Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Lågt tryck Vapor-assisted lösningsprocessen för avstämbara Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly Halide perovskit filmer

Published: September 8, 2017 doi: 10.3791/55404
Automatic Translation
*1,2,3, *1,4, 1,5,6, 1,7, 8,9, 2,3, 1, 1
1Joint Center for Artificial Photosynthesis, Chemical Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, 3Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 4Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 5Department of Physics, Graduate School of Nanotechnology, University of Trieste, 6TASC Laboratory, IOM-CNR - Istituto Officina dei Materiali, 7Department of Chemistry, University of California, Berkeley, 8Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, 9Joint Center for Artificial Photosynthesis, Lawrence Berkeley National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för syntesen av CH3NH3I och CH3NH3Br prekursorer och efterföljande bildandet av pinhole-fri, kontinuerlig CH3NH3PbI3-xBrx tunna filmer för den tillämpning i högeffektiva solceller och andra optoelektroniska enheter.

Abstract

Organo-bly halide perovskiter har nyligen rönte stort intresse för potentiella tillämpningar i tunnfilms-solceller och optoelektronik. Häri, presenterar vi ett protokoll för tillverkning av detta material via metoden lågtryck ånga biträdas lösning processen (LP-VASP), vilket ger ~ 19% power verkningsgrad i planar halvledarkontakt Perovskit solceller. Det första vi rapportera syntesen av methylammonium jodid (CH3NH3jag) och methylammonium metylbromid (CH3NH3Br) från metylamin och motsvarande halide syran (HI eller HBr). Sedan beskriver vi tillverkning av pinhole-fri, kontinuerlig methylammonium-bly halide perovskit (CH3NH3PbX3 med X = I, Br, Cl och deras blandning) filmer med den LP-VASP. Denna process är baserad på två steg: i) spinn-beläggning av en homogen lager av bly halide föregångare på ett substrat, och ii) omvandling av detta lager till CH3NH3PbI3-xBrx genom att exponera substratet för ångor av en blandning av CH 3 NH3I och CH3NH3Br vid reducerat tryck och 120 ° C. Genom långsam diffusion av methylammonium halide dunsten i bly halide föregångare uppnår vi långsam och kontrollerad tillväxt av en kontinuerlig, pinhole-fri perovskit film. Den LP-VASP tillåter syntetiska tillgång till full halide sammansättning utrymmet i CH3NH3PbI3-xBrx med 0 ≤ x ≤ 3. Beroende på sammansättningen av gasfasen, bandgap kan ställas in mellan 1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV. Dessutom av varierande sammansättning av halide föregångaren och gasfasen, kan vi också få CH3NH3PbI3-xClx. Filmer från den LP-VASP är reproducerbara, fas ren som bekräftas av röntgendiffraktion mätningar och Visa hög fotoluminescens kvantutbyte. Processen kräver inte användning av ett handskfack.

Introduction

Hybrid organiska-oorganiska bly halide perovskiter (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) är en ny klass av halvledare som vuxit snabbt under de senaste åren. Detta materiellt klassificerar visar utmärkt halvledarerekvisitan, såsom hög absorption koefficienten1, avstämbara bandgap2, lång kostnad flygbolaget diffusion längd3, hög defekt tolerans4och hög fotoluminescens Quantum avkastning5,6. Den unika kombinationen av dessa egenskaper gör leda halide perovskiter mycket attraktiv för tillämpning i optoelektroniska enheter, såsom enda junction7,8 och multijunction solceller9, 10, lasrar11,12och lysdioder13.

CH3NH3PbX3 filmer kan fabriceras av en mängd olika syntetiska metoder14, som syftar till att förbättra effektiviteten i denna halvledande material för energi program15. Emellertid, optimering av solceller enheter är beroende av kvaliteten på halide perovskit aktivt lager, liksom dess gränssnitt med kostnad selektiv kontakter (electron och hål transportera lager), som underlättar photocarrier samling i dessa enheter. Specifikt, är kontinuerlig, pinhole-fri aktiva skikten nödvändigt att minimera shunt motståndet, därigenom förbättra enhetens prestanda.

Bland de mest utbredda metoderna för fabricera organo-bly halide är perovskit tunna filmer lösningen- och vakuum-baserade processer. Vanligaste lösningsprocessen används equimolar för bly halide och methylammonium halide upplöst i dimetylformamid (DMF), dimetylsulfoxid (DMSO), γ-butyrolakton (GBL) eller blandningar av dessa lösningsmedel. 2 , 16 , 17 föregångare molariteten och lösningsmedel typ, samt glödgning temperatur, tid och atmosfären, måste kontrolleras just för att få kontinuerlig och pinhole-gratis filmer. 16 till exempel för att förbättra yttäckning, en vätska-ingenjörskonst teknik visades att ge täta och extremt enhetlig filmer. 17 i denna teknik, ett icke-lösningsmedel (toluen) droppas på perovskit lagret under spinning av perovskit lösningen. 17 dessa synsätt är vanligtvis väl lämpade för Mesoskopisk heterojunctions, som anställer mesoporous TiO2 som en elektron selektiv kontakt med ökad kontaktyta och minskad carrier transport längd.

Men planar heterojunctions, som använder selektiv kontakter baserat på tunna (vanligtvis TiO2) filmer, är mer önskvärt eftersom de ger en enkel och skalbar konfiguration som lättare kan antas i solcellsteknik. Utvecklingen av organo-bly halide perovskit aktiva skikten som visar hög effektivitet och stabilitet under drift för planar heterojunctions kan därför leda till tekniska framsteg på detta område. En av de största utmaningarna att fabricera planar heterojunctions representeras dock fortfarande av homogenitet i det aktiva lagret. Har gjorts några försök, baserat på vakuum processer, att utarbeta enhetliga lager på tunna TiO2 filmer. Till exempel har Snaith och medarbetare visat en dubbla avdunstning process, som ger mycket homogen perovskit lager med hög effekt konvertering effektivitetsvinster för solcellsapplikationer. 18 medan detta arbete utgör ett betydande framsteg i fältet, användningen av höga vakuumsystem och avsaknaden av tunability av sammansättningen av det aktiva lagret begränsa tillämpligheten av denna metod. Intressant, har extremt hög jämnhet uppnåtts med vapor-assisted lösning processen (VASP)19 och modifierade lågtryck VASP (LP-VASP)6,20. Medan den VASP, föreslås av Yang och medarbetare19, kräver högre temperaturer och användningen av ett handskfacket, den LP-VASP baseras på glödgning av en bly halide föregångare lager i närvaro av methylammonium halide vapor, minska tryck och relativt låg temperatur i en fumehood. Dessa specifika villkor aktivera åtkomst blandat perovskit kompositioner, och tillverkning av ren CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xBrxoch CH3NH3PbBr3 kan uppnås enkelt. Specifikt, kan CH3NH3PbI3-xBrx filmer över det fullständiga sammansättning utrymmet syntetiseras med hög optoelektroniska kvalitet och reproducerbarhet6,20.

Häri, ger vi en detaljerad beskrivning av protokollet för syntes av organiska-oorganiska bly halide perovskit lager via LP-VASP, inklusive förfarandet för syntetisera methylammonium halide prekursorer. När prekursorer syntetiseras, består bildandet av CH3NH3PbX3 filmer av ett tvåstegsförfarande som består av i) spinn-beläggning av PbI2/PbBr2 (PbI2eller PbI2/PbCl 2) föregångare på glassubstrat eller fluor-dopade tinoxiden (FTO) belagt glassubstrat med planar TiO2, som elektron transport layer, och ii) det låga trycket vapor-assisted glödgning i blandningar av CH3NH3jag och CH3NH3Br som fint kan justeras beroende på den önskade optiska bandgap (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). Under dessa förhållanden presenterar methylammonium halide molekylerna i gasfasen långsamt diffusa i bly halide tunna filmen ger kontinuerlig, pinhole-fri halide perovskit filmer. Denna process ger en dubbel volym expansion från start bly halide föregångare lagret till den färdiga organiska-oorganiska bly halide perovskit. Perovskit filmen standard tjocklek är cirka 400 nm. Det är möjligt att variera denna tjocklek mellan 100-500 nm genom att ändra hastigheten på spin beläggning steg. Presenterade tekniken resulterar i filmer av hög optoelektroniska kvalitet, som översätts till solceller enheter med power konvertering effektivitetsvinster av upp till 19% med Au/spiro-OMeTAD /CH3NH3PbI3-xBrx/ kompakt TiO2/ FTO/glas solar cell arkitekturen. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

försiktighet: Läs alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) före användning. Flera av de kemikalier som används i dessa synteser är akut giftigt, cancerframkallande och reproduktionstoxiska. Implosion och explosion risker är förknippade med användning av en Schlenk linje. Se till att kontrollera integritet glas apparaten innan du utför proceduren. Felaktig användning av Schlenk linjen i förening med en flytande kväve kallt fälla kan leda till kondens av flytande syre (ljusblå) som kan bli explosiv. Vänligen se till att få lämplig på arbetsplatsen av experter innan du använder vakuum-system, Schlenk linjer och kryogena vätskor. Använd alla lämpliga säkerhetsrutiner när du utför syntesen inklusive användning av tekniska kontrollåtgärder (spiskåpa) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, labbrock, full längd byxor, stängd tå skor). Alla av följande procedurer beskrivs nedan utförs i dragskåp i luften, om inte annat anges.

1. förberedelse av Methylammonium Halide

  1. till en 250 mL rund botten kolven utrustad med en uppståndelse bar, lägga till etanol (100 mL) och metylamin (190 mmol, 16.5 mL, 40% wt i H 2 O) och kyla kolven till 0 ° C med ett isbad.
  2. Medan metylamin lösningen omrörning (för ca 5 min på 600 revolution per minut (rpm)), lägga till HI (76 mmol, 10 mL, 57% wt i H 2 O) eller HBr (76 mmol, 8,6 mL, 48% wt i H 2 O) droppvis, och tillslut kolven med en septum.
  3. Tillåta reaktionen till rör för 2 h vid 0 ˚C.
  4. Ta bort reaktionskolven från isbadet och avdunsta lösningsmedel och oreagerade flyktigt ämnedelarna vid reducerat tryck (~ 50 Torr) med en rotationsindunstare utrustad med ett vattenbad vid 60 ˚C i 4 h eller tills flyktiga ämnen tas bort.
  5. För att rekristalliserar den resulterande fast, tillsätt varmt (~ 50 ° C) etanol (100 mL) och lös restmaterialet.
  6. Sakta lägga dietyleter (200 mL) för att inducera kristallisation av en vit solid.
  7. Vakuum filtrera blandningen över en grov 50 mm glas frit filter.
  8. Återställa supernatanten och lägga till dietyleter (200 mL) för att inducera ytterligare kristallisering av vit solid. Vakuum filtrera blandningen över en andra grova 50 mm glas frit filtret.
  9. Kombinera de vita fasta på en grov 50 mm glas frit filter och, medan vakuum filtrering, tvätta det resulterande pulvret med dietyleter tre gånger (~ 30 mL varje gång).
  10. Torr vit fast under vakuum. Detta förfarande ger (58,9 mmol, 9.360 g, 77%) av methylammonium jodid (CH 3 NH 3 jag) och (55,5 mmol, 6.229 g, 73%) av methylammonium metylbromid (CH 3 NH 3 Br).
  11. Store i mörker och i exsickator i rumstemperatur för att minimera nedbrytning över tiden.

2. Beredning av Methylammonium leda Halide (CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x) tunna filmer 6 , 20

  1. förkonditioneringen av Schlenk tube
    1. Belastning en 50 mL Schlenk tube (diameter 2,5 cm) med 0,1 g methylammonium halide. För att undvika de kemikalier som sticker till väggarna i provröret, använda en vägning papper cylinder för att överföra den methylammonium halide i röret.
      Obs: Sista förhållandet mellan I/(I+Br) i CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x bestäms av methylammonium halide sammansättning i provröret. Till exempel för att uppnå 30% kan jag innehåll, Schlenk röret är laddad med 0,03 g CH 3 NH 3 jag och 0,07 g CH 3 NH 3 Br. Actual erhålls kompositioner variera med experimentella setup, så kalibrering av sammanfattande villkor kapacitet specifikt mål kompositioner är nödvändigt. I förevarande fall var detta åstadkoms genom att mäta halide innehåll i synthesized filmerna via energy dispersive X-ray spektroskopi (EDX).
    2. Använda en Schlenk linje utrustad med en roterande pump att ansluta och evakuera röret. Justera trycket till 0.185 Torr. Sänk sedan ned provröret i ett oljebad för silikon som förvärmts till 120 ° C, med en magnetisk omrörare (600 rpm) för 2 h (förkonditioneringen av Schlenk röret).
      Obs: Detta steg kan för sublimering av methylammonium föregångare längs sidorna av Schlenk röret. Det är viktigt att säkerställa sublimering av methylammonium föregångare under två timmar av förkonditioneringen. Ett tunt lager av methylammonium föregångare kondenserar längs sidorna av Schlenk röret att täcka nedre hälften av röret. Kontrollera om sublimering av methylammonium föregångaren inte beaktas eller sker för fort om trycket av Schlenk linjen och temperaturen av oljebad är korrekta, eller försöker använda färska methylammonium halide föregångare.
    3. ta bort Schlenk röret från i oljebad och lämna methylammonium halide under ett övertryck av flödande N 2 att undvika fukt intaget.
  2. Substrat förberedelse
    1. Sonikera ett substrat (glas eller FTO belagda glas, 14 x 16 mm 2) med vatten (~ 3 mL) som innehåller tvättmedel för 15 min i ett provrör (diameter 1,5 cm och höjd 15 cm) på 35 KHz.
    2. Kasta tvättmedel/vatten genom att skölja med ultrarent vatten (~ 10 mL) 5 gånger.
    3. Kasta ultrarent vatten, tillsätt aceton (~ 3 mL) och Sonikera i 15 min på 35 KHz.
    4. Kasta aceton, tillsätt isopropanol (~ 3 mL) och Sonikera i 15 min på 35 KHz.
    5. Kasta isopropanol, återställa substratet från provröret med pincett och torka den med en N 2 pistol för 15 s.
    6. Insättning TiO 2 kompakt lager (100 nm) på FTO glas substrat av electron beam avdunstning på substrat temperaturen 350 ° C, och en beläggningshastighet 0,5 Å / s använda substrat rotation. 21
  3. beredning av bly halide föregångare
    1. för beredning av MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), upplösa PbI 2 (0.8 mmol, 0.369 g) och PbBr 2 (0,2 mmol, 0.073 g) i 1 mL DMF att uppnå en slutlig koncentration på 0,8 M PbI 2 och 0,2 M PbBr 2. Sonikera för 5 min vid 35 KHz att helt upplösa föregångaren.
      1. För beredning av ren jod eller brom filmer, upplösa PbI 2 (1 mmol, 0.461 g) eller PbBr 2 (0.8 mmol, 0,294 g) i 1 mL DMF, att uppnå en slutlig koncentration på 1 M och 0,8 M, respektive. Sonikera för 5 min vid 35 KHz att helt upplösa föregångaren.
      2. För beredning av klor-dopade methylammonium bly jodid perovskit filmer, upplösa PbI 2 0.369 g och PbCl 2 (0,056 g) i 1 mL DMF, att uppnå en slutlig koncentration på 0,8 M PbI 2 och 0,2 M PbCl 2. Sonikera för 5 min vid 35 KHz att helt upplösa föregångaren.
    2. Filtrera föregångare lösningen med 0,2 μm polytetrafluoretylen (PTFE) filter.
  4. Leda halide nedfall
    1. pre-Värm föregångare lösningen på en värmeplatta som anges till 110 ° C i 5 min.
    2. Med en mikropipett, släppa 80 μl föruppvärmd bly halide föregångare lösningen på icke-roterande substratet (glas eller TiO 2 deponeras på FTO belagda glas; 14 x 16 mm 2 storlek). Snurra på 500 rpm för 5 s med en acceleration hastighet av 500 rpm s -1 och 1500 rpm för 3 min med en acceleratipå takt 1 500 rpm s -1.
    3. i en fumehood, torra föregångare film för 15 min vid 110 ° C på en värmeplatta under flödande N 2.
      Obs: En crystalizing maträtt används och placeras över substratet att föregångaren till torka i en N 2 atmosfär. För att variera tjockleken på resulterande perovskit filmen och hastigheten på det andra steget i spin-beläggning kan varieras från 1.200 till 12.000 rpm att skikttjockleken mellan 500 till 100 nm. För att ytterligare minska filmtjockleken, utspädda föregångare lösning kan användas.
  5. Vapor-assisted glödgning
    1. belastning prov i Schlenk röret (beredd enligt anvisningar i avsnitt 2.1.2). Justera trycket till 0.185 Torr.
      Obs: Provet sitter i provröret ovan den methylammonium halide utan att vara i direkt kontakt med den. För att bromsa inkorporering av methylammonium, bly halide ytan är orienterad mot ansiktet borta från den methylammonium halide.
    2. Sänk det Schlenk röret laddad med provet i silikon oljebad upphettas till 120 ° C under 2 h.
    3. Ta ut provet och skölja snabbt det genom att doppa det i en bägare som innehåller isopropylalkohol. Torka omedelbart sköljas provet med en N 2 pistol.
      Obs: För att förbereda ren CH 3 NH 3 PbI 3 använda PbI 2 som halide föregångare och ren methylammonium jodid i vapor-assisted glödgning steg. För att förbereda CH 3 NH använda 3 PbBr 3 PbBr 2 som halide föregångare och ren methylammonium metylbromid i steget vapor-assisted glödgning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Proton kärnmagnetisk resonans (NMR) spektra togs efter methylammonium halide syntesen att verifiera molekyl renhet (figur 1). Scanning electron microscopy (SEM) bilder förvärvades före och efter vapor glödgning (figur 2) för att karakterisera morfologi och homogenitet både blandade bly halide föregångaren och CH3NH3PbI3-xBrx filmer. Röntgendiffraktion (XRD) mönster samlades för att bekräfta fas renhet och omvandling av bly halide till CH3NH3PbI3-xBrx (figur 3).

Figure 1
Figur 1: kärnmagnetisk resonans spectra. (en) 1H NMR CH3NH3br i DMSO-d6. Toppar på δ 7,65 (br s, 3H) och 2,35 (s, 3H) ppm bekräftar identiteten hos molekylen. 22 (b) 1H NMR CH3NH3I DMSO-d6. Toppar på δ 7.45 (br s, 3H) och 2,37 (s, 3H) ppm bekräftar identiteten hos molekylen. 23 topparna på 2.50 och 3.33 ppm är på grund av kvarstående DMSO och vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Methylammonium metylbromid och methylammonium jodid kan lätt kännetecknas av 1H NMR (figur 1). Den kemiska förskjutningen av metylgruppen är en skarp singlet centrerad på δ 2.35 ppm (3H) för CH3NH3Br och δ 2.37 ppm (3 H) för CH3NH3jag. Ammonium skiftet är en bred singlet centrerad på δ 7.65 ppm (3H) och δ 7.45 ppm (3H) för CH3NH3Br och CH3NH3jag respektive. Skillnaden i kemisk förskjutning av två methylammonium halogenider beror på de olika halide Allen, som påverkar (de) avskärmning av protonsna i molekylerna. Dessa kemiska förskjutningarna överensstämmer med tidigare rapporterade spectra22,23.

Figure 2
Figur 2: Omvandling av bly halide föregångare till CH3NH3PbI3-xBrx. SEM-bilder av blandade bly halide föregångaren (a och b). Representativa SEM-bilder av CH3NH3PbI3-xBrx filmer glödgas i 100% (c, d), 50% (e, f) och 30% (g, h) methylammonium jodid. De facetterade filmerna är pinhole gratis, och Visa Korn storleksanpassar upp till 700 nm. Skalstapeln = 5 µm (a, c, e, g), och 1 µm (b, d, f, h). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Siffror 2a och 2b visar homogen morfologi av bly halide föregångaren som konverteras därefter till CH3NH3PbI3-xBrx i blandningar av methylammonium jodid och metylbromid (c-h). De resulterande perovskit filmerna är kontinuerlig, pinhole-fri med kornstorlekar upp till 700 nm. Perovskit filmen standard tjocklek är cirka 400 nm, som erhålls genom spin beläggning 1 M leda halide föregångare lösning med en hastighet av 1 500 rpm. Tjockleken kan ändras genom att variera rotationshastigheten, med högre hastigheter ger tunnare filmer och vice versa. Intressant, omvandlingen från bly halide föregångare lagret till den resulterande bly halide perovskit resulterar i en ungefärlig dubbel volym expansion.

Temperatur av 120 ° C för gasfasen glödga väljs så att methylammonium halide sublimeras, diffunderar in i bly halide filmen och jämvikten mellan methylammonium metallhalogenlampor ånga och solid CH3NH3PbI3-xBr x är till förmån för fasen perovskit. I en tidigare studie visade vi att glödgning vid 100 ° C resulterat i i hög grad ofullständiga omvandlingen till fasen perovskit och att enhetens prestanda var bäst när syntes utfördes vid 120 ° C istället för 150 ° C. 20 fas karakterisering av föregångare och CH3NH3PbI3-xBrx filmer på FTO glas substrat av XRD presenteras i figur 3a. Bly halide föregångaren (0,8 M PbI2 och 0,2 M PbBr2) visar PbI2 fas med dess huvudsakliga peak på cirka 12,7 °. CH3NH3PbI3-xBrx filmerna är fas ren och innehåller inte kvarstående PbI2 fas. CH3NH3PbI3-xBrx XRD toppar uppvisar en systematisk skifta till högre vinklar på grund av gradvis ersättning av den större atomer av mindre Br atomer leder till en minskning av galler konstant från ~6.29 Å (x = 0) till ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Figur 3: Fas analys och fullständiga sammansättning spektrum CH3NH3PbI3-xBrx filmer. (en) XRD mönster av bly halide föregångare visar PbI2 fas och CH3NH3PbI3-xBrx filmer med minskande jod innehåll. Förstorade mönstret skildrar tydligt förskjutningen av den (110) topplacering mot större diffraktion vinklar vid Br inkorporering. (b), bild av CH3NH3PbI3-xBrx filmer med successiv inkorporering av Br (vänster till höger: ren CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% och ren CH 3 NH3PbBr3). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Bilden av CH3NH3PbI3-xBrx filmer (figur 3b) illustrerar en gradvis integrering av Br, vilket resulterar i en ökning av gap från 1.6 eV till 2.3 eV, och därmed förändringen i synliga utseende (vänster, ren CH3NH3PbI3 till rätt, rent CH3NH3PbBr3). Den successiva höjningen av bandgap har visats genom fotoluminescensmätningar, som tidigare redovisats på CH3NH3PbI3-xBrx filmer med hög optoelektroniska kvalitet över det fullständiga sammansättning utrymmet. 6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

För att fabricera högeffektiva organo-bly planar perovskit heterojunctions, är homogenitet i det aktiva lagret ett viktigt krav. Med avseende på befintliga lösning2,16,17 och vakuum-baserade18,19 metoder är vår process anmärkningsvärt mottagliga för sammansättning tunability i det aktiva lagret som kan vara syntetiseras över hela CH3NH3PbI3-xBrx sammansättning utrymme med hög optoelektroniska kvalitet och reproducerbarhet. 6 , 20 dessutom denna process möjliggör användning av reducerat tryck och låg relativt temperatur i en fumehood utan att kräva användning av en handskfacket eller hög vakuum nedfall.

Medan LP-VASP är mycket reproducerbara och ingen ändring av protokollet bör vara nödvändigt, bör det noteras att de faktiska Br/(Br+I) sammansättningen i filmen kan vara något lägre än den ursprungliga sammansättningen av Schlenk röret. För att lösa problemet, är det viktigt att mäta halide innehåll via EDX i den slutliga filmen samt att bekräfta perovskit struktur via XRD, för att utföra en kalibrering av syntetiska villkor ger specifik kompositioner med avseende på den utnyttjad experiment.

Dessutom finns det några användbara rekommendationer som kan säkerställa rätt tillförlitligheten i vår process. Kvaliteten på utgångsmaterial är särskilt viktigt. Lagring av både ekologiska (CH3NH3X) och oorganiska (PbX2) prekursorer i exsickator under kväveatmosfär och kontrollerad luftfuktighet är avgörande att säkerställa reproducerbarhet i syntesen. Dessutom ekologisk prekursorer måste vara mycket ren och alla spår av utgångsmaterial bör tas bort med noggrann tvätt.

Vi har visat syntesen av methylammonium halide och efterföljande omvandlingen av bly halide prekursorer till CH3NH3PbI3-xBrx i blandningar därav, vilket resulterar i slät, pinhole gratis filmer som uppvisa bra optoelektroniska kvalitet. Med avseende på föregående metoder,2,16,17,18,19 detta syntetiska protokoll är mångsidig och kan anpassas i olika laboratorier, eftersom Det är enkelt utföras i en fumehood. Dessutom möjliggör LP-VASP lättköpt tillgänglighet av olika organo-bly halide perovskit sammansättning och trimning av bandet klyftan.

Metoden presenteras filmen tillverkning ger överlägsen morfologi kontroll jämfört med ren lösning beläggning metoder, ger högeffektiv planar Perovskit solceller halvledarkontakt. På grund av den låga bearbetning temperaturen och användning av standardutrustning som är tillgängliga i de flesta laboratorier (dvs. fumehoods och Schlenk lines) är denna metod speciellt lämplig att fabricera enda samt multijunction solceller, light emitting dioder och lasrar. Vi utvecklar för närvarande en process som gör att insättning stora (> 2 cm2) området kontinuerlig perovskit tunna filmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Perovskit processutveckling, tunn film syntes, strukturella och morfologisk karakterisering utfördes på Joint Center för artificiell fotosyntes, en DOE energi Innovation Hub, stöds genom Office av vetenskapen av amerikanska Institutionen för Energi under Award nummer DE-SC0004993. C.M.S.-F. erkänner finansiellt stöd från schweiziska 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).

Tags

Kemi problemet 127 leda Halide perovskit lågtryck Vapor-Assisted lösningsprocessen tunn Film solcell Methylammonium Halide syntes reglerbart Band Gap
Lågt tryck Vapor-assisted lösningsprocessen för avstämbara Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly Halide perovskit filmer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sutter-Fella, C. M., Li, Y.,… 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