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Chemistry

가변 밴드 갭 Pinhole 무료 Methylammonium 리드 할로겐 페로 영화에 대 한 낮은 압력 증기를 이용한 솔루션 과정

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

Summary

여기, 선물이 채널3NH3의 합성에 대 한 프로토콜 I, CH3NH3Br 선구자 및 pinhole, 지속적인 채널3NH PbI3-xBrx 3박막에 대 한 이후 형성 된 고효율 태양 전지 및 다른 광전자 장치에 응용 프로그램.

Abstract

유기-리드 할로겐 perovskites 최근 박막 태양 전지 및 광 전기 잠재적인 응용 프로그램에 대 한 큰 관심을 받고 있다. 여기, 선물이 이며 평면 heterojunction에 ~ 19%의 전력 변환 효율 페로 태양 전지를 이용한 저압 증기 솔루션 과정 (lp로-VASP) 메서드를 통해이 자료의 제작에 대 한 프로토콜. 첫째, 우리 methylammonium 요오드 화물의 합성을 보고 (채널3NH3나)와 methylammonium 브 로마 이드 (채널3NH3Br) methylamine 및 해당 할로겐 산 (하이 또는 HBr)에서. 다음, 작은 구멍, 연속 methylammonium 리드 할로겐 페로의 제작 설명 (채널3NH3PbX3 x = 나, Br, Cl 및 그들의 혼합물) lp로-VASP와 영화. 이 과정은 두 단계에 따라: i) 리드를 기판에 할로겐 전조의 균질 성 층 및 ii) 채널3NH3PbI3-xBrx 채널의 혼합물의 증기를 기판 노출 하 여이 계층의 변환의 스핀 코팅 3 NH3어 채널3NH3Br 감압 및 120 ° c. 리드 할로겐 전조로 methylammonium 할로겐 증기의 느린 유포를 통해 우리는 느리고 통제 성장을 지속, pinhole 무료 페로 영화 달성. LP-VASP 전체 할로겐 컴포지션 공간 채널3NH3PbI3-xBrx 0 ≤ x ≤ 3 합성 액세스할 수 있습니다. 밴드 갭 1.6 eV ≤ Eg ≤ 사이 조정 될 수 있다 증기 위상의 구성에 따라 2.3 eV. 또한, 구성 할로겐 전조의 및 증기 위상의 변화, 우리 또한 채널3NH3PbI3-xClx얻을 수 있습니다. LP-VASP에서 얻은 영화 재현, 순수, x-선 회절 측정 및 표시 높은 photoluminescence 양자 수율에 의해 확인 단계. 프로세스는 글러브를 사용 하 여가 필요 하지 않습니다.

Introduction

하이브리드 무기 유기 리드 할로겐 perovskites (채널3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) 급속 하 게 지난 몇 년 동안 내 등장은 반도체의 새로운 클래스는. 이 소재 클래스는 높은 흡수 계수1, 가변 전압2, 긴 충전 캐리어 확산 길이3, 높은 결함 허용 오차4, 높은 photoluminescence 등 우수한 반도체 속성을 보여 줍니다. 양자 수율5,6. 이러한 특성의 독특한 결합은 단일 접합7,8 등 multijunction 태양 전지9, 광전자 장치에서 응용 프로그램에 대 한 매우 매력적인 할로겐 perovskites 리드 10, 레이저11,12및 Led13.

채널3NH3PbX3 영화는 에너지 응용 프로그램15이 반도체 재료의 효율 향상을 목표로 다양 한 합성 방법14, 날조 될 수 있다. 그러나, 태양광 장치 최적화 충전 선택적 연락처 (즉, 전자와 레이어를 수송 하는 구멍)이 photocarrier 컬렉션을 용이 하 게 그것의 인터페이스 뿐만 아니라 할로겐 페로 활성 층의 품질에 의존 장치입니다. 특히, 연속, pinhole 무료 활성 레이어는 션트 저항, 장치 성능 향상을 최소화 하기 위해 필요 합니다.

유기-리드 할로겐 날조를 위한 가장 광범위 한 방법 가운데 페로 박막 솔루션 및 진공 기반 프로세스입니다. 가장 일반적인 솔루션 프로세스 리드 할로겐 및 methylammonium 할로겐 dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), 또는 γ-butyrolactone (GBL), 또는 혼합물이 용이 매에 용 해의 아데닌 비율을 사용 합니다. 2 , 16 , 온도, 시간, 분위기, 어 닐 링 뿐 아니라 17 전조 몰 솔벤트 타입, 연속 및 핀 홀 무료 영화를 정확 하 게 제어 해야 합니다. 16 예를 들어 표면 범위를 개선 하기 위해 용 매 공학 기술 시연 했다 조밀한 항복 하 여 영화를 매우 균일. 17 이 기법에서 비-용 매 (톨루엔)는 틈 다 떨어뜨린 페로 레이어에 페로 솔루션의 회전 하는 동안. 17 이 접근은 일반적으로 잘 mesoporous 전자 선택적 접촉으로 티 오2 증가 접촉 면적을 고용 하 고 캐리어 전송 길이 감소는 생체 heterojunctions에 적합 합니다.

그러나,에 따라 선택적 연락처를 사용 하 여 평면 heterojunctions (일반적으로 티 오2) 얇은 태양 전지 기술에 보다 쉽게 채택 될 수 있는 간단 하 고 확장 가능한 구성 제공 하기 때문에, 영화는 더 바람직한. 따라서, 높은 효율과 안정성 평면 heterojunctions에 대 한 작업을 보여 주는 유기 리드 할로겐 페로 활성 층의 개발이이 분야에서 기술 발전 될 수 있습니다. 그러나, 평면 heterojunctions를 조작 하는 주요 과제 중 하나 여전히 활성 층의 동질성 표시 됩니다. 몇 가지 시도, 진공 프로세스에 따라 티 오2 박막에 균일 한 레이어를 준비 되었습니다. 예를 들어 Snaith 및 공동 작업자 시연 듀얼 증발 프로세스는 매우 동질적인 페로 레이어 태양광 응용 프로그램에 대 한 높은 전력 변환 효율을 얻을. 18 이 분야에서 중요 한 발전을 나타내는, 활성 층의 구성의 tunability의 부족과 높은 진공 시스템의 사용 제한이 방법의 적용. 흥미롭게도, 매우 높은 균일성 증기 기반 솔루션 프로세스 (VASP)19 와 수정된 저압 VASP (lp로-VASP)6,20달성 되었습니다. LP-VASP 리드 할로겐 전조 레이어 methylammonium 할로겐 증기 압력 감소에 존재의 어 닐 링에 기반 하지만 VASP, 양 및 공동 작업자19에 의해 제안 된 더 높은 온도 및 장갑 상자를 사용 하 여, 고 상대적으로 낮은 온도 fumehood에서. 이러한 특정 조건을 혼합 페로 작곡, 그리고 순수한 채널3NH3PbI3의 제작, 채널3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3-액세스 활성화 xBrx, 그리고 채널3NH3PbBr3 쉽게 달성 될 수 있다. 특히, 전체 구성 공간 채널3NH3PbI3-xBrx 영화 높은 광전자 품질과 재현성6,20합성 수 있습니다.

여기, 우리가 제공 프로토콜에 대 한 자세한 설명을 유기 무기 리드 할로겐의 합성에 대 한 LP-VASP, methylammonium 할로겐 유도체를 합성 하는 절차를 포함 하 여 통해 페로 레이어. 채널3NH3PbX3 영화의 PbI2/PbBr2 (PbI2또는 PbI2/PbCl i) 스핀 코팅을 구성 하는 2 단계 절차 이루어져 일단 선구자는 합성 유리 기판 또는 주석 산화물 불 소 첨가 (FTO) 2) 전조 전자 전송 층, 및 ii로 평면 티 오2, 유리 기판 코팅) 저압 증기 기반 채널3NH3의 혼합물에 열 처리 및 채널3NH3원하는 광 밴드 갭에 따라 정밀 하 게 조정 될 수 있는 Br (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). 이러한 조건 하에서 methylammonium 할로겐 분자는 연속, pinhole 무료 할로겐 페로 영화 저조한 리드 할로겐 박막으로 천천히 확산 수증기 단계에서 제시. 이 프로세스 완료 된 유기 무기 리드 할로겐 페로를 시작 리드 할로겐 전조 계층에서 2 배 볼륨 확장을 생성합니다. 페로의 표준 두께 약 400 nm. 두 번째 스핀 코팅 단계의 속도 변경 하 여 100-500 nm 사이이 두께 다양 하 게 가능 하다. Au/스피로-OMeTAD /CH3NH3PbI3-xBrx를 사용 하 여 최대 19%의 전력 변환 효율 가진 태양광 장치 변환 높은 광전자 품질의 영화에서 결과 제시 기법 / 티 오2압축 / FTO/유리 솔 라 셀 아키텍처. 21

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Protocol

주의: 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오. 이러한 종합에서 사용 하는 화학 물질의 일부는 심하게 독성, 발암 성, 및 생식 독성 있습니다. 파열 및 폭발 위험 Schlenk 선의 사용과 연결 됩니다. 절차를 수행 하기 전에 유리 기구의 무결성을 확인 있는지 확인 하십시오. 폭발 될 수 있는 액체 산소 (하늘색)의 결로 Schlenk 선 액체 질소 콜드 트랩 협회에서의 잘못 된 사용 될 수 있습니다. 진공 시스템, Schlenk 선 및 극저온 액체를 사용 하기 전에 전문가 의해 직업 훈련에 적합 한 수신 확인 하십시오. 공학적 통제 (증기 두건) 및 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑, 실험실 외 투, 전체 길이 바지, 폐쇄 발가락 신발)의 사용을 포함 하 여 합성을 수행할 때 모든 적절 한 안전 관행을 사용 하십시오. 다르게 명시 되지 않는 한 아래에 설명 된 다음 절차의 모든 공중에 증기 두건에서 수행 됩니다.

1. 준비의 Methylammonium 할로겐

  1. 둥근 바닥 플라스 크 저 어 바 장착 ~ 250 mL 에탄올 (100 mL)와 methylamine (190 mmol, 16.5 mL, H 2 O 40% wt), 추가 하 고 0 ° C에 플라스 크를 냉각 얼음 목욕.
  2. Methylamine 솔루션 (600 혁명 당 분 (rpm)에서 약 5 분)에 대 한 감동 이다, 하는 동안이 (76 mmol, 10 mL, 57% wt H 2 O) 또는 HBr (76 mmol, 8.6 mL, H 2 O 48% wt) dropwise, 추가 하 고는 심장으로 플라스 크를 밀봉.
  3. 허용 0 ˚C에서 2 h 동안 저 어 반응.
  4. 얼음 목욕에서 반응 플라스 크를 제거 하 고 감압 (~ 50 Torr) 용 매 및 unreacted 휘발성 부품 회전 증발 기는 휘발성 제거 될 때까지 또는 4 h 60 ˚C에서 물 욕조를 갖춘 함께 증발.
  5. 결과 솔리드 recrystallize, 따뜻한 (~ 50 ° C) 에탄올 (100 mL)을 추가 하 고 잔여 물질을 분해.
  6. 천천히 diethyl 에테르 (200 mL)에 백색 고체의 결정 화를 유도 하는 것을 추가.
  7. 진공 거친 50 m m 유리 frit 필터에 혼합물을 필터링.
  8. 복구는 상쾌한 고 흰색 고체의 추가 결정 화를 유도 하기 위해 diethyl 에테르 (200 mL)를 추가 합니다. 두 번째 굵고 50 m m 유리 frit 필터에 혼합물을 필터링 하는 진공.
  9. 거친 50 m m 유리 frit 필터에 흰색 고체를 결합 하 고, 진공 필터링 하는 동안 세척 diethyl 에테르와 결과 분말 세 번 (~ 30 mL 때마다).
  10. 진공에서 백색 고체 건조. Methylammonium 요오드 화물의 (58.9 mmol, 9.360 g, 77%)이이 절차에 의하여 열매를 산출 (채널 3 NH 3 나)와 (55.5 mmol, 6.229 g, 73%) methylammonium 브 로마 이드 (채널 3 NH 3 Br)의.
  11. 어둠 속에서 시간이 지남에 따라 분해를 최소화 하기 위해 실내 온도에서 desiccator에서 저장소.

2. Methylammonium 리드 할로겐 (채널 3 NH 3 PbI 3-x Br x) 박막 6 , 20의 준비

  1. 는 Schlenk의 사전 컨디셔닝 튜브
    1. 부하 50 mL Schlenk 튜브 (지름 2.5 c m) methylammonium 할로겐의 0.1 g. 테스트 튜브의 벽에 집착 하는 화학 물질을 방지 하기 위해를 사용 하 여 무게 종이 실린더 튜브에 methylammonium 할로겐 전송.
      참고: 채널 3 NH 3 PbI 3-x Br x I/(I+Br)의 최종 비율 테스트 튜브에 methylammonium 할로겐 구성에 의해 결정 됩니다. 예를 들어 30% 나 콘텐츠, Schlenk 튜브 로드 0.03 g 채널 3 NH 3 나 0.07 g 채널 3 NH 3 br. 실제 얻은 작곡 다를 수 있습니다 실험 설치, 그래서 교정에 합성 조건 항복 특정 대상 작곡은 필요 합니다. 현재의 경우에서이 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX)을 통해 합성된 필름에 할로겐 함량을 측정에 의해 달성 되었다.
    2. 로타리 펌프를 갖춘 Schlenk 선을 사용 하 여 연결 하 고 대피 튜브. 0.185 Torr의 압력을 조정 합니다. 다음, 미리 2 h (사전 컨디셔닝 Schlenk 튜브의)에 대 한 자력 (600 rpm)으로 120 ° C에가 열 하는 실리콘 기름 목욕에서 테스트 튜브를 담가.
      참고:이 단계는 Schlenk 튜브의 측면을 따라 methylammonium 전조의 승화에 대 한 수 있습니다. 사전 컨디셔닝의 두 시간 동안 methylammonium 전조의 승화를 위해 중요 하다. Methylammonium 선구자의 얇은 층 Schlenk 튜브는 튜브의 절반 하단 커버의 측면을 따라 응축 됩니다. 승화 methylammonium 전조의 관찰 되지 않는 또는 너무 빨리 일어나 고, 확인 경우 Schlenk 라인의 압력 그리고 기름 목욕의 온도 올바른지, 또는 사용 하 여 신선한 methylammonium 할로겐 전조.
    3. Schlenk 제거 기름 목욕에서 튜브와 methylammonium 할로겐 수 분 섭취를 피하기 위해 흐르는 N 2의 압력 아래 두고.
  2. 기판 준비
    1. 물 (~ 3 mL) 테스트 튜브에서 15 분 세제를 포함 한 기판 (유리 또는 FTO 코팅 유리, 14 x 16 m m 2)를 Sonicate (직경 1.5 cm, 높이 15 cm) 35 khz.
    2. 초순 (~ 10 mL)와 5 번 헹 궈 서 세제/물 폐기.
    3. 초순 물 버리고, 아세톤 (~ 3 mL)를 추가 하 고 35 KHz에서 15 분 동안 sonicate.
    4. 아세톤을 버리고, 소 프로 파 놀 (~ 3 mL)를 추가 하 고 35 KHz에서 15 분 동안 sonicate.
    5. 폐기는 소 프로 파 놀, 핀셋, 시험관에서 기판 복구 및 15 N 2 총 건조 미
    6. 예금 티 오 2 압축 레이어 (100 nm) FTO에 350 ℃의 기판 온도 0.5의 증 착 속도에 전자 빔 증발에 의해 기판 유리 Å / s 기판 회전을 사용 하 여. 21
  3. 리드 할로겐 전조 솔루션의 준비
    1. MAPbI 3-x Brx의 준비에 대 한 (0 < x < 3), 해산 PbI 2 (0.8 m m o l, 0.369 g)와 PbBr 2 (0.2 m m o l, 0.073 g) 1 ml DMF PbI 2의 0.8 M와 0.2 M PbBr 2의 최종 농도 달성 하기 위해. 전조를 완전히 분해 하 35 KHz에서 5 분 동안 sonicate.
      1. 순수한 요오드 화물 또는 브롬 영화 준비에 대 한 해산 PbI 2 (1 mmol, 0.461 g) 또는 PbBr 2 (0.8 m m o l, 0.294 g) 1 ml DMF, 각각 1 M와 0.8 M의 최종 농도 달성 하기 위해. 전조를 완전히 분해 하 35 KHz에서 5 분 동안 sonicate.
      2. 염소 첨가 methylammonium 리드 요오드 화 페로 영화 준비에 대 한 해산 PbI 2 (0.369 g) 및 PbCl 2 (0.056 g) 1 ml DMF, PbI 2의 0.8 M와 0.2 M PbCl 2의 최종 농도 달성 하기 위해. 전조를 완전히 분해 하 35 KHz에서 5 분 동안 sonicate.
    2. 전조 솔루션 0.2 μ m polytetrafluorethylene (PTFE) 필터와 필터.
  4. 할로겐 착 리드
    1. 예약 5 분에 대 한 110 ° C로 설정 뜨거운 접시에 선구자 솔루션을 열
    2. Micropipette, 떨어질 비 회전 기판에 미리가 열된 리드 할로겐 전조 솔루션의 80 μ (유리 또는 티 오 2 FTO 코팅 유리;에 14 x 16 m m 2 크기). 5 500 rpm 스핀 500 rpm s -1는 accelerati로 3 분 1500 rpm의 가속 율으로 s1500 rpm s -1의 비율에.
    3. 는 fumehood에 흐르는 N 2 핫 플레이트에 110 ° C에서 15 분에 대 한 전조 필름 건조.
      참고: crystalizing 요리는 사용 하 고 N 2 분위기에 건조 전조 수 있도록 기판 위에 배치. 결과 페로 필름의 두께를, 두 번째 스핀 코팅 단계의 속도 변화 될 수 1200에서 500 ~ 100 범위에서 필름 두께 달성 하기 위해 12000 rpm nm. 더 필름 두께 감소, 희석된 전조 솔루션을 사용할 수 있습니다.
  5. 증기를 이용한 어 닐 링
    1. Schlenk 튜브 (2.1.2 단원의 지침에 따라 준비)으로 부하 샘플. 0.185 Torr 압력 조정.
      참고: 샘플은 그것와 직접 접촉에서 하지 않고 methylammonium 할로겐 위의 테스트 튜브에 앉아 있다. Methylammonium의 설립을 천천히 리드 할로겐 표면은 methylammonium 할로겐 얼굴 하.
    2. 담가 Schlenk 튜브 2 헤에 대 한 120 ° C에가 열 하는 실리콘 기름 목욕에서 샘플 로드
    3. 샘플에 밖으로가 고 신속 하 게이 소 프로필 알코올 비 커에 그것을 찍기 하 여 그것을 씻어. N 2 총으로 씻어 서 샘플을 즉시 건조.
      참고: 순수한 채널 3 NH 준비 3 PbI 3 사용 PbI 2 할로겐 전조와 증기를 이용한 어 닐 링 단계에서 순수한 methylammonium 요오드 화물. 채널 3 NH 준비 3 PbBr 3 PbBr 2로 사용 할로겐 전조와 증기를 이용한 어 닐 링 단계에서 순수한 methylammonium 브 로마 이드.

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Representative Results

양성자 핵 자기 공명 (NMR) 스펙트럼 분자 순도 (그림 1)를 확인 하려면 methylammonium 할로겐 합성 후 찍은 사진. 증기 어 닐 링 형태 특성 (그림 2)와 혼합된 리드 할로겐 전조와 채널3NH3PbI3-xBr의 동질성 전후 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 이미지 인수 했다 x 영화. X 선 회절 (XRD) 패턴 단계 순도 채널3NH3PbI3-xBrx (그림 3) 리드 할로겐 변환할 것인지 수집 했다.

Figure 1
그림 1: 핵 자기 공명 스펙트럼. () 1H NMR DMSO d6에서 채널3NH3Br의. Δ 7.65 (br s, 3 H)와 2.35 (s, 3 H) ppm에서 봉우리는 분자의 id를 확인합니다. 채널3NH322 (b) 1H NMR DMSO d6에 나. Δ 7.45 (br s, 3 H) 및 2.37 (s, 3 H) ppm에서 봉우리는 분자의 id를 확인합니다. 23 2.50 3.33 ppm에서 봉우리는 잔여 DMSO와 물 한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Methylammonium 브 로마 이드와 methylammonium 요오드 화물 1H NMR (그림 1) 쉽게 특징 될 수 있습니다. 메 틸 그룹의 화학 변화는 날카로운 내의 중심으로 채널3NH3Br, 2.35 ppm (3 H) δ 및 δ 2.37 ppm (3 H) 채널3NH3나. 암모늄 시프트는 광범위 한 내의 가운데에 δ 7.65 ppm (3 H), 그리고 δ 채널3NH3Br, CH3NH37.45 ppm (3 H) 나 각각. 두 개의 methylammonium 할로겐의 화학 변화에 차이 (de)는 분자에 양성자의 차폐에 영향을 미치는 다른 할로겐 electronegativities 예정 이다. 이러한 화학 교대 이전에 보고 된 스펙트럼22,23일치 하는.

Figure 2
그림 2: 채널3NH3PbI3-xBrx리드 할로겐 전조의 변환. (A b) 혼합된 리드 할로겐 전조의 SEM 이미지. 채널3NH3PbI3-xBrx 영화 (c, d) 100%, 50% (e, f), 그리고 30% (g, h) methylammonium 요오드 화물에 단련의 대표적인 SEM 이미지. 면처리된 영화 무료, pinhole 그리고 쇼 곡물 크기 최대 700 nm. 눈금 막대 5 µ m = (a, c, e, g), 1 µ m (b, d, f, h). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2a2b 채널3NH3PbI3-xBrx methylammonium 요오드 화물와 브 로마 이드의 혼합물에서 변환 이후에 리드 할로겐 전조의 균질 형태학 (c-h)를 표시 합니다. 결과 페로 영화는 연속, 700까지 곡물 크기와 핀 홀 무료 nm. 페로의 표준 두께 약 400 nm, 스핀 1 M를 코팅 하 여 1500 rpm의 속도로 할로겐 전조 솔루션을 리드. 두께 얇은 영화와 반대로양보 하는 더 높은 속도와 회전 속도 변화 하 여 변경할 수 있습니다. 흥미롭게도, 결과 리드 할로겐 페로를 리드 할로겐 전조 계층에서 변환 결과 대략 2 배 볼륨 확장.

120 ° C의 온도 증기 위상 anneal 선택 methylammonium 할로겐 sublimes 되도록 리드 할로겐 영화와 methylammonium 할로겐 증기와 고체 채널3NH3PbI3-xBr 사이 평형으로 확산 x 는 페로 단계 찬성입니다. 이전 연구에서 우리는 페로 단계로 크게 불완전 한 변환 결과 100 ° C에서 열 처리 하 고 합성은 150 ° c. 대신 120 ° C에서 수행 될 때 장치 성능 최고 였다 보였다 20 전조와 XRD로 FTO 유리 기판에 채널3NH3PbI3-xx 영화 Br의 위상 특성 그림 3a에서 제공 됩니다. 리드 할로겐 전조 (0.8 M PbI2 와 0.2 M PbBr2) 약 12.7 ° PbI의 주요 피크와2 단계를 보여줍니다. 채널3NH3PbI3-xBrx 필름은 단계 순수 고 잔여 PbI2 단계를 포함 하지 않습니다. 채널3NH3PbI3-xBrx XRD 봉우리는 체계적인 이동 높은 각도 더 큰의 점차적인 보충 때문에 내가 ~6.29에서 격자 상수에 감소로 이어지는 작은 브롬 원자 원자 전시 Å (x = 0) ~5.93을 Å (x = 3 )2.

Figure 3
그림 3: 위상 분석 및 전체 구성 스펙트럼 채널3NH3PbI3-xBrx 영화. 리드 할로겐 전조 PbI2 단계, 그리고 채널3NH 요오드 콘텐츠 감소와3PbI3-xBrx 영화 상영의 () XRD 패턴. 확대 패턴은 명확 하 게 Br 설립 시 큰 회절 각도 쪽으로 (110) 피크 위치의 변화를 묘사 한다. (b) 그림의 채널3NH3PbI3-xBr Br의 점진적 설립x 영화 (왼쪽에서 오른쪽: 순수한 채널3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 그리고 순수한 채널 3 NH3PbBr3). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

채널3NH3PbI3-xBrx 영화 (그림 3b)의 그림에서는 Br, 2.3 eV, 그리고 따라서 보이는 외관에서 변화 1.6 eV에서 밴드 갭 증가 발생의 점진적 설립 (왼쪽, 순수한 채널3NH3PbI3 오른쪽, 순수한 채널3NH3PbBr3). 갭의 점진적 증가 photoluminescence에 의해 표시 되었습니다.측량 전체 구성 공간 채널3NH3PbI3-xBrx 영화 높은 광전자 품질에 이전에 보고 했다. 6

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Discussion

고효율 유기-리드 평면 페로 heterojunctions를 조작 하기 위해 활성 층의 동질성은 핵심 요건 이다. 기존 솔루션2,,1617 및 진공 기반18,19 방법론, 우리의 과정은 눈에 띄게 될 수 있는 활성 층의 조성 tunability 의무가 전체 채널3NH3PbI3-x높은 광전자 품질과 재현성 Brx 컴포지션 공간에 합성. 6 , 20 또한,이 프로세스 감소 압력의 사용을 허용 하 고 장갑 상자 또는 높은 진공 증 착의 사용을 요구 하지 않고 상대적으로 낮은 한 fumehood에서 온도.

LP VASP 높은 재현성 프로토콜을 수정 해야 한다 동안에, 그것은 영화에서 실제 Br/(Br+I) 구성 Schlenk 튜브의 초기 구성 보다 약간 낮은 수 있습니다 지적 이다. 이 문제를 해결 하려면 그것은 중요 한 할로겐 합성 조건에 특정 대상 작곡 저조한의 캘리브레이션을 수행 하기 위해 XRD, 통해 페로 구조를 확인으로 또한 마지막 필름에서 EDX를 통해 콘텐츠를 측정 하는 실험적인 체제를 활용.

또한, 우리의 과정의 정확한 신뢰성을 보장할 수 있는 몇 가지 유용한 권장 있다. 시작 자료의 품질이 특히 중요 합니다. 유기 (채널3NH3X) 질소 분위기와 제어 습도에서 desiccator에 무기 (PbX2) 전조의 저장 합성에서 재현성 보장 수단 이다. 또한, 유기 선구자 매우 깨끗 해야 하 고 주의 세척 시작 물자의 모든 흔적을 제거 한다.

우리 methylammonium 할로겐의 합성 증명 및 리드 할로겐 선구자 채널3NH3PbI3-xBrx 혼합물, 부드러운, pinhole 무료 결과의 후속 변환 하는 영화 좋은 광전자 품질을 전시 한다. 이전 방법,2,,1617,18,19 합성이 프로토콜은 다양 하 고 있기 때문에 다른 실험실에 적응 될 의무가 관하여 그것은 쉽게는 fumehood에서 실시 했다. 또한, LP VASP 다른 유기 리드 할로겐 페로 구성의 손쉬운 접근성 및 밴드 갭의 튜닝 수 있습니다.

제시 필름 제조 방법 코팅 방법, heterojunction 태양 전지 고효율 평면 페로 저조한 순수 솔루션에 비해 우수한 형태 제어를 제공 합니다. 낮은 가공 온도 때문에 대부분 실험실 (fumehoods 및 Schlenk 선)에서 사용할 수 있는 표준 장비를 사용 하 여의,이 방법론은 특히 단일 뿐만 아니라 multijunction 태양 전지를 제작, 발광 빛을 적당 한 다이오드, 그리고 레이저입니다. 우리는 지금 큰 예금 하도록 허용 하는 프로세스를 개발 (> 2 cm2) 지역 연속 페로 박막.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

페로 공정 개발, 박막 합성, 구조 및 형태학 특성 인공 광합성, DOE 에너지 혁신 허브 과학의 사무실의 미국 부의 지원에 대 한 공동 센터에서 수행한 보너스 번호 드-SC0004993에서 에너지입니다. C.M.S.-F. 스위스 국립 과학 재단 (P2EZP2_155586) 로부터 재정 지원을 인정 한다.

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

  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).
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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).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).

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