Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Lavtryk damp-assisteret løsningsprocessen for afstemmelige Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly Halogenid Perovskite film

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

Summary

Vi præsenterer her, en protokol til syntese af CH3NH3jeg og CH3NH3Br prækursorer og efterfølgende dannelse af pinhole-fri, vedvarende CH3NH3PbI3-xBrx tynde film for den anvendelse i høj effektivitet solceller og andre optoelektroniske enheder.

Abstract

Organo-bly Halogenid perovskites har for nylig tiltrak stor interesse for potentielle anvendelser i tynd-film solceller og optoelektronik. Heri, præsenterer vi en protokol for fabrikation af dette materiale via lavtryks vapor bistået løsning proces (LP-VASP) metode, som udbytter ~ 19% konvertering strømeffektivitet i plane heterojunction perovskite solceller. Først, vi rapportere syntesen af methylammonium Iodid (CH3NH3jeg) og methylammonium bromid (CH3NH3Br) fra methylamin og den tilsvarende Halogenid syre (HI eller HBr). Derefter beskriver vi fabrikation af pinhole-fri, kontinuerlig methylammonium-bly Halogenid perovskite (CH3NH3PbX3 med X = jeg, Br, Cl og deres blanding) film med LP-VASP. Denne proces er baseret på to trin: i) spin-coating af et ensartet lag af bly Halogenid forløber på et substrat, og ii) konvertering af dette lag til CH3NH3PbI3-xBrx ved at udsætte substrat at dampe af en blanding af CH 3 NH3jeg og CH3NH3Br ved reduceret tryk og 120 ° C. Gennem langsom diffusion af methylammonium Halogenid damp i bly Halogenid forløber opnår vi langsomt og kontrolleret vækst af en kontinuerlig, pinhole-fri perovskite film. LP-VASP giver syntetiske adgang til den fulde Halogenid sammensætning plads i CH3NH3PbI3-xBrx med 0 ≤ x ≤ 3. Afhængig af sammensætningen af vapor fase, bandgap kan indstilles mellem 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV. Desuden ved at variere sammensætning af Halogenid forløber og vapor fase, kan vi også få CH3NH3PbI3-xClx. Film fra LP-VASP er reproducerbare, fase ren som bekræftet af røntgen diffraktion målinger, og Vis høj fotoluminescens kvanteudbytte. Processen kræver ikke brug af et handskerum.

Introduction

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

Hybrid økologisk-uorganiske bly Halogenid perovskites (CH3NH3PbX3, X = jeg, Br, Cl) er en ny klasse af halvledere, der er opstået hurtigt inden for de sidste par år. Dette materiale klasse viser fremragende semiconductor egenskaber, såsom høje absorption koefficienten1, afstemmelige bandgap2, lang ladning carrier diffusion længde3, høj defekt tolerance4og høj fotoluminescens Quantum udbytte5,6. Den unikke kombination af disse karakteristika gør føre Halogenid perovskites meget attraktive for anvendelse i optoelektroniske enheder, såsom enkelt junction7,8 og multijunction solceller9, 10, lasere11,12og lysdioder13.

CH3NH3PbX3 film kan være fremstillet af en lang række syntetiske metoder14, som tager sigte på at forbedre effektiviteten af denne halvledende materiale til energi programmer15. Men optimering af fotovoltaisk udstyr er afhængig af kvaliteten af Halogenid perovskite aktive lag, samt dets grænseflader med afgift selektiv kontakter (dvs. elektron og hul transport lag), som letter photocarrier samling i disse enheder. Specifikt, er kontinuerlig, pinhole-fri aktive lag nødvendige for at minimere shunt modstand, dermed forbedre enhedens ydeevne.

Blandt de mest udbredte metoder for at fabrikere organo-bly Halogenid er perovskite tynd film baseret på løsning og vakuum processer. Den mest almindelige løsningsprocessen bruger equimolar forholdet mellem bly Halogenid og methylammonium Halogenid opløst i dimethylformamid (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), eller γ-butyrolacton (GBL) eller blandinger af disse opløsningsmidler. 2 , 16 , 17 forløber molariteten og solvens type samt udglødning temperatur, tid og atmosfære, skal kontrolleres netop for at få løbende og pinhole-gratis film. 16 For eksempel for at forbedre overfladen dækning, en opløsningsmiddel-engineering teknik blev demonstreret udbytte tæt og meget ensartet film. 17 i denne teknik, en ikke-opløsningsmidler (toluen) er dryppede på perovskite lag centrifugering af perovskite løsning. 17 disse tilgange er normalt velegnet til mesoskopisk heterojunctions, som beskæftiger mesoporøse TiO2 som en elektron selektiv kontakt med øget kontaktområde og reduceret carrier transport længde.

Dog planar heterojunctions, som anvender selektive kontakter baseret på tynde (normalt TiO2) film, er mere ønskeligt, fordi de giver en enkel og skalerbar konfiguration, der kan være mere let vedtages i solcelle-teknologi. Derfor, udvikling af organo-bly Halogenid perovskite aktive lag, som viser høj effektivitet og stabilitet under operation for plane heterojunctions kan føre til teknologiske fremskridt på dette område. Dog er en af de vigtigste udfordringer at fabrikere planar heterojunctions stadig repræsenteret ved homogeniteten af det aktive lag. Et par forsøg, baseret på vakuum processer, har gjort at forberede ensartet lag på tynde TiO2 film. For eksempel Sakskoebing og samarbejdspartnere har vist en dobbelt fordampning proces, som give meget homogen perovskite lag med høj effekt konvertering effektivitetsgevinster for fotovoltaiske applikationer. 18 mens denne arbejde repræsenterer en betydelig fremgang i feltet, anvendelse af høje vakuum systemer og manglen tunability af sammensætningen af det aktive lag begrænse anvendeligheden af denne metode. Interessant, der er opnået meget høj ensartethed med damp-assisteret løsning proces (VASP)19 og modificerede lavtryk VASP (LP-VASP)6,20. Mens VASP, foreslået af Yang og samarbejdspartnere19, kræver højere temperaturer og brugen af en handskerummet, LP-VASP er baseret på Udglødning af en bly Halogenid forløber lag i overværelse af methylammonium Halogenid vapor, reducere tryk og forholdsvis lav temperatur i en fumehood. Disse særlige betingelser aktiverer adgang blandet perovskite kompositioner, og fabrikation af ren CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xBrxog CH3NH3PbBr3 kan nemt opnås. Specifikt, kan CH3NH3PbI3-xBrx film over den fulde sammensætning plads syntetiseres med høj optoelektroniske kvalitet og reproducerbarhed6,20.

Heri, giver vi en detaljeret beskrivelse af protokollen til syntese af organiske-uorganiske bly Halogenid perovskite lag via LP-VASP, herunder proceduren for syntese methylammonium Halogenid prækursorer. Når prækursorer er syntetiseret, består dannelsen af CH3NH3PbX3 film af en totrinsprocedure, der består i) spin-coating af PbI2/PbBr2 (PbI2eller PbI2/PbCl 2) forløber på glas substrat eller fluor-doped tin oxid (FTO) belagt glas substrat med planar TiO2, som elektron transport lag, og ii) lavtryk damp-assisteret udglødning i blandinger af CH3NH3og CH3NH3Br, der fint kan justeres afhængigt af den ønskede optiske bandgap (1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV). Under disse betingelser præsentere methylammonium Halogenid molekyler i fasen vapor langsomt diffuse i bly Halogenid tynd film giver kontinuerlig, pinhole-fri Halogenid perovskite film. Denne proces giver en to-fold diskenhedsudvidelse fra start bly Halogenid forløber lag til færdige økologisk-uorganiske bly Halogenid perovskite. Standard tykkelsen af perovskite filmen er omkring 400 nm. Det er muligt at variere denne tykkelse mellem 100-500 nm ved at ændre hastigheden for den anden spin coating trin. Den præsenterede teknik resulterer i film af høj optoelektroniske kvalitet, som kan oversættes til fotovoltaiske enheder med power conversion virkningsgrader på op til 19% ved hjælp af en Au/spiro-OMeTAD /CH3NH3PbI3-xBrx/ kompakt TiO2/ FTO/glas solar celle arkitektur. 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

forsigtighed: Rådfør dig med alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Flere af kemikalier, der anvendes i disse sammenstillinger er akut giftigt, kræftfremkaldende og reproduktionstoksiske stoffer. Implosion og eksplosion risici er forbundet med brugen af en Schlenk linje. Sørg for at tjekke integriteten af apparatet glas før du udfører proceduren. Forkert brug af Schlenk linjen i forening med en flydende nitrogen kold fælde kan resultere i kondensering af flydende ilt (lyseblå), der kan blive eksplosive. Sørg for at modtage passende på jobtræning af eksperter før ved hjælp af vakuum-systemer, Schlenk linjer og kryogene væsker. Brug venligst alle relevante sikkerhedspraksis, når du udfører den syntese, herunder anvendelse af tekniske foranstaltninger (stinkskab) og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel, fuld længde bukser, lukket tå sko). Alle de følgende procedurer beskrives nedenfor er udført i et stinkskab i luften, st├Ñr anderledes.

1. forberedelse af Methylammonium Halogenid

  1. til et 250 mL rund bund kolbe forsynet med en røre bar, tilføje ethanol (100 mL) og methylamin (190 mmol, 16,5 mL, 40% wt i H 2 O), og afkøles kolben til 0 ° C med isbad.
  2. Mens methylamin løsning omrøring (i ca 5 min til 600 revolution pr. min. (rpm)), tilføje HI (76 mmol, 10 mL, 57% wt i H 2 O) eller HBr (76 mmol, 8,6 mL, 48% wt i H 2 O) dråbevis, og forsegle kolben med en septum.
  3. Tillade reaktion at røre i 2 timer ved 0 ˚C.
  4. Reaktionskolben fjernes fra iskarret og fordamper opløsningsmidler og ureageret flygtige komponenter på reduceret tryk (~ 50 Torr) med en roterende fordamper udstyret med et vandbad ved 60 ˚C til 4 h, eller indtil de flygtige stoffer fjernes.
  5. For at recrystallize den resulterende solid, tilføje varme (~ 50 ° C) ethanol (100 mL) og opløse de resterende materiale.
  6. Langsomt tilføje diethylether (200 mL) for at fremkalde krystallisering af en hvid solid.
  7. Vakuum Filtrer blandingen over en grov 50 mm glas fritte filteret.
  8. Genoprette supernatanten og tilføje diethylether (200 mL) for at fremkalde yderligere krystallisering af hvid solid. Vakuum Filtrer blandingen over en anden grove 50 mm glas fritte filteret.
  9. Kombinerer de hvide legemer på en grov 50 mm glas fritte filter og mens vakuum filtrering, vaske den resulterende pulver med diethylether tre gange (~ 30 mL hver gang).
  10. Tør hvid solid under vakuum. Denne procedure giver (58,9 mmol, 9.360 g, 77%) af methylammonium Iodid (CH 3 NH 3 jeg) og (55.5 mmol, 6.229 g, 73%) af methylammonium bromid (CH 3 NH 3 Br).
  11. Butik i mørke og i en ekssikkator ved stuetemperatur for at minimere nedbrydning over tid.

2. Forberedelse af Methylammonium føre Halogenid (CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x) tynd film 6 , 20

  1. forudgående konditionering af Schlenk tube
    1. Belastning en 50 mL Schlenk tube (diameter 2,5 cm) med 0,1 g af methylammonium Halogenid. For at forhindre de kemikalier, der holder sig til væggene i reagensglasset, bruge en vejning papir cylinder til at overføre methylammonium Halogenid ind i røret.
      NOTE: Det endelige forholdet mellem I/(I+Br) i CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x bestemmes af methylammonium Halogenid sammensætning i reagensglasset. For eksempel, for at opnå en 30% kan jeg indhold, Schlenk tube er fyldt med 0,03 g CH 3 NH 3 jeg og 0,07 g CH 3 NH 3 Br. Actual opnået kompositioner variere med eksperimentel opsætning, så kalibrering af syntese betingelser udbytte specifikke mål kompositioner er nødvendige. I det foreliggende tilfælde, dette blev opnået ved at måle Halogenid indhold i de syntetiserede film via energy dispersive X-ray spektroskopi (EDX).
    2. Bruger en Schlenk linje udstyret med en roterende pumpe til at forbinde og evakuere røret. Justere trykket til 0.185 Torr. Derefter, fordybe reagensglas i et silikone oliebad forvarmet til 120 ° C, med en magnetomrører (600 rpm) for 2 h (forudgående konditionering af Schlenk tube).
      Bemærk: Dette trin giver mulighed for sublimering af methylammonium forløber langs siderne af Schlenk rør. Det er vigtigt at sikre sublimering af methylammonium forløber i løbet af to timer før konditionering. Et tyndt lag af methylammonium forløber vil kondensere langs siderne af Schlenk rør til at dække nederst halvdel af røret. Hvis sublimering af methylammonium forløber ikke er observeret eller sker for hurtigt, tjekke hvis presset fra Schlenk linjen og temperaturen i den oliebad er korrekte, eller forsøge at bruge friske methylammonium Halogenid forløber.
    3. fjerner Schlenk Tube fra oliebad og forlade methylammonium Halogenid under et overtryk af strømmende N 2 at undgå fugt indtag.
  2. Substrat forberedelse
    1. sonikeres ét substrat (glas eller FTO belagt glas, 14 x 16 mm 2) med vand (~ 3 mL) der indeholder vaskemiddel i 15 min. i et reagensglas (diameter 1,5 cm og højde 15 cm) på 35 KHz.
    2. Kassere vaskemiddel/vand ved at skylle med ultrarent vand (~ 10 mL) 5 gange.
    3. Kassere den ultrarent vand, tilføje acetone (~ 3 mL) og Rens med ultralyd i 15 min. ved 35 KHz.
    4. Kassere acetone, tilføje isopropanol (~ 3 mL) og Rens med ultralyd i 15 min. ved 35 KHz.
    5. Kassere isopropanol, tilbagesøge reagensglasset bærematerialet med en pincet og tør det med en N 2 pistol for 15 s.
    6. Depositum TiO 2 kompakt lag (100 nm) på FTO glas substrater af elektron beam fordampning på et substrat temperatur på 350 ° C, og en aflejring sats på 0,5 Å / s ved hjælp af substrat rotation. 21
  3. fremstilling af bly Halogenid forløber
    1. til fremstilling af MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), opløse PbI 2 (0,8 mmol, 0.369 g) og PbBr 2 (0.2 mmol, 0.073 g) i 1 mL DMF at opnå en endelig koncentration på 0,8 M PbI 2 og 0,2 M af PbBr 2. Rens med ultralyd i 5 min. ved 35 KHz til fuldt opløses forløber.
      1. Til fremstilling af ren iod eller brom film, opløse PbI 2 (1 mmol, 0.461 g) eller PbBr 2 (0,8 mmol, 0.294 g) i 1 mL DMF, at opnå en endelig koncentration på 1 M og 0,8 M, henholdsvis. Rens med ultralyd i 5 min. ved 35 KHz til fuldt opløses forløberen.
      2. Til forberedelse af klor-doped methylammonium bly Iodid perovskite film, opløse PbI 2 (0.369 g) og PbCl 2 (0.056 g) i 1 mL DMF, at opnå en endelig koncentration på 0,8 M PbI 2 og 0,2 M af PbCl 2. Rens med ultralyd i 5 min. ved 35 KHz til fuldt opløses forløberen.
    2. Forløber Opløsningen filtreres med 0,2 μm polytetrafluorethylene (PTFE) filter.
  4. Føre Halogenid deposition
    1. pre heat forløber løsning på en varm tallerken indstillet til 110 ° C i 5 min.
    2. Med en mikropipette, drop 80 μl forvarmet bly Halogenid forløber løsning på den ikke-roterende substrat (glas eller TiO 2 deponeret på FTO belagt glas; 14 x 16 mm 2 størrelse). Spin på 500 rpm i 5 s med en acceleration på 500 rpm s -1 og 1500 rpm i 3 min. med en acceleratipå sats af 1.500 rpm s -1.
    3. i en fumehood, tør forløber film i 15 min. ved 110 ° C på en varm tallerken under strømmende N 2.
      Bemærk: En crystalizing parabol er brugt og placeret over substrat at tillade forstadiet til tørre i en N 2 atmosfære. For at variere tykkelsen af den resulterende perovskite film, hastigheden på andet trin af spin-coating kan varieres fra 1.200 til 12.000 rpm at opnå filmtykkelse i rækken af 500-100 nm. For at yderligere fald filmtykkelse, fortyndede forløber løsning kan bruges.
  5. Damp-assisteret udglødning
    1. belastning prøve ind i Schlenk røret (tilberedt efter anvisningerne i afsnit 2.1.2). Justere trykket til 0.185 Torr.
      Bemærk: Prøven sidder i reagensglas ovenfor methylammonium Halogenid uden at være i direkte kontakt med den. For at bremse indarbejdelse af methylammonium, bly Halogenid overflade er orienteret mod ansigtet væk fra methylammonium Halogenid.
    2. Fordyb Schlenk rør fyldt med prøven i silikone oliebad er opvarmet til 120 ° C i 2 h.
    3. Tag prøven og skylle hurtigt det ved at dyppe det i et bægerglas, der indeholder isopropylalkohol. Straks tørre skylles prøven med en N 2 pistol.
      Bemærk: For at forberede ren CH 3 NH 3 PbI 3 brug PbI 2 som Halogenid prækursor og pure methylammonium Iodid i damp-assisteret udgloedning trin. For at forberede CH 3 NH 3 PbBr 3 brug PbBr 2 som Halogenid prækursor og pure methylammonium bromid i damp-assisteret udgloedning trin.

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 Kernemagnetisk resonans (NMR) spectra blev taget efter methylammonium Halogenid syntese at kontrollere molekyle renhed (figur 1). Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder blev erhvervet før og efter vapor udglødning (figur 2) til at karakterisere morfologi og homogeniteten af både blandet bly Halogenid forløber og CH3NH3PbI3-xBrx film. Røntgen diffraktion (XRD) mønstre blev indsamlet for at bekræfte fase renhed og konvertering af bly Halogenid til CH3NH3PbI3-xBrx (figur 3).

Figure 1
Figur 1: Kernemagnetisk resonans spectra. (en) 1H NMR af CH3NH3Br i DMSO-d6. Toppe δ 7.65 (br s, 3H) og 2.35 (s, 3H) ppm bekræfte identiteten af molekylet. 22 (b) 1H NMR af CH3NH3I DMSO-d6. Toppe δ 7,45 (br s, 3H) og 2,37 (s, 3H) ppm bekræfte identiteten af molekylet. 23 toppe på 2,50 og 3,33 ppm er på grund af resterende DMSO og vand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Methylammonium bromid og methylammonium Iodid kan let kendetegnet ved 1H NMR (figur 1). De kemiske skift af methyl-gruppen er en skarp singlet centreret på δ 2,35 ppm (3H) til CH3NH3Br og δ 2.37 ppm (3 H) til CH3NH3. Ammonium-Skift er en bred singlet centreret på δ 7,65 ppm (3H) og δ 7,45 ppm (3H) CH3NH3Br og CH3NH3jeg henholdsvis. Forskellen i kemiske skift af de to methylammonium halogenider skyldes forskellige Halogenid elektronaffiniteter, som berører (de) afskærmning af protoner i molekylerne. Disse kemiske Skift er i overensstemmelse med tidligere rapporteret spectra22,23.

Figure 2
Figur 2: Omdannelsen af bly Halogenid forstadie til CH3NH3PbI3-xBrx. SEM billeder af blandet bly Halogenid forløber (a og b). Repræsentative SEM billeder af CH3NH3PbI3-xBrx film udglødet i 100% (c, d), 50% (e, f) og 30% (g, h) methylammonium Iodid. De facetterede film er pinhole gratis, og vis korn størrelser op til 700 nm. Skalalinjen = 5 µm (en, c, e, g), og 1 µm (b, d, f, h). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Tal 2a og 2b viser den homogene morfologi af bly Halogenid forløber, er efterfølgende konverteret til CH3NH3PbI3-xBrx i blandinger af methylammonium Iodid og bromid (c-h). De resulterende perovskite film er kontinuerlig, pinhole-fri med kornstørrelser op til 700 nm. Standard tykkelsen af perovskite filmen er omkring 400 nm, som er fremstillet af spin coating 1 M føre Halogenid forløber løsning ved en hastighed på 1.500 rpm. Tykkelsen kan ændres ved at variere rotationshastighed, med højere hastigheder giver tyndere film og vice versa. Interessant, konvertering fra kundeemne Halogenid forløber lag til den resulterende bly Halogenid perovskite resulterer i en omtrentlig dobbelt diskenhedsudvidelse.

120 ° C temperatur for vapor fase anneal er valgt således, at methylammonium Halogenid sublimes, diffunderer ind i bly Halogenid film og ligevægt mellem methylammonium Halogenid vapor og solid CH3NH3PbI3-xBr x er til fordel for perovskite fasen. I en tidligere undersøgelse viste vi at udglødning ved 100 ° C resulterede i stort set ufuldstændig omstillingen til perovskite fasen og at enheden ydeevne var bedst, når syntese blev udført ved 120 ° C i stedet for 150 ° C. 20 fase karakterisering af forløber og CH3NH3PbI3-xBrx film på FTO glas substrater af XRD er præsenteret i figur 3a. Bly Halogenid forløber (0,8 M PbI2 og 0,2 M PbBr2) viser PbI2 fase med sit vigtigste højdepunkt på ca. 12,7 °. CH3NH3PbI3-xBrx film er fase ren og indeholde ikke resterende PbI2 fase. CH3NH3PbI3-xBrx XRD toppe udstille en systematisk Skift til højere vinkler på grund af gradvise udskiftning af de større atomer af mindre Br atomer fører til et fald i gitter konstant fra ~6.29 Å (x = 0) til ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Figur 3: Fase analyse og fulde sammensætning spektrum CH3NH3PbI3-xBrx film. (en) XRD mønstre af bly Halogenid forløber viser PbI2 fase og CH3NH3PbI3-xBrx film med faldende jodindholdet. Den forstørrede mønster skildrer klart skift af (110) peak holdning til større diffraktion vinkler på Br indarbejdelse. (b) billede af CH3NH3PbI3-xBrx film med gradvise inkorporering af Br (fra venstre mod højre: ren CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, og ren CH 3 NH3PbBr3). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Billede af CH3NH3PbI3-xBrx film (figur 3b) illustrerer den gradvise inkorporering af Br, hvilket resulterer i et band gap stigning fra 1,6 eV til 2,3 eV, og dermed ændringen i synlige udseende (venstre, ren CH3NH3PbI3 til højre, ren CH3NH3PbBr3). Den gradvise forhøjelse af bandgap har været vist af fotoluminescensmålinger, som var tidligere rapporteret på CH3NH3PbI3-xBrx film med høj optoelektroniske kvalitet over den fulde sammensætning plads. 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

For at fremstille højeffektive organo-bly planar perovskite heterojunctions, er homogeniteten af det aktive lag et centralt krav. Med hensyn til eksisterende løsning2,16,17 og vakuum-baserede18,19 metoder er vores proces bemærkelsesværdigt indstillet til sammensætningen tunability af det aktive lag, der kan være syntetiseret over fuld CH3NH3PbI3-xBrx sammensætning plads med høj optoelektroniske kvalitet og reproducerbarhed. 6 , 20 desuden denne proces giver mulighed for brugen af reduceret tryk og lav relativt temperatur i en fumehood uden at det kræver brug af en handskerummet eller højt vakuum deposition.

Mens LP-VASP er yderst reproducerbare og ingen ændring til protokollen bør være nødvendige, bemærkes det, at den faktiske Br/(Br+I) sammensætning i filmen kan være lidt lavere end den oprindelige sammensætning af Schlenk rør. For at løse dette problem, er det kritisk at måle Halogenid indhold via EDX i den endelige film samt at bekræfte strukturen perovskite via XRD, for at udføre en kalibrering af syntetiske betingelser giver specifikke mål kompositioner med hensyn til den udnyttet eksperimentel opsætning.

Derudover er der et par nyttige anbefalinger, der kan sikre den korrekte pålidelighed af vores proces. Kvaliteten af de udgangsmaterialer, som er særligt vigtige. Lagring af både organiske (CH3NH3X) og uorganiske (PbX2) prækursorer i en ekssikkator under atmosfære af nitrogen og kontrolleret fugtighed er medvirkende til at sikre reproducerbarheden i syntesen. Desuden, de økologiske prækursorer skal være meget ren og alle spor af råvarer, der bør fjernes med forsigtig vask.

Vi har demonstreret syntesen af methylammonium Halogenid og den efterfølgende transformation af bly Halogenid prækursorer til CH3NH3PbI3-xBrx i blandinger heraf, hvilket resulterer i glat, pinhole gratis film udvise god optoelektroniske kvalitet. Forhold til tidligere metoder,2,16,17,18,19 denne syntetiske protokol er alsidig og medgørlige skal tilpasses i forskellige laboratorier, fordi det sker nemt i en fumehood. Derudover LP-VASP giver mulighed for facile tilgængelighed af forskellige organo-bly Halogenid perovskite sammensætning og tuning af band gap.

Præsenteret film fabrikationsanlæg metode giver overlegen morfologi kontrol i forhold til ren løsning coating metoder, giver højeffektive planar perovskite heterojunction solceller. På grund af den lave forarbejdning temperatur og brug af standard udstyr til rådighed i de fleste laboratorier (dvs. fumehoods og Schlenk linjer) er denne metode specielt velegnet til at fremstille enkelt samt multijunction solceller, lys, udsender dioder, og lasere. Vi udvikler i øjeblikket en proces, der gør det muligt at depositum stort (> 2 cm2) område kontinuerlig perovskite tynde film.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Perovskite procesudvikling, tynd film syntese, strukturelle og morfologiske karakterisering blev udført på det fælles Center for kunstig fotosyntese, en DOE energi Innovation Hub, støttet gennem Office of Science af den amerikanske afdeling af Energi under Award nummer DE-SC0004993. C.M.S.-F. anerkender finansiel støtte fra Swiss 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).
Lavtryk damp-assisteret løsningsprocessen for afstemmelige Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly Halogenid Perovskite film
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