Çözüm işlenen "Gümüş-bizmut-iyot" Üçlü ince filmler için kurşunsuz fotovoltaik emiciler

Çözüm işlenen inorganik ince-film güneş pilleri güneş ışığı doğrudan elektrik^1,2,3,4,5dönüştürmek isteyen pek çok araştırmacı tarafından yaygın olarak incelenmiştir. Malzeme sentezi ve aygıt mimari gelişimi ile kurşun perovskites halide tabanlı en iyi güneş pili emiciler ile bir güç dönüşüm verimliliği (PCE) %22⁵' ten büyük olması için rapor edilmiştir. Ancak, zehirli kurşun kullanımı yanı sıra istikrar sorunları, kurşun-halide perovskite kendisi hakkında endişeler artmaktadır.

Son zamanlarda bizmut tabanlı melez perovskites bizmut iyodür karmaşık bir bölüm monovalent katyon ve bunlar mezoskopik güneş pili mimarileri^{6fotovoltaik emiciler olarak kullanılabilir dahil ederek oluşturulması mümkündür bildirilmiştir, 7,8}. Perovskites kurşun 6s olan bizmut ile değiştirilebilir² dış yalnız çift; Ancak, şimdiye kadar sadece geleneksel kurşun halide metodolojileri farklı oksidasyon Birleşik ve kimyasal özellikleri⁹ellerinde olmasına rağmen karmaşık kristal yapıları ile bizmut tabanlı melez perovskites için kullanılmaktadır. Buna ek olarak, bu perovskites kötü yüzey türleri morfoloji var ve ince film aygıt uygulamaları bağlamında nispeten kalın filmler üretmek; Bu nedenle, onlar yüksek bant-gap enerji (> 2 eV)^6,7,8ile zayıf bir fotovoltaik performansına sahip. Böylece, biz çevre dostu, hava-kararlı, bizmut tabanlı ince film Yarıiletkenler, üretmek için yeni bir yöntem bulmak ve düşük bant-gap enerji (< 2 eV), malzeme tasarımına ve metodoloji dikkate alınarak istedi.

Biz-ebilmek var olmak çözüm işlenen Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler, mevcut kristalize AgBi₂' ye ben₇ ve Ag₂bıı₅, kurşun içermeyen ve hava-kararlı yarı iletkenler^10,11. Bu çalışma için AgBi₂ben₇ kompozisyon, n-butylamine bir çözücü gümüş iyodür (AGI) ve bizmut iyodür (bıı₃) öncüleri aynı anda çözmek için kullanılır. Spin-döküm ve tavlanmış 30 dk içinde bir N₂için 150 ° C'de karışımı-torpido; dolu daha sonra film oda sıcaklığında su. Sonuç ince filmler kahverengi-siyah renkte. Buna ek olarak, yüzey morfolojisi ve kristal kompozisyon Ag-Bi-ben Üçlü sistemleri tavlama sıcaklıkları ve öncü oranı AgI/bıı₃tarafından kontrol edilir. Elde edilen AgBi₂ben₇ ince filmler sergi bir küp aşama kristal yapı, yoğun ve pürüzsüz yüzey türleri morfoloji 200-800 Nm boyutunda büyük tahıl ve bir optik bant boşluğu 1.87 bir dalga boyu 740 ışıktan emmek başlangıç ev nm . Son zamanlarda kristal besteleri ve aygıt mimarisi optimize ederek, Ag-Bi-ben Üçlü ince-film güneş pilleri % 4.3 PCE elde edebilirsiniz bildirilmiştir.

1. hazırlanması çıplak-cam, flor katkılı kalay oksit (SnO₂: F) yüzeyler

1. Çıplak-cam, kalay oksit (FTO) Flor katkılı yüzeylerde temizlemek için bunları sırayla sulu bir çözüm %2 Triton, deiyonize (DI) su, aseton ve izopropil alkol (IPA), her 15dk için içeren solüsyon içeren temizleyicide.
2. Artık IPA kaldırmak 1 h için 70 ° C'de Isıtma fırında temizlenmiş yüzeylerde koymak.

2. elektronlar engellemek için hazırlanması kompakt TiO₂ katmanları (c-TiO₂)

1. C-TiO₂ öncü çözüm kursları, 0,74 mL titanyum isopropoxide (TTIP) şiddetle karıştırma süre susuz etanol (alkol) yavaş yavaş 8 mL bırakın ve sonra hızla hidroklorik asit (HCl) 0,06 mL çözüm içine enjekte. Elde edilen çözüm gecede oda sıcaklığında karıştırın.
   Not: 20 mL Cam şişe, 35-%37 konsantrasyon HCL ve bir manyetik karıştırıcı kullanın.
2. Hazırlanan c-TiO₂ öncü çözüm bir şırınga ve 0.2 µm gözenek boyutu filtre kullanarak filtre, bırak onu temizlenmiş FTO substrat üzerine ve sonra spin-döküm belgili tanımlık substrate 3000 devirde 30 s.
3. Termal tavlama-yüzeyler için 1 h 500 ° c fırında Isıtma tarafından ve onları oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
4. Bir 0,12 M titanyum tetraklorit (TiCl₄) sulu çözüm için 30 dk 70 ° C'de yüzeylerde emmek ve sonra iyice herhangi bir kalıntı TiCl₄kaldırmak için DI su kullanarak yıkayın.
5. Termal tavlama-500 ° c için 1 h yüzeylerde ve onları c-TiO₂ katman interfacial bir iyileşme için oda sıcaklığında soğumasını bekleyin. Elde edilen c-TiO₂mağaza-Boyalı yüzeylerde N₂-koşullar kadar kullanmak dolu.

3. elektron çıkarma artırmak için hazırlanması Mesoporous TiO₂ katmanları (m-TiO₂)

1. M-TiO₂ habercisi çözümünü hazırlanması eklemek için 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül 1 g 10 mL Cam şişe ile 3.5 g 2-propanol ve terpineol 1 g için (SC-HT040) yapıştırın ve sonra her şeyi hamur mükemmel çözünmüş kadar karıştırın.
   Not: 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül hamur çok viskoz ve dikkatli bir spatula kullanarak ele alınması gerekir.
2. Spin-döküm 200 µL hazırlanan 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül Yapıştır çözüm 5000 devirde 30 c-TiO₂üzerine s-kaplı FTO yüzeylerde.
3. Termal olarak-elde edilen yüzeyler için 1 h 500 ° c fırında tavlama ve onları oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
4. 0.12 M TiCl₄ sulu çözüm için 30 dk 70 ° C'de yüzeylerde emmek ve sonra tamamen herhangi bir kalıntı TiCl₄kaldırmak için DI su kullanarak yıkayın.
5. Termal tavlama-500 ° c için 1 h yüzeylerde ve onları oda sıcaklığında m-TiO₂ katman interfacial bir iyileşme için soğumasını bekleyin. Mağaza elde edilen c-TiO₂- ve m-TiO₂-Boyalı yüzeylerde N₂-kullanana kadar koşullar dolu.

4. imalat AgBi₂ben₇ ince filmler

1. 45 mA/cm² UV ozon ile bir yoğunluk ile bir ultraviyole (UV) lambası altında çıplak cam yüzeylerde, temiz yüzeyler temiz ve hidrofilik olduğundan emin olmak 10 dakikadır tedavi. C ve m TiO₂muamele yapmak-temizleyici FTO yüzeylerde UV ozon tabakası ile kaplı.
   Not: x-ışını kırınım (XRD), absorbans ve Fourier dönüşümü kızılötesi (FT-IR) spectra Ag-Bi-ben ince filmleri çıplak cam yüzeyler üzerinde fabrikasyon kullanarak araştırıldı. C ve m TiO₂-kaplamalı FTO yüzeylerde güneş pili cihazlar için kullanılmıştır.
2. Şiddetle girdap bıı₃ (0.5087 mmol), AgI 0,06 g 0.3 g (0.2544 mmol), ve 3 mL n-butylamine kadar her şeyi tamamen çözülür ve sonra şırınga-filtre karışımı kullanarak bir 0.2 µm gözenek boyutu politetrafloroetilin (PTFE) filtre.
3. 200 µL öncü çözüm yüzeyler üzerine ve sonra spin-döküm onları 6000 devirde 30 damla kontrollü bir nem oranı % 20'in altında bir iyimsersin. Hemen sonuç sarımsı-red filmi bir N₂' ye naklet-torpido termal tavlama için hazır dolu.
4. Oda sıcaklığında ortaya çıkan filmin termal tavlama başlar sonra filmin 150 ° c ısı ve 30 dk hızlı bir şekilde gidermek için oda sıcaklığında tavlanmış film 150 ° c sıcaklık sürdürmek. Son filmi bir parlak ve kahverengi-siyah renk olacak. Hızlı bir şekilde tavlanmış substrat gidermek için 150 ° C'ye ayarlanmış sıcak plaka çıkarmak
5. Ag-Bi-ben Üçlü ince filmlerin Ag₂bıı₅, gibi farklı bir kompozisyon için AgI habercisi molar oranı 1:2 2:1 bıı₃ ' e değiştirmek ve n-butylamine solvent aynı hacmi kullanın. Yukarıda açıklanan yöntemi kullanarak elde edilen film tavlamak.
6. XRD desenler, FT-IR spektrumları, yüzey türleri Morfoloji ve absorbans spectra kullanarak sıcaklık bağımlı Ag-Bi-ben oluşumu araştırmaya, 90, 110 ve 150 ° C termal tavlama sıcaklıkları Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler için kullanın.

5. güneş pili imalatı geliştirdi AgBi₂kullanarak ben₇ ince filmler

1. Bir delik taşıma malzeme AgBi₂olarak Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) kullanın ben₇ ince-film güneş pilleri. P3HT 10 mg chlorobenzene için 1 mL ekleyin ve P3HT mükemmel eriyene kadar o zaman 30 dk 50 ° C'de karışımı heyecan. 0.2 µm gözenek boyutu PTFE filtre kullanarak filtre uygulama. Hazırlamak ve P3HT N₂' saklamak-torpido dolu.
2. 100 damla P3HT µL çözünmüş AgBi₂üzerine chlorobenzene olarak ben c ve m TiO₂üzerinde fabrikasyon₇ ince filmler-FTO yüzeylerde ve sonra spin-döküm için 30 4000 devirde yüzeylerde boyalı s N₂-torpido dolu. Termal tavlama-130 ° c P3HT yapısal yönünü 10 dakikadır için P3HT film.
3. 0,5 ifade oranı ile termal bir buharlaştırıcı kullanın Å / s ve bir bar pattern bir üst metal temas gibi AgBi₂' ben₇ ince-film güneş pilleri 100 nm-kalın altın (Au) elektrotlar yatırmak için gölge maskesi.

Bu umut verici yarı iletkenler kabul edilmektedir, Ag-Bi-ben Üçlü sistemleri, olduğunu bildirilmiştir kristalize AgBi2gibi çeşitli kompozisyonlarda ben7, AgBiI4ve Ag2bıı510, göre AgI molar oranı bıı3. Daha önceki çalışmalar toplu kristal formları Ag-Bi-ben Üçlü sistemlerinin çeşitli besteleri ile deneysel olarak AgI ve bıı3 molar oranını değiştirerek sentezlenmiş ki ve her kompozisyon farklı XRD desen10olduğunu göstermiştir.

Toplu kristalleri farklı olarak, direkt olarak bir etkin katman opto-elektronik cihazlarda kullanılan çözüm işlenen Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler, geliştirmek istedi. Bu çalışmada, n-butylamine AgI ve bıı3 aynı anda halletmek için bir çözücü kullanılmış ve her Ag-Bi-ben ince film AgI farklı bir molar oranı bıı3 (1:2, 1:1 ve 2:1) ile hazırlanmış. İlk olarak, bizim XRD ölçümler her film (Şekil 1) yürüttü. 1:2 (AgI:BiI3) bir molar oranı ile hazırlanan Ag-Bi-ben ince film XRD desenleri 2θ tek bir tepe gösterdi ~ 42 °; Bu o AgBi2gösterir ben7 olan bir küp yapısı ile kristal bir kompozisyon (alan grup Fd3m, bir b = c = 12.223 = Å). Ancak, en yüksek bölme 2θ bölgede belirgin oldu ~ 42 AgI:BiI3 molar oranı 1:1 aşıldı ve molar oranı 2:1 ile film gösterdi o Ag2bıı5 ° altıgen bir yapısı vardır (alan grup R3m, bir b = 4.350 = Å c 20.820 Å =)10,12.

Ayrıca AgBi2UV-VIS emilimini şiddetindeydi ben7 ve Ag2bıı5 ince cam yüzeylerde (Şekil 2a) hazırlanan filmler. Bir kez soğurma spektrumları normalleştirilmiş AgBi2ben7 ince film absorbe ~ 740 kadar daha uzun dalga boylarında nm, Ag2bıı5 ince film daha. Şekil 2 her film tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri üst görüntüleme görüntüler. Yüzey morfolojisi AgBi2ben7 ince film görülebilir açıkça, büyük tahıl ve koyu kahverengi renk (Şekil 2b). Ancak, Ag2bıı5 ince film hafif parçacıklar aşırı AgI13,14,15,16ve açık kahverengi renk ( sonucu tahıl gösterir Şekil 2 c). Biz, bu nedenle, AgBi2kullanmayı seçtim ben7 kompozisyon olarak Ag2bıı5 kompozisyon daha uygun ince film tabanlı Optoelektronik ışık emilimi ve yüzey türleri morfoloji açısından için daha fazla çalışma için .

Şekil 3a gösteriyor ki çözüm işlenen AgBi2deneysel XRD desen ben7 ince film bildirilen ve hesaplanan XRD şekillerinin AgBi2ile tutarlıdır ben7 kristalleri olmadan ikincil oluşumu aşama. Daha önce de belirtildiği gibi biz doğruladı AgBi2ben7 ince film olan bir küp yapısı (alan grup Fd3m, bir b = c = 12.223 = Å). Ayrıca, AgBi2ben7 filmidir yüksek oranda nem ve hava-kararlı - 10 d için; havada saklandığında yapısal değişiklik ile AgI bir sulu Orta (Şekil 3b)13' te,14,15,16son derece kararlı olduğu anlaşılabilir.

Şekil 4a N2tavlama sıcaklığı bir fonksiyonu olarak XRD desen Ag-Bi-ben ince filmlerin bir dizi gösterir-koşullar dolu. Biz Ag-Bi-ben 90 ° C üzerinde küp Aşama formunda kristalize (111) tarafından gösterildiği gibi başlar doğruladı (400) ve (440) doruklarına 13°, 29° ve 42°, sırasıyla (yani, bu yıldız Şekil 4aiçinde karşılık gelen). XRD pik sıcaklığı artmış ve sonunda üçüncü aşama diffractions dereceli artışı ile 150 ° C'de kayboldu olarak azaltılacağını küçük açı bölgelerde (2θ < 10 °); Bu gösterir AgBi2ben7 film tam olarak üçüncü aşama17' kristalize. FTIR spectra Ag-Bi-ben sistemleri ayrıntılı (Şekil 4b) oluşumu araştırmak için ölçüldü. Olarak hazırlanan ve sigara komplementer film gösterdi (3200-3600 cm-1) N-H germe, C-H (2850-2980 cm-1) germe ve N-H (1450-1650 cm-1) bükme FTIR sinyalleri hangi18n-butylamine sonuçlandı. Olarak hazırlanan filmin n-butylamine (77-79 ° C), kaynama noktası yukarıda 90 ° C'de komplementer rağmen önemli ölçüde azalma, ancak FTIR spectra hala ilişkili doruklarına gösterdi. Bu kalan n-butylamine zayıf bıı3 ve kenar, köşe veya yüz paylaşımı19tarafından Ag-Bi-ben yapı taşları oluşumu baskılayarak AgI bir metal halide-amine kompleks şeklinde bağlı gösterir. Bu FTIR sinyaller daha da artan sıcaklık kayboldu; Bu açıkladı n-bağlı bıı3 ve AGI kompleksleri ve hangi yakından ilgilidir AgBi2kristalleşme butylamine kaldırma tarafından ben7. Aynı zamanda yüzey türleri morfoloji filmlerin her sıcaklıkta Şekil 4 ciçinde gösterildiği gibi tavlanmış Ag-Bi-ben inceledi. 110 ° C sıcaklık arttıkça, Ag-Bi-ben filmleri yavaş yavaş küçük taneleri ile üçüncü aşamasında kristalize ve tamamen büyük tahıl boyutu 200-800 nm (yani, da dahil olmak üzere yoğun ve düzgün yüzey türleri morfoloji ile kristalize başlar 4.08 x 108 #/cm2birim alan başına kristalizasyon numaraydı) 150 ° C'de

Filmlerin optik özellikleri değişiklikleri tavlama sıcaklığı bir fonksiyonu olarak öğrenmek için UV-VIS spektroskopi kullanarak Ag-Bi-ben ince optik emme şiddetindeydi. Şekil 5a emme önce ve sonra film termal tavlama hatırı sayılır bir fark gösterir. Olarak hazırlanan film sarımtırak bir renk gösterdi ve bir emme spektrum 474 nm20net ve keskin exciton zirve ile sergiledi. Soğurma spektrumları filmlerin tavlama sıcaklığı artmış ve son olarak, biz yeterince görünür ışık (350-740 nm) aralığında emici bir emme spektrum elde gibi dramatik kırmızı kaymıştır. AgBi2optik grup boşluk (Eg) ben7 ince film 150 ° C'de komplementer denklem αhv kullanarak Tauc Arsa elde edilen ~ (hv-Eg)1/2 α nerede, emilim ve hv foton enerji var. Burada, Eg 1.87 eV (Şekil 5b) olarak hesaplanmıştır. Biz de o ile UV photoelectron spektroskopisi (UPS) kullanılır ben (21.22 eV) foton hatları Fermi enerji (Ef) ve sonuç AgBi2değerlik grup enerji (Ev) düzeyini araştırmak için bir deşarj lamba ben 7 film (Şekil 5 c). Bu UPS ölçüm için film üzerinde altın bir substrat hazırlanmıştır. Ef kesme enerji (Ekesme) Şekil 5 c içinde gösterildiği gibi kullanarak tespit edildi ve 5,05 denklemi kullanarak eV olmak hesaplanmıştır: Ef 21.22 eV = (o ben)-Ekesme . Düşük bağlama enerji bölgesine Doğrusal ekstrapolasyon Ev−Ef verir ve bu nedenle, Ev 6.2 eV olduğuna karar. İletim bant enerji (Ec) AgBi2şematik enerji seviyesi diyagram çizmek mümkün kılan Tauc Arsa elde optik grup gap7 film, Şekil 5 d gösterildiği gibi kullanarak değerlendirildi .

Şekil 1: Ag-Bi-ben Üçlü ince filmlerin çözüm işlenen farklı kristal besteleri. Bu panel XRD desenleri AgI oranları bıı3 farklı molar ısı 150'den tavlama sonra kullanarak fabrikasyon Ag-Bi-ben ince filmleri gösterir ° c (1) 1:2, (2) ve (3) 1:1 2:1. Başvuru XRD desenleri AgBi2ben7 ve Ag2bıı5 elde edilen PDF kart No 00-034-1372 ve PDF kartından No 00-035-1025 anılan sıraya göre. Kesik çizgili kutusu farklı crystallizations Ag-Bi-ben Üçlü ince filmleri tanımlamak için kullanılan ana XRD desen gösterir. Bu rakam işten Kim vd tarafından değiştirildi. 1. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Resim 2: Karşılaştırma çözüm işlenen AgBi2ben7 ve Ag2bıı5 ince filmler. (bir) Bu panel gösterir normalleştirilmiş UV-VIS soğurma spektrumları AgBi2ben7 ve Ag2bıı5 ince filmler. Diğer iki panel (b) AgBi2üst görünüm SEM görüntüleri vardır ben7 ve (c) Ag2bıı5 ince filmler, cam yüzeylerde öncüleri AgI bıı3farklı molar oranları ile hazırlanmış. Panelleri b ve c insets her ince film fotoğraf görüntülerini göster. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 3: Kristal yapısı ve hava istikrar çözüm işlenen AgBi2ben7 ince filmler. (bir) Bu panel gösterir deneysel XRD en yüksek veri bir AgBi2ben7 ince film. Başvuru ve hesaplanan XRD veri AgBi2için ben7 elde edilir PDF kart No 00-034-1372 ve bilgisayar programı VESTA, anılan sıraya göre. (b) Bu panel AgBi2hava kararlılığını bir soruşturmanın sonuçlarını gösterir ben7 ince filmler XRD ölçüm kullanarak. AgBi XRD2ben7 önce ve sonra örnek 10 d hava tutulduğu ölçülen. Bu rakam işten Kim vd tarafından değiştirildi. 1. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 4: Ag-Bi-ben Üçlü ince filmlerin farklı bir termal tavlama sıcaklığı ile yapısal değişim. Bu paneller (bir) XRD spectra, (b) FTIR spectra ve (c) top-SEM görüntüleri çözüm işlenen Ag-Bi-ben ince filmlerin termal tavlama sıcaklığı bir fonksiyonu olarak göster. Panel bir içinde belgili tanımlık yıldız ana kristalize XRD doruklarına AgBi2/ ben7gösterir. Bu rakam işten Kim vd tarafından değiştirildi. 1. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 5: Optik bandgap ve enerji bant diyagramları AgBi2ben7 ince filmler. Üst iki panel (bir) UV-VIS spectra göstermek ve Ag-Bi-ben Üçlü ince filmlerin farklı bir tavlama sıcaklığı ile (b) Tauc araziler. (c) Bu panel gösterir UPS veri bir AgBi2bir yüksek bağlama-enerji bölgede ben7 ince film 150 ° C'de tavlanmış (d) Bu bir enerji band diyagram bir AgBi2temsilidir ben7 ince film hesaplanan Tauc arsa ve UPS kullanarak. Bu rakam işten Kim vd tarafından değiştirildi. 1. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Yazarlar ifşa gerek yok.