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Chemistry

Proceso de solución asistida por Vapor de baja presión para banda sintonizables hueco agujero de alfiler-libre Methylammonium plomo haluro perovskita películas

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

Aquí, presentamos un protocolo para la síntesis de CH3NH3I y precursores de Br CH3NH3y la posterior formación de agujero de alfiler-libre, continuadas CH3NH3PbIx 3Brx películas delgadas para el aplicación en células solares de alta eficiencia y otros dispositivos optoelectrónicos.

Abstract

Organo-plomo haluro perovskitas recientemente han atraído gran interés para posibles aplicaciones en energía solar fotovoltaica de película delgada y optoelectrónica. Adjunto, presentamos un protocolo para la fabricación de este material mediante el método de proceso (LP-VASP) de vapor de baja presión asistido por solución, que da ~ 19% eficiencia de conversión de energía en heterojunction planar perovskita de células solares. En primer lugar, se presenta la síntesis de yoduro methylammonium (CH3NH3I) y el bromuro de methylammonium (CH3NH3Br) de la metilamina y el correspondiente ácido halogenuros (HI o HBr). A continuación, se describe la fabricación del agujero de alfiler-libre, continuo methylammonium plomo haluro perovskita (CH3NH3PbX3 con X = I, Br, Cl y su mezcla) películas con la LP-VASP. Este proceso se basa en dos pasos: i) spin-recubrimiento de una capa homogénea de precursor de haluro de plomo sobre un sustrato y ii) la conversión de esta capa CH3NH3PbIx 3Brx exponiendo el sustrato a los vapores de una mezcla de CH 3 NH3y CH3NH3Br a menor presión y 120 ° C. A través de la lenta difusión del vapor de halogenuros methylammonium en el precursor de haluro de plomo, logramos un crecimiento lento y controlado de una película continua, agujero de alfiler-libre de la perovskita. LP-VASP permite acceso sintético para el espacio de la composición de haluro completo en CH3NH3PbIx 3Brx con 0 ≤ x ≤ 3. Dependiendo de la composición de la fase de vapor, la energía de salto puede ajustarse entre 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV. Además, al variar la composición del precursor del haluro y de la fase de vapor, también podemos obtener CH3NH3PbI3 xClx. Películas obtenidas de la VASP LP son reproducibles, puro según lo confirmado por mediciones de difracción de rayos x y mostrar photoluminescence alto producción de quántum de fase. El proceso no requiere el uso de una guantera.

Introduction

Híbrido orgánico-inorgánico plomo haluro perovskitas (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) son una nueva clase de semiconductores que ha surgido rápidamente en los últimos años. Esta clase de material muestra características del semiconductor excelente, tales como alta absorción coeficiente1tunable bandgap2, portador de carga larga difusión longitud3, defecto alta tolerancia4y alta fotoluminiscencia producción de Quantum de5,6. La combinación única de estas características hace conducir haluro perovskitas muy atractivo para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos, como cruce solo7,8 y fotovoltaicas multiunión9, 10, láseres11,12y LED13.

CH3NH3PbX3 films pueden ser fabricados por una variedad de métodos de síntesis14, que tienen como objetivo mejorar la eficiencia de este material semiconductor para aplicaciones de energía15. Sin embargo, optimización de los dispositivos fotovoltaicos depende de la calidad de la capa activa de la perovskita de halogenuros, así como sus interfaces con selectivo contactos de carga (electrón y agujero de capas de transporte), que facilitan la recogida de photocarrier en estos dispositivos. Específicamente, continuas, agujero de alfiler-libre capas activas son necesarias para reducir al mínimo la resistencia de desviación, mejorando el rendimiento.

Entre los métodos más extendidos para la fabricación de plomo organo haluro perovskita de películas delgadas son procesos basados en la solución y vacío. El proceso de solución más común utiliza proporciones equimolares de haluro de plomo y haluro methylammonium disuelto en dimetilformamida (DMF), dimetilsulfóxido (DMSO), γ-butirolactona (GBL) o mezclas de estos solventes. 2 , 16 , Molaridad del precursor de 17 tipo solvente, como recocido temperatura, tiempo y ambiente, debe ser precisamente controlado para obtener películas continuas y agujero de alfiler-libre. 16 por ejemplo, para mejorar la cobertura de superficie, una técnica de ingeniería de solvente fue demostrada para rendimiento denso y muy uniforme de películas. 17 en esta técnica, un no-disolvente (tolueno) se gotee sobre la capa de Perovskita durante el centrifugado de la solución de la perovskita. 17 estos enfoques generalmente están bien adaptados para mesoscópica heterojunctions, que emplean mesoporosos TiO2 como un contacto selectivo de electrón con mayor área de contacto y reduce la longitud de transporte del transportista.

Sin embargo, heterojunctions planares, que utilizan contactos selectivos en base fina (generalmente de TiO2) películas, son más deseables porque proporcionan una configuración simple y escalable que se puede adoptar más fácilmente en la tecnología de células solares. Por lo tanto, el desarrollo de capas activas de organo-plomo haluro perovskita que muestran alta eficiencia y estabilidad bajo operación de heterojunctions planar puede conducir a los avances tecnológicos en este campo. Sin embargo, uno de los principales retos para la fabricación heterojunctions planar está todavía representado por la homogeneidad de la capa activa. Se hicieron algunos intentos, basados en procesos de vacío, para preparar capas uniformes en películas delgadas de TiO2 . Por ejemplo, Snaith y colaboradores han demostrado un proceso de evaporación doble que producir capas de Perovskita muy homogéneo con eficiencias de conversión de alta potencia para aplicaciones fotovoltaicas. 18 mientras que este trabajo representa un avance significativo en el campo, el uso de sistemas de alto vacío y la falta de afinabilidad de la composición de la capa activa limitar la aplicabilidad de este método. Interesante, extremadamente alta uniformidad se ha logrado con la solución asistida de vapor de proceso (VASP)19 y baja presión modificada VASP (LP-VASP)6,20. Mientras que la VASP, propuesto por Yang y colaboradores19, requiere temperaturas más altas y el uso de una caja de guante, la LP-VASP se basa en el recocido de una capa de precursor del haluro de plomo en presencia de vapor de halogenuros methylammonium, al disminuir la presión y temperatura relativamente baja en una fumehood. Estas condiciones permiten el acceso mezclado composiciones de Perovskita y fabricación de pura CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3 xClx, CH3NH3PbI3- xBrxy CH3NH3PbBr3 pueden lograrse fácilmente. Específicamente, CH3NH3PbIx 3Brx films sobre el espacio de composición completo pueden sintetizarse con optoelectrónicos alta calidad y reproducibilidad de6,20.

Aquí, ofrecemos una descripción detallada del protocolo para la síntesis de halogenuros orgánicos inorgánicos plomo perovskite capas via LP-VASP, incluyendo el procedimiento para la síntesis de los precursores de haluro methylammonium. Una vez que los precursores son sintetizados, formación de CH3NH3PbX3 películas consiste en un procedimiento de dos etapas que comprende i) la capa de la vuelta del PbI2/PbBr2 (PbI2o PbI2/PbCl 2) precursor en sustrato de vidrio o de óxido de estaño dopado de flúor (OFT) revestido en sustrato de vidrio con TiO planar2como capa de transporte de electrones y ii) la baja presión recocido en mezclas de CH3NH3I asistidos por vapor y CH3NH3Br que se puede ajustar finamente dependiendo el bandgap óptico deseado (1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV). Bajo estas condiciones, las moléculas de halogenuro methylammonium actualmente en la fase de vapor lentamente difusa en la capa delgada de plomo haluro, produciendo películas de Perovskita haluro continua, agujero de alfiler-libre. Este proceso produce una expansión de doble volumen de la capa de precursor de haluro de plomo a partir de la perovskita de haluro terminado plomo orgánico inorgánico. El espesor estándar de la película de Perovskita es cerca de 400 nm. Es posible variar esta grueso entre 100-500 nm cambiando la velocidad de la segunda etapa de la capa de spin. Resultados de la técnica presentada en películas de optoelectrónicos alta calidad, que se traduce en dispositivos fotovoltaicos con eficiencias de conversión de energía de hasta un 19% utilizando un spiro/Au-OMeTAD /CH3NH3PbIx 3Brx/ compacto de TiO2/ FTO/vidrio solar cell arquitectura. 21

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Protocol

PRECAUCIÓN: consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso. Varios de los productos químicos utilizados en estas síntesis son agudo tóxicos, cancerígenos y tóxicos para la reproducción. Los riesgos de implosión y explosión están asociados con el uso de una línea de Schlenk. Por favor asegúrese de comprobar la integridad de los aparatos de vidrio antes de realizar el procedimiento. Uso incorrecto de la línea de Schlenk en asociación con una trampa de frío de nitrógeno líquido puede resultar en condensación del oxígeno líquido (azul claro) que puede llegar a ser explosivo. Por favor, asegúrese de recibir apropiado en la capacitación por expertos antes de usar sistemas de vacío, líneas de Schlenk y líquidos criogénicos. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza la síntesis entre el uso de controles de ingeniería (campana extractora) y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalón largo, zapatos cerrados). Todos los procedimientos siguientes se describe a continuación se llevan a cabo en una campana de humos en el aire, salvo indicación diferente.

1. preparación de halogenuros Methylammonium

  1. a un 250 mL redondo matraz de fondo equipado con una barra de agitación, añadir etanol (100 mL) y metilamina (190 mmol, 16,5 mL, 40% wt en H 2 O) y enfríe el matraz a 0 ° C con un baño de hielo.
  2. Mientras que revuelve la solución de metilamina (durante unos 5 minutos a 600 revoluciones por minuto (rpm)), añadir gota a gota de HBr (76 mmol, 8,6 mL, 48% wt en H 2 O) o alto (76 mmol, 10 mL, 57% wt en H 2 O) y sellar el frasco con un septo.
  3. Permite la reacción a agitar durante 2 h a 0 ° c.
  4. Retirar el matraz de reacción del baño de hielo y evaporar los componentes volátiles no reaccionados y disolventes a presión reducida (~ 50 Torr) con un evaporador rotatorio, equipado con un baño de agua a 60 ° c durante 4 horas o hasta que se eliminan los volátiles.
  5. Para recristalizan el sólido resultante, añadir etanol caliente (~ 50 ° C) (100 mL) y disolver el material residual.
  6. Poco a poco añadir el éter dietílico (200 mL) para inducir la cristalización de un sólido blanco.
  7. Vacío del filtro la mezcla sobre un filtro de frita de vidrio grueso 50 mm.
  8. Recuperar el sobrenadante y añadir éter dietílico (200 mL) para inducir la cristalización adicional de sólido blanco. Vacío del filtro la mezcla sobre un segundo filtro de frita de vidrio grueso 50 mm.
  9. Combinar los sólidos blancos en un filtro de frita de vidrio grueso 50 mm y, mientras que la filtración de vacío, lavar el polvo resultante con éter dietílico tres veces (~ 30 mL cada vez).
  10. Secar el sólido blanco bajo vacío. Este procedimiento rinde (58,9 mmol, 9,360 g, 77%) de yoduro methylammonium (CH 3 NH 3 I) y (mmol 55,5, 6,229 g, 73%) de bromuro methylammonium (CH 3 NH 3 Br).
  11. Tienda en la oscuridad y en un desecador a temperatura ambiente para reducir al mínimo la descomposición con el tiempo.

2. Preparación de películas delgadas de haluro de plomo Methylammonium (CH 3 NH 3 PbI x 3 Br x) 6 , 20

  1. acondicionamiento previo de la Schlenk tubo
    1. Carga un 50 mL Schlenk tubo (diámetro 2,5 cm) con 0,1 g de methylammonium haluro. Para evitar que los productos químicos que se pega a las paredes del tubo de ensayo, utilizar un pesado cilindro de papel para transferir el haluro methylammonium en el tubo de.
      Nota: La relación final de I/(I+Br) en CH 3 NH 3 PbI x 3 Br x es determinada por la composición de haluro methylammonium en el tubo de ensayo. Por ejemplo, para lograr 30% que contenido el tubo Schlenk se carga con 0.03 g CH 3 NH 3 I y 0,07 g CH 3 NH 3 fr. Actual obtiene composiciones puedo variar con disposición experimental, calibración así las condiciones de síntesis para composiciones de rendimiento objetivo específico es necesario. En el presente caso, esto se logró mediante la medición de contenido de halogenuros en las películas sintetizadas mediante espectroscopia de rayos x dispersiva de energía (EDX).
    2. Utilizar una línea de Schlenk equipada con una bomba rotatoria para conectar y evacuar el tubo. Ajuste la presión a 0,185 Torr. Luego, sumerja el tubo de ensayo en un baño de aceite de silicona precalentado a 120 ° C, con un agitador magnético (600 rpm) durante 2 h (acondicionamiento previo del tubo Schlenk).
      Nota: Este paso permite la sublimación del precursor del methylammonium a lo largo de los lados del tubo Schlenk. Es importante asegurarse de la sublimación del precursor del methylammonium durante las dos horas de acondicionamiento previo. Una capa delgada del methylammonium precursor se condensará a lo largo de los lados del tubo Schlenk para cubrir la parte inferior la mitad del tubo. Si la sublimación del precursor del methylammonium no se observa o se pasa demasiado rápido, compruebe si la presión de la línea de Schlenk y la temperatura del baño de aceite son correctos, o probar con methylammonium fresco haluro precursor.
    3. quitar Schlenk tubo del baño de aceite y dejar methylammonium haluro bajo una sobrepresión de flujo N 2 para evitar la entrada de humedad.
  2. Preparación del sustrato
    1. someter a ultrasonidos un sustrato (de vidrio o recubierto de FTO glass, 14 x 16 mm 2) con agua (~ 3 mL) con detergente durante 15 minutos en un tubo de ensayo (diámetro 1,5 cm y altura 15 cm) a 35 KHz.
    2. Descartar el detergente y agua de enjuague con agua ultrapura (~ 10 mL) 5 veces.
    3. Deseche el agua ultrapuro, agregar acetona (~ 3 mL) y someter a ultrasonidos durante 15 min a 35 KHz.
    4. Eliminar la acetona, agregar isopropanol (~ 3 mL) y someter a ultrasonidos durante 15 min a 35 KHz.
    5. Descartar el isopropanol, recuperar el sustrato desde el tubo de ensayo con las pinzas y seque con una pistola de 2 N durante 15 s.
    6. Depósito de TiO 2 compacta capa (100 nm) en FTO sustratos de vidrio por la evaporación de haz de electrones a una temperatura de sustrato de 350 ° C y una tasa de deposición de 0.5 Å / s mediante una rotación de sustrato. 21
  3. preparación de la solución de precursor del haluro de plomo
    1. para la preparación de MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), disolver PbI 2 (0,8 mmol, g 0,369) y PbBr 2 (0,2 mmol, 0,073 g) en 1 mL DMF para alcanzar una concentración final de 0,8 M de PbI 2 y 0,2 M de PbBr 2. Someter a ultrasonidos durante 5 minutos a 35 KHz para disolver completamente el precursor.
      1. Para la preparación de películas de bromo o de yodo puro, disolver PbI 2 (1 mmol, g 0,461) o PbBr 2 (0,8 mmol, 0,294 g) en 1 mL DMF, para lograr una concentración final de 1 M y 0,8 M, respectivamente. Someter a ultrasonidos durante 5 minutos a 35 KHz para disolver completamente el precursor.
      2. Para la preparación de películas de Perovskita methylammonium dopada con cloro plomo yoduro, disolver PbI 2 (0,369 g) y PbCl 2 (0,056 g) en 1 mL DMF, para lograr una concentración final de 0,8 M de PbI 2 y 0,2 M de PbCl 2. Someter a ultrasonidos durante 5 minutos a 35 KHz para disolver completamente el precursor.
    2. Filtro de la solución precursora con un filtro de 0.2 μm polytetrafluorethylene (PTFE).
  4. Causar deposición de haluro
    1. precalentar la solución precursora en un plato caliente a 110 ° C por 5 min
    2. Con una micropipeta, drop 80 μL de la solución de precursor del haluro de plomo precalentado sobre el sustrato sin rotación (vidrio o TiO 2 depositado sobre el vidrio de la FTO cubierto; tamaño de 14 x 16 mm 2). Centrifugado a 500 rpm durante 5 s con una tasa de aceleración de 500 rpm s -1 y a 1500 rpm por 3 minutos con una acceleratiel índice de 1.500 rpm s -1.
    3. En un fumehood, seco película precursor durante 15 min a 110 ° C en una placa caliente que fluye N 2.
      Nota: Un plato crystalizing utiliza y coloca sobre el sustrato para permitir que el precursor a secar en una atmósfera de N 2. Para variar el espesor de la película de Perovskita resultante, la velocidad de la segunda etapa de spin-coating puede variar desde 1.200 a 12.000 rpm para lograr el espesor de la película en el rango de 500 a 100 nm. Para disminuir aún más el espesor de la película, se puede utilizar solución diluida precursora.
  5. Asistida por vapor recocido
    1. muestra de la carga en el tubo Schlenk (preparado según las instrucciones en la sección 2.1.2). Ajuste la presión a 0,185 Torr.
      Nota: La muestra se encuentra en el tubo de ensayo sobre el haluro methylammonium sin estar en contacto directo con él. Para retrasar la incorporación del methylammonium, la superficie del haluro de plomo está orientada a cara de los halogenuros del methylammonium.
    2. Sumergir el tubo Schlenk cargado con la muestra en baño de aceite de silicona calentada a 120 ° C por 2 h.
    3. Sacar la muestra y enjuáguela rápidamente sumergiéndola en un vaso de precipitados que contenga alcohol isopropílico. Seque inmediatamente la muestra enjuagada con un arma de 2 N.
      Nota: Para preparar pure CH 3 NH 3 PbI 3 uso PbI 2 como el precursor de haluro methylammonium puro yoduro en el paso de recocido asistida por vapor. A preparar CH 3 NH 3 PbBr 3 utilice PbBr 2 como el precursor del haluro y puro methylammonium bromuro en el paso de recocido asistida por vapor.

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Representative Results

Espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) de protón se tomaron después de la síntesis de halogenuros de methylammonium para verificar la pureza de la molécula (figura 1). Análisis de microscopia electrónica (SEM) de imágenes fueron adquiridas antes y después del recocido de vapor (figura 2) para caracterizar la morfología y la homogeneidad del precursor de haluro de plomo mezclado y el CH3NH3PbIx 3Brx películas. Patrones de difracción de rayos x (DRX) se recolectaron para confirmar la pureza de fase y la conversión de halogenuros de plomo CH3NH3PbIx 3Brx (figura 3).

Figure 1
Figura 1: espectro de resonancia magnética Nuclear. (un) RMN de 1H de CH3NH3Br en DMSO-d6. Picos en ppm δ 7.65 (br s, 3H) y 2.35 (s, 3H) confirman la identidad de la molécula. RMN de 1H 22 (b) CH3NH3en DMSO-d6. Picos en ppm δ 7.45 (br s, 3H) y 2.37 (s, 3H) confirman la identidad de la molécula. 23 los picos en 2.50 y 3,33 ppm son debido a residual DMSO y agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Yoduro bromuro y methylammonium Methylammonium puede caracterizarse fácilmente por 1H NMR (figura 1). El cambio químico del grupo metilo es un singlete agudo centrado en δ 2,35 ppm (3H) para el CH3NH3Br y δ 2,37 ppm (3 H) CH3NH3I. El cambio de amonio es una camiseta amplia centrada en δ 7,65 ppm (3H) y δ 7,45 ppm (3H) CH3NH3Br y CH3NH3I respectivamente. La diferencia en cambio química de los halogenuros methylammonium dos es debido a la electronegatividad de haluro diferentes, que afectan a (de) protección de los protones en las moléculas. Estos cambios químicos son compatibles con spectra previamente divulgados22,23.

Figure 2
Figura 2: Conversión del precursor de haluro de plomo CH3NH3PbIx 3Brx. Imágenes de SEM del precursor de haluro de plomo mezclado (a y b). Representativas imágenes de SEM de CH3NH3PbIx 3Brx films recocidos en 100% (c, d), 50% (e, f) y 30% (g, h) methylammonium yoduro. Las películas facetas son agujero libre y grano Mostrar tamaños hasta 700 nm. Barra de escala = 5 μm (a, c, e, g) y 1 μm (b, d, f, h). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figuras 2a y 2b muestran la morfología homogénea del precursor del haluro de plomo que posteriormente se convierte en CH3NH3PbIx 3Brx en mezclas de methylammonium yoduro y bromuro (c-h). Las películas de Perovskita resultante son continuos, agujero de alfiler-libre con tamaños de grano hasta 700 nm. El espesor estándar de la película de Perovskita es cerca de 400 nm, que se obtiene por centrifugado capa 1 M plomo solución precursora de haluro a una velocidad de 1.500 rpm. El grueso se puede cambiar variando la velocidad de giro, con las velocidades más altas produciendo películas más delgadas y viceversa. Curiosamente, la conversión de la capa de precursor del haluro de plomo a la perovskita resultante de haluro de plomo produce una expansión de volumen aproximado del doble.

La temperatura de 120 ° C para templar la fase de vapor se elige tales que methylammonium haluro sublimes, difunde en la película de haluro de plomo y el equilibrio entre methylammonium halide vapor y sólido CH3NH3PbIx 3Br x es a favor de la fase perovskita. En un estudio anterior, mostramos que recocido a 100 ° C dio lugar a la conversión en gran parte incompleto a la fase perovskita y que rendimiento es mejor cuando la síntesis se realizó a 120 ° C en lugar de 150 ° C. 20 la caracterización de la fase de precursor y CH3NH3PbIx 3Brx películas sobre sustratos de vidrio FTO por DRX se presenta en la figura 3a. El precursor de haluro de plomo (0,8 M PbI2 y 0,2 M PbBr2) muestra PbI2 fase con su principal pico en aproximadamente 12,7 °. CH3NH3PbIx 3Brx films son fase pura y no contienen PbI2 fase residual. El CH3NH3PbIx 3Brx DRX picos de exposición sistemática cambiar a ángulos más altos debido a la sustitución gradual de los más grandes átomos por los átomos de Br más pequeños llevando a una disminución constante del enrejado de ~6.29 Å (x = 0) a ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Figura 3: Fase de análisis y composición completo espectro CH3NH3PbIx 3Brx films. (un) DRX patrones de plomo precursor de haluro mostrando PbI2 fase y CH3NH3PbIx 3Brx films con la disminución de contenido de yodo. El patrón ampliado representa claramente el cambio de la posición de pico (110) a grandes ángulos de difracción sobre incorporación de Br. (b) imagen de CH3NH3PbIx 3Brx películas con incorporación gradual de Br (de izquierda a derecha: puro CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% y puro CH 3 NH3PbBr3). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La foto de CH3NH3PbIx 3Brx films (figura 3b) muestra la gradual incorporación de Br, resultando en un aumento de la brecha de banda de eV 1,6 a 2,3 eV y, por tanto, el cambio en la apariencia visible (izquierda, puro CH3NH3PbI3 derecha, puro CH3NH3PbBr3). El aumento gradual de la banda prohibida se ha demostrado por fotoluminiscenciamedidas, que fueron divulgadas previamente en CH3NH3PbIx 3Brx films con optoelectrónicos alta calidad sobre el espacio de composición completa. 6

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Discussion

Con el fin de fabricar heterojunctions eficientes organo-plomo plana perovskita, la homogeneidad de la capa activa es un requisito clave. Existente solución2,16,17 y19 metodologías de base de vacío18,, nuestro proceso es notablemente favorable a la afinabilidad de composición de la capa activa que se puede sintetizada sobre el completo CH3NH3PbIx 3Brx composición espacio optoelectrónicos alta calidad y reproducibilidad. 6 , 20 además, este proceso permite el uso de presión reducida y relativamente baja temperatura en un fumehood sin requerir el uso de una caja de guante o alta deposición de vacío.

Mientras que LP-VASP es altamente reproducible y ninguna modificación del protocolo debe ser necesaria, se observa que la composición real de la Br/(Br+I) en la película puede ser ligeramente más baja que la composición inicial del tubo Schlenk. Para solucionar este problema, es fundamental medir los halogenuros contenidos mediante EDX en la final de la película, así como para confirmar la estructura perovskita mediante DRX, para llevar a cabo una calibración de las condiciones sintético rendimiento composiciones específicos con respecto a la disposición experimental utilizado.

Además, hay algunas recomendaciones útiles que pueden asegurar la confiabilidad correcta de nuestro proceso. La calidad de las materias primas es especialmente importante. Almacenamiento de la orgánica (CH3NH3X) y el inorgánico (PbX2) precursores en un desecador bajo atmósfera de nitrógeno y humedad controlada es fundamental para asegurar la reproducibilidad en la síntesis. Además, los precursores orgánicos deben ser muy limpia y todos los rastros de materiales de partida deben quitarse con el lavado cuidadoso.

Hemos demostrado la síntesis de halogenuros methylammonium y la posterior transformación de plomo precursores de haluro CH3NH3PbIx 3Brx en mezclas de los mismos, dando por resultado liso, agujero de alfiler gratis películas exposición optoelectrónicos buena calidad. Con respecto a los métodos anteriores,2,16,17,18,19 este protocolo sintético es versátil y susceptible de ser adaptado en diferentes laboratorios porque es fácilmente llevado a cabo en un fumehood. Además, LP-VASP permite fácil accesibilidad de composición de Perovskita diferentes halogenuros de organo-plomo y sintonización de la banda prohibida.

El método de fabricación de la película presentada proporciona un control superior de morfología en comparación con la solución pura métodos de revestimiento, produciendo perovskita planar muy eficiente células solares de heterounión. Debido a la temperatura de proceso baja y de la utilización del equipamiento disponible en la mayoría de los laboratorios (es decir, fumehoods y líneas de Schlenk), esta metodología es especialmente adecuada fabricar células solares multiunión solos, así como, la luz emite diodos y láseres. Actualmente estamos desarrollando un proceso que permite al depósito grande (> cm 22) área perovskita continua de películas delgadas.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Desarrollo de procesos de perovskita, síntesis de película delgada, caracterización estructural y morfológica se realizaron en el centro conjunto para la fotosíntesis Artificial, un centro de innovación de energía DOE, apoyado a través de la oficina de ciencia del Departamento de Estados Unidos de Energía bajo la concesión número DE-SC0004993. C.M.S.-F. reconoce el apoyo financiero de la Fundación Nacional Suiza de ciencia (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

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References

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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).

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