Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Lavtrykk damp-assistert løsningsprosessen for Tunable Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly metallhalid Perovskite 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

Her presenterer vi en protokoll for syntese av CH3NH3jeg og CH3NH3Br prekursorer og påfølgende dannelsen av pinhole-fri, kontinuerlig CH3NH3PbI3-xBrx tynne filmer for den program i høy effektivitet solceller og andre Optoelektronisk enheter.

Abstract

Organo-bly metallhalid perovskites har nylig fått stor interesse for potensielle i tynn-film solcellepanel og optoelectronics. Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon av dette materialet via lavt trykk damp assistert løsning prosessen (LP-VASP) metoden, som gir ~ 19% strøm konvertering effektivitet i planar heterojunction perovskite solceller. Først vi rapportere syntese av methylammonium iodide (CH3NH3jeg) og methylammonium bromide (CH3NH3Br) fra methylamine og tilsvarende metallhalid syre (HI eller HBr). Deretter beskriver vi fabrikasjon av pinhole-fri, kontinuerlig methylammonium-bly metallhalid perovskite (CH3NH3PbX3 x = jeg, Br, Cl og sin blanding) filmer med LP-VASP. Denne prosessen er basert på to trinn: i) spin-belegg av en homogen lag av bly metallhalid forløper til et substrat, og ii) konvertering dette CH3NH3PbI3-xBrx ved å utsette underlaget damp av en blanding av CH 3 NH3jeg og CH3NH3Br ved redusert trykk og 120 ° C. Gjennom langsom spredningen av methylammonium metallhalid damp i ledelsen metallhalid forløperen oppnår vi sakte og kontrollert vekst av en kontinuerlig, pinhole-fri perovskite film. LP-VASP posttilgang syntetiske til full metallhalid komposisjon plass i CH3NH3PbI3-xBrx med 0 ≤ x ≤ 3. Avhengig av sammensetningen av damp fasen, bandgap kan stilles inn mellom 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV. I tillegg av varierende sammensetning av metallhalid forløperen og damp fasen, kan vi også få CH3NH3PbI3-xClx. Filmer fra LP-VASP er reproduserbare, fase ren som bekreftes av X-ray Diffraksjon målinger og Vis høy photoluminescence quantum avkastning. Prosessen krever ikke bruk av en glovebox.

Introduction

Hybrid organisk-uorganiske bly metallhalid perovskites (CH3NH3PbX3, X = jeg, Br, Cl) er en ny klasse av halvledere som har dukket opp raskt i de siste årene. Denne materielle klasse viser utmerket semiconductor egenskaper, for eksempel høye absorpsjon koeffisienten1, tunable bandgap2, lang kostnader bærer spredning lengden3, høy defekt toleranse4og høy photoluminescence Quantum gi5,6. Den unike kombinasjonen av disse egenskapene gjør lede metallhalid perovskites svært attraktiv for programmet i Optoelektronisk enheter, for eksempel enkelt krysset7,8 og multijunction solcellepanel9, 10, lasere11,12og LED13.

CH3NH3PbX3 filmer kan være laget av en rekke syntetisk metoder14, som tar sikte på å forbedre denne semiconducting materiale for energi programmer15. Imidlertid avhengig optimalisering av photovoltaic enheter av kvaliteten på det metallhalid perovskite aktive laget, så vel som dens grensesnitt med gratis selektiv kontakter (dvs elektron og hull transport lag), som letter photocarrier samling i disse enheter. Spesielt er kontinuerlig, pinhole-fri aktive lagene nødvendig for å minimere shunt motstand, og dermed forbedre ytelsen på enheten.

Blant de mest utbredte metodene for fabrikasjon organo-bly metallhalid er perovskite tynne filmer løsning- og vakuum-baserte prosesser. Vanligste løsningsprosessen bruker ekvimolare prosenter av bly metallhalid og methylammonium metallhalid oppløst i vannistedenfor (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) eller γ-butyrolakton (GBL) eller blandinger av disse løsemidler. 2 , 16 , 17 forløper molarity og løsemiddel type, samt annealing temperatur, tid og atmosfære, må kontrolleres nøyaktig for å få kontinuerlig og pinhole-gratis filmer. 16 For eksempel for å forbedre dekning, et løsemiddel-ingeniørarbeid teknikken ble demonstrert gi tett og ekstremt uniform filmer. 17 i denne teknikken, et ikke-løsemiddel (toluen) er dryppet på perovskite laget under spinning perovskite løsningen. 17 disse tilnærmingene er vanligvis godt egnet for Mesoskopisk heterojunctions, som benytter mesoporous TiO2 som et elektron selektiv kontakt med økt kontakt området og redusert carrier transport lengden.

Imidlertid ut heterojunctions, som bruker selektiv kontakter basert på tynn (vanligvis TiO2) filmer, er mer attraktiv fordi de gir en enkel og skalerbar konfigurasjon som lettere kan vedtas i solcelleteknologi. Derfor kan utviklingen av organo-bly metallhalid perovskite aktive lagene som viser høy effektivitet og stabilitet under operasjonen for planar heterojunctions føre til teknologiske fremskritt i dette feltet. Imidlertid er en av de største utfordringene å dikte planar heterojunctions fortsatt representert ved homogenitet av det aktive laget. Noen forsøk, basert på vakuum prosesser, gjort å forberede uniform lag tynne TiO2 filmer. For eksempel har Snaith og samarbeidspartnere vist en dobbel fordampning prosess, som gir svært homogen perovskite lag med høy effekt konvertering effektivitet for photovoltaic programmer. 18 mens dette arbeidet representerer en betydelig fremgang i feltet, bruk av høy vakuum systemer og mangel på tunability av sammensetningen av det aktive laget begrenser anvendelsen av denne metoden. Interessant, er ekstremt høy ensartethet oppnådd med damp-assistert løsning prosessen (VASP)19 og endret lavtrykk VASP (LP-VASP)6,20. Mens VASP, foreslått av Yang og samarbeidspartnere19, krever høyere temperaturer og bruk av en hanskerommet, LP-VASP er basert på annealing et kundeemne metallhalid forløper lag i nærvær av methylammonium metallhalid damp, redusere presset og relativt lav temperatur i en fumehood. Disse bestemte betingelser aktivere tilgang blandet perovskite komposisjoner, og fabrikasjon av ren CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xBrxog CH3NH3PbBr3 kan lett oppnås. Spesielt kan CH3NH3PbI3-xBrx filmer over hele sammensetningen plassen syntetiseres med høy Optoelektronisk kvalitet og reproduserbarhet6,20.

Her, gir vi en detaljert beskrivelse av protokollen for syntese av organisk-uorganiske bly metallhalid perovskite lag via LP-VASP, inkludert prosedyren for å syntetisere methylammonium metallhalid forløpere. Når forløpere er syntetisert, består dannelsen av CH3NH3PbX3 filmer av en to-trinns prosedyre som består i) spin-belegget av PbI2/PbBr2 (PbI2eller PbI2/PbCl 2) forløper barometer substrate eller fluor-dopet tinn oksid (FTO) belagt barometer substrate med planar TiO2, electron transportlaget og ii) lavtrykk damp-assistert annealing i blandinger av CH3NH3jeg og CH3NH3Br som fint kan justeres avhengig av det ønskede optisk bandgap (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). Under disse forholdene presentere methylammonium metallhalid molekylene i damp fase sakte diffus i ledelsen metallhalid tynnfilm gir kontinuerlig, pinhole-fri metallhalid perovskite filmer. Denne prosessen gir en todelt volum utvidelse fra Start bly metallhalid forløper laget til fullført organisk-uorganiske bly metallhalid perovskite. Standard tykkelsen av perovskite filmen er om lag 400 nm. Det er mulig å variere denne tykkelsen mellom 100-500 nm ved å endre hastigheten på det andre spin belegg trinnet. Presentert teknikken resulterer i filmer av høy Optoelektronisk kvalitet, som betyr photovoltaic enheter med makt konvertering effektivitet på opptil 19% bruker en Au/spiro-OMeTAD ugyldig3NH3PbI3-xBrx/ kompakt TiO2/ FTO/glass solenergi celle arkitektur. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

forsiktig: ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk. Flere av kjemikaliene som brukes i disse synteser er akutt giftig kreftfremkallende og giftig for reproduksjon. Implosjon og eksplosjon risikoer er forbundet med bruk av en Schlenk linje. Sørg for å sjekke integriteten til glass apparatet før du utfører prosedyren. Feil bruk av Schlenk linjen i samarbeid med en flytende nitrogen kaldt felle kan medføre kondensering av flytende oksygen (lys blå) som kan bli eksplosive. Sørg for å få riktig på jobbtrening av eksperter før du bruker vakuum-systemer, Schlenk linjer og kryogene væsker. Kan bruke alle nødvendige sikkerhets praksis når syntese inkludert bruk av engineering kontroller (avtrekksvifte) og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, laboratoriefrakk, full lengde bukser, lukket-toe sko). Alle følgende fremgangsmåtene nedenfor utføres i avtrekksvifte i luften, med mindre annet opplyses.

1. forberedelse av Methylammonium metallhalid

  1. til et 250 mL rundt bunnen kolbe utstyrt med rør bar, legge til etanol (100 mL) og methylamine (190 mmol, 16,5 mL, 40% wt i H 2 O), og kule kolbe 0 ° c med en isbadet.
  2. Mens methylamine løsningen er røring (for ca 5 min på 600 revolusjon i min (rpm)), legge til HI (76 mmol, 10 mL, 57% wt i H 2 O) eller HBr (76 mmol, 8.6 mL, 48% wt i H 2 O) dropwise og forsegle flasken en septum.
  3. At reaksjonen til rør for 2t ved 0 grader.
  4. Fjerne reaksjon kolbe fra isbadet og fordampe løsemiddel og Ureagert flyktige komponenter ved redusert trykk (~ 50 Torr) med en roterende fordamperen utstyrt med et vannbad på 60 grader i 4 h eller til flyktige fjernes.
  5. For å recrystallize den resulterende solide, legge til varm (~ 50 ° C) etanol (100 mL) og oppløse gjenværende materialet.
  6. Sakte legger diethyl Eter (200 mL) å indusere krystallisering av en hvit solid.
  7. Vakuum filtrere blandingen over filtere grov 50 mm glass frit.
  8. Gjenopprette nedbryting og legge diethyl Eter (200 mL) å indusere mer krystallisering av hvit solid. Vakuum filtrere blandingen over en andre grov 50 mm glass frit filteret.
  9. Kombinerer hvit faste stoffer på en grov 50 mm glass frit filter og, mens vakuum filtrering, vask det resulterende pulveret med diethyl ether tre ganger (~ 30 mL hver gang).
  10. Tørr hvit solid under vakuum. Denne prosedyren gir (58,9 mmol, 9.360 g, 77%) av methylammonium iodide (CH 3 NH 3 jeg) og (55,5 mmol, 6.229 g, 73%) av methylammonium bromide (CH 3 NH 3 Br).
  11. Butikken i mørket og i en desiccator ved romtemperatur for å minimere nedbrytning over tid.

2. Utarbeidelse av Methylammonium føre metallhalid (CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x) tynne filmer 6 , 20

  1. før condition av Schlenk rør
    1. Laste en 50 mL Schlenk tube (diameter 2,5 cm) med 0,1 g methylammonium metallhalid. For å forhindre kjemikalier stikker til veggene i reagensglasset, bruk en veiing papir sylinder overføre methylammonium metallhalid inn i røret.
      Merk: Den endelige forholdet I/(I+Br) i CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x bestemmes methylammonium metallhalid sammensetningen i reagensglasset. For eksempel for å oppnå 30% kan jeg innhold, Schlenk røret er lastet med 0,03 g CH 3 NH 3 jeg og 0,07 g CH 3 NH 3 Br. Actual innhentet komposisjoner variere med eksperimentelle oppsett, så kalibrering av syntese forhold til avkastning spesifikt mål komposisjoner er nødvendig. I den foreliggende sak, dette ble gjort ved å måle metallhalid innhold i syntetisert filmer via energi dispersiv X-ray spektroskopi (EDX).
    2. Bruker en Schlenk linje utstyrt med en roterende pumpe koble og evakuere røret. Justere trykket for 0.185 Torr. Deretter fordype reagensglasset i en silikon olje bad forvarmet til 120 ° C, med en magnetisk rørestang (600 rpm) 2 h (pre condition av Schlenk rør).
      Merk: Dette trinnet gir sublimering av methylammonium forløperen langs sidene av Schlenk rør. Det er viktig å sikre sublimering av methylammonium forløperen løpet av to timer før condition. Et tynt lag av methylammonium forløper vil minske langs sidene av Schlenk rør dekke nedre halvdel av røret. Hvis sublimering av methylammonium forløperen ikke er observert eller skjer for fort, sjekk hvis presset av Schlenk linjen og temperaturen på oljen badekaret er riktige, eller prøver å bruke fersk methylammonium metallhalid forløper.
    3. fjerne Schlenk rør fra olje bad og la methylammonium metallhalid under en overtrykk av flytende N 2 å unngå fuktighet inntak.
  2. Substratet
    1. Sonicate en substrat (glass eller FTO belagt glass, 14 x 16 mm 2) med vann (~ 3 mL) som inneholder vaskemiddel i 15 min i et reagensrør (diameter 1,5 cm og høyde 15 cm) på 35 KHz.
    2. Forkaste vaskemiddel/vannet av skylling med ultrapure vann (~ 10 mL) 5 ganger.
    3. Forkaster ultrapure vann, Legg aceton (~ 3 mL) og sonicate i 15 min på 35 KHz.
    4. Kaste aceton, legge isopropanol (~ 3 mL) og sonicate i 15 min på 35 KHz.
    5. Kaste isopropanol gjenopprette underlaget fra reagensglasset med pinsett og tørke den med en N 2 pistol for 15 s.
    6. Innskudd TiO 2 kompakt lag (100 nm) på FTO glass underlag av elektron strålen fordampning på et substrat temperatur på 350 ° C, og en avsetning på 0,5 Å / s bruker substrat rotasjon. 21
  3. tilberedning av bly metallhalid forløper
    1. For utarbeidelsen av MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), løses PbI 2 (0,8 mmol, 0.369 g) og PbBr 2 (0,2 mmol, 0.073 g) i 1 mL DMF å oppnå en siste konsentrasjon av 0,8 M av PbI 2 og 0,2 M PbBr 2. Sonicate for 5 min på 35 KHz til fullt oppløse forløperen.
      1. For utarbeidelse av ren jod eller brom filmer, oppløse PbI 2 (1 mmol, 0.461 g) eller PbBr 2 (0,8 mmol, 0.294 g) i 1 mL DMF, å oppnå en siste konsentrasjon av 1 M og 0,8 M, henholdsvis. Sonicate for 5 min på 35 KHz til fullt oppløse forløperen.
      2. For utarbeidelse av klor-dopet methylammonium bly iodide perovskite filmer, oppløse PbI 2 (0.369 g) og PbCl 2 (0.056 g) i 1 mL DMF, å oppnå en siste konsentrasjon av 0,8 M av PbI 2 og 0,2 M PbCl 2. Sonicate for 5 min på 35 KHz til fullt oppløse forløperen.
    2. Filtrere forløper løsningen med filtere 0,2 μm polytetrafluorethylene (PTFE).
  4. Føre metallhalid deponering
    1. Forvarm forløper løsningen på en stekeplate satt til 110 ° C i 5 min.
    2. Med brønnene, slippe 80 μL forvarmet bly metallhalid forløper løsningen på ikke-roterende underlaget (glass eller TiO 2 avsatt på FTO belagt glass; 14 x 16 mm 2 størrelse). Spinn på 500 rpm for 5 s med en akselerasjon hastighet på 500 rpm s -1, og 1500 rpm for 3 min med en acceleratipå rate av 1500 rpm s -1.
    3. i en fumehood, tørr forløper filmen i 15 min på 110 ° C på en varm plate under rennende N 2.
      Merk: En crystalizing rett brukes som plasseres over underlaget tillater forløperen til tørk i en N 2 atmosfære. Hvis du vil endre tykkelsen på den resulterende perovskite filmen, kan hastigheten på det andre spin belegg trinnet varieres fra 1200 til 12 000 rpm å oppnå filmen tykkelse i området 500-100 nm. Utvannet forløper løsningen kan brukes for å ytterligere redusere filmen tykkelsen,.
  5. Damp-assistert annealing
    1. Load utvalg i Schlenk røret (forberedt i henhold til instruksjonene i delen 2.1.2). Justere trykket for 0.185 Torr.
      Merk: Utvalget sitter i reagensglasset over methylammonium metallhalid uten å være i direkte kontakt med den. For å avta innlemmelse av methylammonium, bly metallhalid overflaten er orientert mot ansiktet fra methylammonium metallhalid.
    2. Immerse Schlenk røret lastet med eksemplet i silikon olje bad oppvarmet til 120 ° C i 2 h.
    3. Ta prøven og skyll raskt den av dyppe den i et beaker med isopropyl alkohol. Umiddelbart tørke skylles prøven med en N 2 pistol.
      Merk: For å forberede ren CH 3 NH 3 PbI 3 bruk PbI 2 metallhalid forløper og ren methylammonium iodide i damp-assistert annealing trinn. For å forberede CH 3 NH 3 PbBr 3 bruk PbBr 2 metallhalid forløper og ren methylammonium bromide i damp-assistert annealing trinn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Proton kjernefysiske magnetisk resonans (NRM) spectra ble tatt etter methylammonium metallhalid syntese kontrollere molekyl renhet (figur 1). Skanning elektronmikroskop (SEM) bildene ble anskaffet før og etter damp annealing (figur 2) å karakterisere morfologi og ensartethet innen både blandet bly metallhalid forløperen og CH3NH3PbI3-xBrx filmer. X-ray Diffraksjon (XRD) mønstre var samlet for å bekrefte fase renhet og konvertering av kundeemne metallhalid CH3NH3PbI3-xBrx (Figur 3).

Figure 1
Figur 1: kjernefysiske magnetisk resonans spectra. (et) 1H-NMR av CH3NH3Br i DMSO-d6. Topper på ses 7.65 (br s, 3H) og 2,35 (s, 3H) ppm bekrefter identiteten til molekylet. 22 (b) 1H-NMR CH3NH3I DMSO-d6. Topper på ses 7.45 (br s, 3H) og 2.37 (s, 3H) ppm bekrefter identiteten til molekylet. 23 toppene på 2,50 og 3,33 ppm er gjenværende DMSO og vann. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Methylammonium bromide og methylammonium iodide kan være lett preget av 1H-NMR (figur 1). Kjemisk skifte av methyl gruppe er singlet skarpe sentrert på ses 2.35 ppm (3H) for lm3NH3Br, og ses 2.37 ppm (3 H) for lm3NH3jeg. Ammoniumsulfat skiftet er singlet bred sentrert på ses 7,65 ppm (3H) og ses 7.45 ppm (3H) for lm3NH3Br og CH3NH3jeg henholdsvis. Forskjellen i kjemisk forskyvning av de to methylammonium halides skyldes ulike metallhalid electronegativities, som påvirker (de) skjerming av protoner i molekyler. Disse kjemiske Skift er i samsvar med tidligere rapportert spectra22,23.

Figure 2
Figur 2: Konvertering av kundeemne metallhalid forløperen til CH3NH3PbI3-xBrx. SEM bilder av blandet bly metallhalid forløperen(og b) . Representant SEM bilder av CH3NH3PbI3-xBrx filmer herdet i 100% (c, d), 50% (e, f) og 30% (g, h) methylammonium iodide. Fasetterte filmene er pinhole gratis, og Vis korn størrelser opptil 700 nm. Skala bar = 5 µm (a, c, e, g), og 1 µm (b, d, f, h). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tallene 2a og 2b viser homogen morfologi av bly metallhalid forløperen som senere konverteres til CH3NH3PbI3-xBrx i blandinger methylammonium iodide og bromide (c-h). De resulterende perovskite filmene er kontinuerlig, pinhole-fri med korningsstørrelser opptil 700 nm. Standard tykkelsen av perovskite filmen er om lag 400 nm, som oppnås ved spin belegg 1 M føre metallhalid forløper løsning med en hastighet på 1500 rpm. Tykkelsen kan endres ved å variere rotasjonshastighet, med høyere hastigheter gir tynnere filmer og vice versa. Interessant, konvertering fra ledelsen metallhalid forløper laget til den resulterende bly metallhalid perovskite resulterer i en omtrentlig todelt volum utvidelse.

Temperaturen på 120 ° C for damp fasen anneal er valgt slik at methylammonium metallhalid sublimerer, diffunderer bly metallhalid filmen og likevekt mellom methylammonium metallhalid damp og solid CH3NH3PbI3-xBr x er for den perovskite-fasen. I en tidligere studie viste vi at avspenning ved 100 ° C resulterte i stor grad ufullstendig konvertering til perovskite fase, og at enheten ytelse var best når syntese ble utført ved 120 ° C i stedet for 150 ° C. 20 fase karakterisering av forløperen og CH3NH3PbI3-xBrx filmer på FTO glass underlag av XRD vises i figur 3a. Bly metallhalid forløperen (0,8 M PbI2 og 0,2 M PbBr2) viser PbI2 fase med den største høydepunkt på ca 12,7 °. CH3NH3PbI3-xBrx filmer er fase ren og inneholder gjenværende PbI2 fase. CH3NH3PbI3-xBrx XRD topper utstillingen en systematisk skifte til høyere vinkler på grunn av gradvis utskifting av større jeg atomer av mindre Br atomer fører til en reduksjon i gitteret konstant fra ~6.29 Å (x = 0) til ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Figur 3: Fase analyse og hele sammensetningen spektrum CH3NH3PbI3-xBrx filmer. (en) XRD mønstre av bly metallhalid forløper viser PbI2 fase og CH3NH3PbI3-xBrx filmer med minkende jod innhold. Forstørret mønsteret viser tydelig skifte av (110) topp-posisjon mot større Diffraksjon vinkler på Br innlemmelse. (b) bilde av CH3NH3PbI3-xBrx filmer med gradvis innlemmelse av Br (venstre til høyre: ren CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% og ren CH 3 NH3PbBr3). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Bildet av CH3NH3PbI3-xBrx filmer (figur 3b) illustrerer gradvis inkorporering av Br, som resulterer i et band gap økning fra 1.6 eV 2.3 eV, og dermed endringen i synlig utseendet (venstre, ren CH3NH3PbI3 rett, rent CH3NH3PbBr3). Den gradvise økningen av bandgap har blitt vist av photoluminescencemålinger, som var tidligere rapportert CH3NH3PbI3-xBrx filmer med høy Optoelektronisk kvalitet over hele sammensetningen plass. 6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

For å dikte høyeffektive organo-bly planar perovskite heterojunctions, er homogenitet av det aktive laget viktig. Med hensyn til eksisterende løsning2,16,17 og vakuum-baserte18,19 metoder er prosessen bemerkelsesverdig mottakelig for sammensetningen tunability av det aktive laget som kan syntetisert over hele CH3NH3PbI3-xBrx komposisjon plass med høy Optoelektronisk kvalitet og reproduserbarhet. 6 , 20 i tillegg denne prosessen tillater bruk av redusert trykk og lav relativt temperatur i en fumehood uten å bruke en hanskerommet eller høy vakuum deponering.

Mens LP-VASP er svært reproduserbar og ingen endring i protokollen bør være nødvendig, bemerkes det at den faktiske Br/(Br+I) sammensetningen i filmen kan være litt lavere enn den første sammensetningen av Schlenk røret. For å løse dette problemet, er det viktig å måle metallhalid innhold via EDX i den endelige filmen også som bekreftet perovskite strukturen via XRD, for å utføre en kalibrering av syntetiske gir spesifikt mål komposisjoner med hensyn til den benyttet eksperimentelle oppsett.

I tillegg finnes det noen nyttige anbefalinger som kan sikre riktig påliteligheten til vår prosess. Kvaliteten på Start materialene er spesielt viktig. Lagring av både organisk (CH3NH3X) og uorganisk (PbX2) forløpere i en desiccator under nitrogen atmosfære og kontrollert fuktighet er medvirkende til å sikre reproduserbarhet i syntesen. I tillegg organisk forløpere må være veldig rent og alle spor starter materiale bør fjernes med nøye vaskemaskin.

Vi har vist syntese av methylammonium metallhalid og påfølgende transformasjonen av bly metallhalid forløpere til CH3NH3PbI3-xBrx i blandinger, som resulterer i glatt, pinhole gratis filmer som vise god Optoelektronisk kvalitet. Forhold til forrige metoder,2,16,17,18,19 denne syntetiske protokollen er allsidig og mottakelig for tilpasses i forskjellige laboratorier fordi Det er lett gjennomført i en fumehood. I tillegg gir LP-VASP lettvinte tilgjengelighet av ulike organo-bly metallhalid perovskite sammensetning og tuning av bandet gapet.

Metoden presentert filmen fabrikasjon gir overlegen morfologi kontroll sammenlignet med ren løsning belegg metoder, gir svært effektiv plan perovskite heterojunction solceller. På grunn av lav prosessering temperaturen og bruke standardutstyr tilgjengelig i de fleste laboratorier (dvs. fumehoods og Schlenk linjer) er denne metoden spesielt egnet til å dikte enkelt samt multijunction solceller, lys emitting dioder og lasere. Vi utvikler for tiden en prosess som lar innskudd store (> 2 cm2) området kontinuerlig perovskite tynne filmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Perovskite Prosessutvikling, tynnfilm syntese, strukturelle og morfologiske karakterisering ble utført på Joint Center for kunstig fotosyntese, en DOE energi innovasjon Hub, støttet gjennom Office of Science av US Department of Energi under prisen nummer DE-SC0004993. C.M.S.-F. erkjenner økonomisk støtte fra den sveitsiske 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

Kjemi problemet 127 føre metallhalid Perovskite lavt trykk damp-assistert løsningsprosessen tynn Film solcelle Methylammonium metallhalid syntese Tunable Band Gap
Lavtrykk damp-assistert løsningsprosessen for Tunable Band Gap Pinhole-fri Methylammonium bly metallhalid Perovskite 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