Yöntem makalesi

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

DOI:

10.3791/58286

⸱

27 Eylül 2018

 ,  , 
1Convergence Research Center for Solar Energy, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), 2Department of Chemistry and Research Institute for Convergence of Basic Sciences, Hanyang University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, biz mevcut detaylı iletişim kuralları için çözüm işlenen gümüş-bizmut-iyot (Ag-Bi-ı) Üçlü Yarıiletken ince filmler TiO2üzerinde fabrikasyon-kaplı şeffaf elektrotlar ve onların hava-kararlı olarak potansiyel uygulama ve kurşun içermez Opto-elektronik cihazlar.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bizmut tabanlı melez perovskites umut verici fotoğraf-aktif yarı iletkenler, çevre dostu ve hava-kararlı güneş pili uygulamaları için olarak kabul edilmektedir. Ancak, yoksul yüzey türleri Morfoloji ve nispeten yüksek bandgap enerjileri potansiyellerini sınırlı olabilir. Gümüş-bizmut-iyot (Ag-Bi-ı) opto-elektronik cihazlar için umut verici bir yarı iletken olduğunu. Bu nedenle, biz Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler malzeme çözüm işleme kullanarak imalatı göstermek. Elde edilen ince filmlerin kontrollü yüzey türleri Morfoloji ve optik bandgaps göre tavlama sıcaklıkları onların termal sergi. Buna ek olarak, bu üç terimli sistemleri Ag-Bi-ben kristalize ki AgBi2' ye ben7, bildirilmiştir Ag2bıı5, vb öncül kimyasalların oranını göre. Çözüm işlenen AgBi2ben7 ince filmler sergi bir kübik fazlı kristal yapısı, yoğun, iğne deliği içermeyen yüzey türleri morfoloji büyüklükleri 200 800 arasında değişen tahıllar ile nm ve 1.87 ev dolaylı bir bandgap. Ben7 ince filmler göstermek iyi istikrar ve enerji band diyagramları hava, hem de su yüzüne çıkan AgBi2türleri Morfoloji ve optik bandgaps kurşun içermeyen ve hava-kararlı tek Kavşağı güneş hücreleri için uygun. Son zamanlarda, bir güneş pili % 4.3 güç dönüşüm verimliliği ile Ag-Bi-ben kristal besteleri ve güneş pili cihaz mimarileri optimize ederek elde edildi.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çözüm işlenen inorganik ince-film güneş pilleri güneş ışığı doğrudan elektrik1,2,3,4,5dönüştürmek 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 mimarileri6fotovoltaik 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 iletkenler10,11. 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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 fark...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz ince-film güneş pilleri mezoskopik aygıt mimarileri ile kurşunsuz fotovoltaik emiciler olarak yararlanılması gereken olan Ag-Bi-ben Üçlü yarı iletkenler, çözüm imalatı için detaylı bir protokol sağladı. c-TiO2 katmanları FTO yüzeylerde FTO elektrotlar akan elektron kaçağı önlemek için kuruldu. m-TiO2 katmanları ardışık olarak c-TiO2tarihinde kuruldu-kaplı FTO yüzeylerde fotovoltaik emiciler (yani, Ag-Bi-ben ince filmler) oluşturulan elektron çekimi geliştirmek için. C-TiO

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser Daegu Gyeongbuk Enstitüsü bilim ve teknoloji (DGIST) araştırma ve geliştirme (Ar- Ge) programları Bilim Bakanlığı, ICT ve Kore gelecek planlama (18 / ET / 01) tarafından desteklenmiştir. Bu eser de Kore Enstitüsü enerji teknoloji değerlendirme ve Planning(KETEP) ve Ticaret Bakanlığı, sanayi ve Energy(MOTIE) Kore Cumhuriyeti (No. 20173010013200) tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Bizmut (III) iyodür, Puratronic, %99,999 (metal bazında)Afa Aesar7787-64-6N2 dolgulu durumda saklanır
Gümüş iyodür, Premion, %99,999 (metal bazında)Afa Aesar7783-96-2N2 dolgulu durumda saklanır
Butilamin %99,5Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
İzopropil alkol (IPA)Dükkan67-63-0Elektrik Yüksek Saflıkta SINIF
Titanyum (IV) izopropoksitSigma-Aldrich546-68-9& ge; %97,0
Etil alkolSigma-Aldrich64-17-5200 kanıt, ACS reaktifi, vb; % 99,5
Hidroklorik asitSAMCHUN7647-01-0Ekstra saf
Titanyum tetraklorür (TiCl4)sharechem
50nm boyutlu TiO2 nanopartikül macunu sharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0susuz,% 99,5
TerpineolMerck8000-41-7
Isıtma fırınıWiseTherm
Oksijen (O2) plazmaAHTECH
X-ışını kırınımı (XRD)Rigaku RigakuMiniflex 600 difraktometre, NaI sintilasyon sayacı ile ve monokromatize Cu-K&alfa; radyasyon
(1.5406 Å dalga boyu) kullanır.
Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR)BrukerBruker Tensor 27
alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM)Hitachi HitachiSU8230
UV-Vis spektrumlarıPerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Spektrofotometre
Ultraviyole fotoelektron spektroskopisi (UPS)RBD InstrumentsPHI5500 Çoklu Teknik sistem

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Grätzel, M. The Light and Shade of Perovskite Solar Cells. Nature Materials. 13, 838-842 (2014).
  2. Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).
  3. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  4. Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature. 499, 316-319 (2013).
  5. Yang, W. S., et al. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
  6. Park, B. -W., et al. Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application. Advanced Materials. 27 (43), 6806(2015).
  7. Hoye, R. L. Z., et al. Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber. Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).
  8. Lyu, M., et al. Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites. Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).
  9. Mitzi, D. B. Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer. Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).
  10. Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases. Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).
  11. Kim, Y., et al. Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).
  12. Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. Etude du Systeme AgIBiI3. Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).
  13. Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films. Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).
  14. Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films. Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).
  15. Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).
  16. Tezel, F. M., Kariper, İA. Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films. Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).
  17. Chai, W. -X., Wu, L. -M., Li, J. -Q., Chen, L. A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities. Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).
  18. Konstantatos, G., et al. Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors. Nature. 442, 180-183 (2006).
  19. Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids. CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).
  20. Zhu, X. H., et al. Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2'-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates. Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).
  21. Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide. ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).
  22. Turkevych, I., et al. Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites. ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

zelti lemence Film G ne PilleriKur unsuz AbsorberlerAgBi2I7 FilmlerTermal TavlamaSpin KaplamaTitanyum Dioksit TabakalarHava Kararl lG D n m Verimlili i

İlgili makaleler