoogtepunt op ongeveer 12,7 °. CH3NH3PbI3-xBrx films zijn zuivere fase en bevatten geen residuele PbI2 fase. De CH3NH3PbI3-xBrx XRD pieken vertonen een systematische verschuiving naar hogere hoeken als gevolg van de geleidelijke vervanging van de grotere ik atomen door kleinere Br atomen leidt tot een afname van de rooster-constante van ~6.29 Å (x = 0) te ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Figuur 3: Fase analyse en volledige samenstelling spectrum CH3NH3PbI3-xBrx films. (een) XRD patronen van lood halogenide voorloper vertoont PbI2 fase en CH3NH3PbI3-xBrx films met afnemende jodiumgehalte. De vergrote patroon toont duidelijk de verschuiving van het standpunt van de (110) piek naar grotere diffractie hoeken op Br opneming. (b) foto van CH3NH3PbI3-xBrx films met de geleidelijke opneming van Br (van links naar rechts: pure CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% en pure CH 3 NH3PbBr3). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De afbeelding van CH3NH3PbI3-xBrx films (Figuur 3b) illustreert de geleidelijke opneming van Br, resulterend in een verhoging van de band-gap van 1,6 eV 2.3 eV, en dus de verandering zichtbaar uiterlijk (links, pure CH3NH3PbI3 naar rechts, pure CH3NH3PbBr3). De geleidelijke verhoging van de bandgap is aangetoond door fotoluminescentiemetingen, die eerder werden gemeld op CH3NH3PbI3-xBrx films met opto-elektronische hoge kwaliteit over de volledige samenstelling ruimte. 6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Om het fabriceren van hoogefficiënte organo-lead vlakke perovskiet heterojunctions, is de homogeniteit van de actieve laag een basisvereiste. Met betrekking tot bestaande oplossing2,16,17 en vacuüm gebaseerde18,19 methodologieën is ons proces opmerkelijk vatbaar voor tunability van de samenstelling van de actieve laag die kan worden gesynthetiseerd over de volledige CH3NH3PbI3-xBrx samenstelling ruimte met opto-elektronische hoge kwaliteit en reproduceerbaarheid. 6 , 20 bovendien dit proces zorgt voor het gebruik van verlaagde druk en relatief lage temperatuur in een fumehood zonder het gebruik van een handschoenenkastje of hoog vacuüm depositie.

Terwijl LP-VASP zeer reproduceerbaar is en geen wijziging van het protocol moeten, opgemerkt wordt dat de werkelijke samenstelling van de Br/(Br+I) in de film iets lager dan de initiële samenstelling van het Schlenk-buis wellicht. Om dit probleem te verhelpen, is het van cruciaal belang voor het meten van het halogenide inhoud via EDX in de uiteindelijke film zo goed over de structuur van de perovskiet via XRD, bevestigen om het uitvoeren van een kalibratie van de synthetische voorwaarden levert specifieke doel composities met betrekking tot de experimentele opzet gebruikt.

Daarnaast zijn er een paar nuttige aanbevelingen die voor de juiste betrouwbaarheid van ons proces zorgen kunnen. De kwaliteit van de grondstoffen is bijzonder belangrijk. Opslaan van zowel de organische (CH3NH3X) en anorganische (PbX2) precursoren in een exsiccator onder stikstof atmosfeer en gecontroleerde luchtvochtigheid is instrumentaal om de reproduceerbaarheid in de synthese. Bovendien, de organische voorlopers moeten zeer schoon en alle sporen van de grondstoffen moeten worden verwijderd met zorgvuldig wassen.

We hebben aangetoond dat de synthese van methylammonium halogenide en de daaropvolgende transformatie van lood halogenide precursoren naar CH3NH3PbI3-xBrx in mengsels daarvan, resulterend in gladde, pinhole gratis films die vertonen van opto-elektronische goede kwaliteit. Met betrekking tot de vorige methoden,2,16,17,18,19 dit synthetische protocol is veelzijdig en vatbaar voor verschillende laboratoria worden aangepast omdat het is gemakkelijk uitgevoerd in een fumehood. Daarnaast voorziet LP-VASP facile toegankelijkheid van verschillende organo-lead halogenide perovskiet samenstelling en afstemming van de band gap.

De gepresenteerde film fabricage methode biedt superieure morfologie controle in vergelijking tot zuivere oplossing coating methoden, opbrengst hoogefficiënte vlakke perovskiet heterojunctie zonne-cellen. Als gevolg van de verwerking van de lage temperatuur en van het gebruik van de standaard uitrusting beschikbaar in de meeste laboratoria (dat wil zeggen fumehoods en Schlenk lijnen) is deze methode vooral geschikt te fabriceren één evenals multijunction zonnecellen, licht emitterende dioden, en lasers. Wij ontwikkelen momenteel een proces waarmee storting grote (> 2 cm2) gebied continu perovskiet dunne lagen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Perovskiet procesontwikkeling, dunne film synthese, structurele en morfologische karakterisering werden uitgevoerd bij het Joint Center voor kunstmatige fotosynthese, een DOE energie Innovation Hub, ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie onder Award nummer DE-SC0004993. C.M.S.-F. erkent dat de financiële steun van de Zwitserse National Science Foundation (P2EZP2_155586).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Lead (II) bromide, 99.999% Sigma-Aldrich 398853 Acute toxicity, Carcinogenicity
Lead (II) Iodide, 99.9985% Alfa Aesar 12724 Acute toxicity, light sensitive
N, N-Dimethylformamide, > 99.9% Sigma-Aldrich 270547 Acute toxicity, flamable; store in well ventilated place
Isopropyl alcohol, 99.5% BDH BDH1133-4LP Flamable
Methylamine ca. 40% in water TCI M0137 Acute toxicity, flamable; Corrosive
Hydrobromic acid 48 wt. % in H2O, ≥99.99% Sigma-Aldrich 339245 Acute toxicity, Corrosive; air and light sensitive; store in well ventilated place
Hydroiodic acid 57 wt. % in H2O, distilled, stabilized, 99.95% Sigma-Aldrich 210021 Corrosive; air and light sensitive; store in well ventilated place
Recommended storage temperature 2/8 °C; air and light sensitiv
Ethyl Ether Anhydrous BHT Stabilized/Certified ACS Fisher Chemicals E 138-4 Acute toxicity, flamable
Ethanol Denatured (Reagent Alcohol), ACS BDH BDH1156-4LP Flamable
Alconoxdetergent Sigma-Aldrich 242985 Soap utilized for substrate cleaning
Milli-QIntegral 3 Water Purification System EMD Millipore ZRXQ003WW Dispenser of ultrapure water
Fluorine-doped Thin Oxide (FTO) coated glass Thin Film Devices Custom Glass: dimensions 13.8mm x 15.8mm ± 0.2mm, thickness 2.3mm ± 0.1mm; FTO: dimensions 3000Å ± 100Å, resistivity 7-10 ohms/sq, transmission 82% @ 550nm)
Glass substrates C & A Scientific - Premiere 9101-E Plain. Length: 75 mm, Width: 25 mm, Thickness: 1 mm
Ultrasonic Cleaner with Digital Timer and Heater VWR 97043-992 2.8 L (0.7 gal.)24L x 14W x 10D cm (97/16x 51/2x 315/16")
Nuclear Magnetic Resonance Advance 500 Bruker Z115311
Quanta 250 FEG Scanning Electron Microscope FEI 743202032141 Equipped with a Bruker Xflash 5030 Energy-dispersive X-ray detector
SmartLab X-ray diffractometer Rigaku 2080B411 Using Cu Kα radiation at 40 kV and 40 mA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. De Wolf, S., et al. Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Performance. J. Phys. Chem. Lett. 5, (6), 1035-1039 (2014).
  2. Noh, J. H., Im, S. H., Heo, J. H., Mandal, T. N., Seok, S. I. Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic-Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells. Nano Lett. 13, (4), 1764-1769 (2013).
  3. Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342, (6156), 341-344 (2013).
  4. Oga, H., Saeki, A., Ogomi, Y., Hayase, S., Seki, S. Improved Understanding of the Electronic and Energetic Landscapes of Perovskite Solar Cells: High Local Charge Carrier Mobility, Reduced Recombination, and Extremely Shallow Traps. J. Am. Chem. Soc. 136, (39), 13818-13825 (2014).
  5. Deschler, F., et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors. J. Phys. Chem. Lett. 5, (8), 1421-1426 (2014).
  6. Sutter-Fella, C. M., et al. High Photoluminescence Quantum Yield in Band Gap Tunable Bromide Containing Mixed Halide Perovskites. Nano Lett. 16, (1), 800-806 (2016).
  7. Chen, W., et al. Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers. Science. 350, (6263), 944-948 (2015).
  8. Bi, D., et al. Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites. Sci. Adv. 2, (1), e1501170 (2016).
  9. Werner, J., et al. Efficient Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with Cell Area >1 cm2. J. Phys. Chem. Lett. 7, (1), 161-166 (2016).
  10. Kranz, L., et al. High-Efficiency Polycrystalline Thin Film Tandem Solar Cells. J. Phys. Chem. Lett. 6, (14), 2676-2681 (2015).
  11. Xing, G., et al. Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing. Nat. Mater. 13, 476-480 (2014).
  12. Deschler, F., et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors. J. Phys. Chem. Lett. 5, (8), 1421-1426 (2014).
  13. Tan, Z. -K., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nat. Nanotechnol. 9, 687-692 (2014).
  14. Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10, 391-402 (2015).
  15. Saliba, M., et al. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency. Energy Environ. Sci. 9, 1989-1997 (1989).
  16. Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 24, (1), 151-157 (2014).
  17. Jeon, N. J., et al. Solvent engineering for high-performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells. Nat. Mater. 13, 897-903 (2014).
  18. Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
  19. Chen, Q., et al. Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells via Vapor-Assisted Solution Process. J. Am. Chem. Soc. 136, (2), 622-625 (2014).
  20. Li, Y., et al. Fabrication of Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by Controlled Low-Pressure Vapor Annealing. J. Phys. Chem. Lett. 6, (3), 493-499 (2015).
  21. Li, Y., et al. Defective TiO2 with high photoconductive gain for efficient and stable planar heterojunction perovskite solar cells. Nat. Commun. 7, 12446 (2016).
  22. Gonzalez-Carrero, S., Galian, R. E., Pérez-Prieto, J. Maximizing the emissive properties of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. J. Mater. Chem. A. 3, 9187-9193 (2015).
  23. Zhou, H., et al. Antisolvent diffusion-induced growth, equilibrium behaviours in aqueous solution and optical properties of CH3NH3PbI3 single crystals for photovoltaic applications. RSC Adv. 5, 85344-85349 (2015).
Lagedruk Vapor-bijgewoonde oplossingsproces voor afstembare Band Gap Pinhole-vrije Methylammonium lood halogenide perovskiet Films
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sutter-Fella, C. M., Li, Y., Cefarin, N., Buckley, A., Ngo, Q. P., Javey, A., Sharp, I. D., Toma, F. M. Low Pressure Vapor-assisted Solution Process for Tunable Band Gap Pinhole-free Methylammonium Lead Halide Perovskite Films. J. Vis. Exp. (127), e55404, doi:10.3791/55404 (2017).More

Sutter-Fella, C. M., Li, Y., Cefarin, N., Buckley, A., Ngo, Q. P., Javey, A., Sharp, I. D., Toma, F. M. Low Pressure Vapor-assisted Solution Process for Tunable Band Gap Pinhole-free Methylammonium Lead Halide Perovskite Films. J. Vis. Exp. (127), e55404, doi:10.3791/55404 (2017).

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