Процесс низкого давления паров при содействии решения перестраиваемый полоса разрыв обскуры бесплатная Methylammonium свинца галоидных перовскита фильмов

* These authors contributed equally
JoVE Journal
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Здесь мы представляем собой протокол для синтеза CH3NH3I и CH3NH3Br прекурсоров и последующее формирование обскуры бесплатно, непрерывной CH3NH3PbI3-xBrx тонких пленок для применение в высокой эффективности солнечных батарей и других оптоэлектронных устройств.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Органо ведущий галоидных перовскитов недавно привлек большой интерес для потенциальных приложений в тонкопленочных солнечных батарей и оптоэлектроники. Здесь мы представляем собой протокол для изготовления этого материала через метод процесса (LP-VASP) низкого давления паров при содействии раствор, который дает ~ 19% эффективности преобразования энергии в плоской гетеропереход перовскита солнечных батарей. Во-первых, мы приводим синтез methylammonium йодид (CH3NH3я) и methylammonium бромид (CH3NH3Br) от метиламина и соответствующего галоидных кислоты (HI или HBr). Затем мы опишем изготовление обскуры бесплатно, непрерывной methylammonium ведущий галоидных перовскита (CH3NH3АТС3 с X = I, Br, Cl и их смесь) фильмов с LP-VASP. Этот процесс основан на два этапа: i) спин покрытие однородный слой прекурсоров галогениды свинца на подложке, и ii) преобразование этого слоя CH3NH3PbI3-xBrx , подвергая субстрат испарениям смесью из CH 3 NH-3я и CH3NH3Br на пониженном давлении и 120 ° C. Через медленный диффузии паров галоидных methylammonium в свинец галоидных прекурсоров мы достигаем медленно и контролируемого роста непрерывного текста, где обскуры перовскита фильма. LP-VASP позволяет синтетических доступ к полной галоидных состав пространства в CH3NH3Br PbI3-xx 0 ≤ x ≤ 3. В зависимости от состава паровой фазы, bandgap может быть настроена между 1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 эВ. Кроме того изменяя состав галоидных прекурсоров и паровой фазы, мы можем также получить CH3NH3PbI3-xClx. Фильмы, полученные от LP-VASP воспроизводимость, этап чистой, как подтверждено измерений дифракции рентгеновских лучей и показать высокий фотолюминесценция квантовый выход. Этот процесс не требует использования бардачком.

Introduction

Гибридные органо неорганические свинца галоидных перовскитов (CH3NH3АТС3, X = I, Br, Cl) являются новый класс полупроводников, стала быстро в течение последних нескольких лет. Этот класс материала показывает отличные полупроводниковые свойства, такие как высокое поглощение коэффициент1, перестраиваемый bandgap2, длинные заряда перевозчик диффузии длина3, высокий дефект терпимости4и высокой фотолюминесценция квантовый выход5,6. Уникальное сочетание этих характеристик делает привести галоидных перовскитов очень привлекательным для приложения в оптоэлектронных устройствах, таких как одного соединения7,8 и многопереходных солнечных батарей9, 10, лазеры11,12и13светодиодов.

CH3NH3АТС3 фильмы могут быть изготовлены целый ряд синтетических методов14, которые направлены на повышение эффективности этого полупроводникового материала для энергии приложения15. Однако оптимизация фотоэлектрических устройств полагается на качество галоидных перовскита активного слоя, а также его интерфейсы с выборочной контакты заряда (электронов и отверстие транспортные слои), которые облегчают photocarrier коллекции в этих устройства. В частности непрерывного текста, где обскуры активные слои необходимы для сведения к минимуму Шунтирующие сопротивления, тем самым улучшая производительность устройства.

Среди наиболее распространенных методов для изготовления органо ведущий галоидных перовскита тонких пленок являются процессы на основе решения и вакуум. Процесс решения наиболее распространенных использует эквимолярных соотношениях галогениды свинца и methylammonium галоидных растворяют в диметилформамиде (DMF), диметилсульфоксид (ДМСО), или гамма-бутиролактон (GBL) или смеси этих растворителей. 2 , 16 , 17 Молярность прекурсоров и растворителей типа, а также отжига температура, время и атмосферы, должна контролироваться точно для получения непрерывной и обскуры бесплатные фильмы. 16 например, улучшить покрытие поверхности, растворитель Инжиниринг техника была продемонстрирована урожайности плотных и чрезвычайно единообразные фильмов. 17 в этой технике, не растворителя (толуол) является капала на перовскита слой во время спиннинг перовскита решения. 17 эти подходы, как правило, хорошо подходит для мезоскопических гетеропереходов, который используют мезопористых TiO2 электрона селективного контакта с увеличенная площадь контакта и уменьшена Длина транспортного перевозчика.

Однако, Вселенский гетеропереходов, которые используют выборочный контакты, основанные на тонких (обычно TiO2) фильмов, более желательным, поскольку они обеспечивают простой и масштабируемые конфигурации, которая может быть легко принята в технологии солнечных батарей. Таким образом развитие органо ведущий галоидных перовскита активные слои, которые показывают высокую эффективность и стабильность при операции для плоских гетеропереходов может привести к технологических достижений в этой области. Однако по-прежнему одной из главных задач для изготовления плоских гетеропереходов представлена однородности активного слоя. Было предпринято несколько попыток, основанный на вакуумных процессов, подготовить единообразные слои на тонких пленках TiO2 . К примеру Бостона и коллаборационистов продемонстрировали процесс двойной испарения, которые дают весьма однородной перовскита слоев с высокой мощности эффективности преобразования энергии для фотоэлектрических приложений. 18 хотя эту работу представляет собой значительное улучшение в области, использование высоких вакуумных систем и отсутствие перестройки состава активного слоя ограничить применимость данного метода. Интересно, что был достигнут чрезвычайно высокая однородность с пара помощь решение процесса (VASP)19 и изменение низкого давления VASP (LP-VASP)6,20. В то время как VASP, предложенный19Ян и коллаборационистов, требует более высоких температурах и использование перчаточного ящика, LP-VASP основывается на отжига ведущего галоидных прекурсоров слоя присутствии галоидных пара methylammonium, при давлении уменьшить и относительно низкая температура в fumehood. Эти особые условия обеспечения доступа смешанные композиции перовскита и изготовление чистого CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xxBr и CH3NH3PbBr3 может быть легко достигнута. В частности CH3NH3PbI3-xBrx фильмы над пространства в полном составе может быть синтезировано с высоким оптоэлектронных качество и воспроизводимость6,20.

Здесь мы предоставляем подробное описание протокола для синтеза органо неорганических свинца галоидных перовскита слои через LP-VASP, включая процедуру для синтеза methylammonium галоидных прекурсоров. Как только синтезируются прекурсоры, формирования CH3NH3АТС3 фильмов состоит из двухэтапную процедуру, которая включает в себя i) спин покрытие PbI2/PbBr2 (PbI2или PbI2/PbCl 2) прекурсоров на стеклянной подложке или оксид олова легированный фтором (ИТО) покрытием стеклянной подложке с планарной TiO2, как электрон транспортный уровень и ii) низкого давления паров при содействии отжига в смесях CH3NH3я и CH3NH3Br, мелко может корректироваться в зависимости от желаемого оптических bandgap (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 эВ). В этих условиях methylammonium галоидных молекул присутствует в паровой фазе медленно диффузных в тонкопленочных галоидных свинца, уступая непрерывного текста, где обскуры галоидных перовскита фильмов. Этот процесс дает два раза объем расширения от начала свинца галоидных прекурсоров слоя перовскита галоидных завершенных органо неорганических свинца. Стандартная толщина перовскита фильма составляет около 400 Нм. Это позволяет изменять этот толщины между 100-500 Нм, изменяя скорость на втором шаге покрытие закрутки. Представлена методика приводит в фильмах высокой оптоэлектронных качества, который переводит фотоэлектрических устройств с эффективность преобразования энергии до 19%, с использованием Au/Спиро OMeTAD/ч3NH3PbI3-xBrx/ малогабаритные TiO2/ FTO стекло солнечной ячейки архитектуры. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

внимание: пожалуйста, проконсультируйтесь с все соответствующие листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Некоторые из химических веществ, используемых в этих обобщений, остро токсичных, канцерогенных и токсичными для размножения. Взрыв и взрыв риски, связанные с использованием линии Шленк. Пожалуйста, убедитесь проверить целостность стекла аппарата перед выполнением процедуры. Неправильное использование линии Шленк в ассоциации с жидким азотом холодную ловушку может привести к конденсации жидкого кислорода (голубой), которые могут стать взрывоопасным. Пожалуйста, убедитесь, чтобы получить соответствующие на профессиональной подготовке экспертов перед использованием вакуум систем, Шленк линий и криогенных жидкостей. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении синтеза, включая использование инженерного управления (Зонта) и средства индивидуальной защиты (очки, перчатки, лаборатории пальто, брюки полной длины, закрыты носок туфли). Все следующие процедуры, описанные ниже выполняются в зонта в воздухе, если не указано иначе.

1. Подготовка галоидных Methylammonium

  1. до 250 мл вокруг нижней колбе с баром перемешать, добавить этанола (100 мл) и метиламина (190 ммоль, 16,5 мл, 40% wt в H 2 O) и прохладный колбу до 0 ° C ледяной бане.
  2. В то время как метиламина раствор перемешивания (на около 5 минут на 600 оборотов в мин (об/мин)), добавить HI (76 ммоль, 10 мл, 57% wt H 2 O) или HBr (76 ммоль, 8.6 мл, 48% wt H 2 O) прикапывают и печать колбу с перегородки.
  3. Позволяют реакция на перемешивать 2 h на 0 градусов.
  4. Удаление реакции настой из ледяной ванне и испаряются с роторный испаритель, оснащен водяной бане на 60 градусов за 4 ч или пока не будут удалены летучих растворителей и непрореагировавшего летучие компоненты при пониженном давлении (~ 50 мм.рт.ст).
  5. Для recrystallize результате твердых, добавьте теплой (~ 50 ° C) этанола (100 мл) и растворить остаточного материала.
  6. Медленно добавить диэтиловым эфиром (200 мл) чтобы побудить кристаллизации белого твердого.
  7. Вакуумный фильтр смесь через фильтр грубой 50 мм стекла фритта.
  8. Восстановить супернатант и добавить диэтиловым эфиром (200 мл) для стимулирования дополнительных кристаллизации белого твердого. Вакуумный фильтр смеси над второй фильтр грубой 50 мм стекла фритта.
  9. Объединить белый тел на фильтр грубой 50 мм стекла фритты и, хотя вакуумной фильтрации, мыть полученный порошок с диэтиловым эфиром три раза (~ 30 мл каждый раз).
  10. Сухой белый твердый под вакуумом. Эта процедура дает (58.9 ммоль, 9.360 g, 77%) methylammonium йодида (CH 3 NH 3 I) и (55.5 ммоль, 6.229 g, 73%) methylammonium метила (CH 3 NH 3 Br).
  11. Магазин в темноте и в эксикатор при комнатной температуре для того, чтобы свести к минимуму разложения временем.

2. Подготовка тонких пленок Methylammonium привести галоидных (CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x) 6 , 20

  1. предварительного кондиционирования Шленк трубки Трубка
    1. нагрузки 50 мл Шленк (диаметр 2,5 см) с 0,1 г methylammonium галоидных. Чтобы предотвратить прилипание к стенкам пробирка химические вещества, использовать взвешивания цилиндров бумаги для передачи галоидных methylammonium в трубку.
      Примечание: Окончательный коэффициент I/(I+Br) в CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x определяется состав галоидных methylammonium в пробирке. Например для достижения 30% я контента, трубка Шленк загружается с 0,03 г CH 3 NH 3 я и 0,07 г CH 3 NH 3 рублей. фактические полученные композиции может варьироваться с экспериментальной установки, поэтому калибровка условий синтеза урожайность конкретных целевых композиции является необходимым. В данном случае, это было достигнуто путем измерения галоидных содержание в синтезированном фильмов через энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (EDX).
    2. Использовать линию Шленк, оснащенных роторный насос для подключения и эвакуировать трубки. Отрегулируйте давление 0.185 Торр. Затем погрузите пробирку в масляной ванне силикона, предварительно нагретой до 120 ° C, с магнитной мешалкой (600 об/мин) за 2 ч (предварительного кондиционирования Шленк трубки).
      Примечание: Этот шаг позволяет для сублимации methylammonium прекурсоров по бокам Шленк трубки. Важно обеспечить сублимация methylammonium прекурсоров в течение двух часов предварительного кондиционирования. Тонкий слой methylammonium прекурсоров будет конденсироваться по бокам Шленк трубки для покрытия нижней половине трубки. Если сублимация methylammonium прекурсоров не наблюдается или это происходит слишком быстро, проверить, если давление Шленк линии и температуры масла ванны являются правильными, или попробуйте использовать свежие methylammonium галоидных прекурсоров.
    3. Удалить Шленк трубки из масляной ванне и оставить methylammonium галоидных под избыточное давление течет N 2, чтобы избежать потребления влаги.
  2. Подготовка субстрата
    1. Sonicate одной подложке (стекла или стекла с покрытием FTO, 14 x 16 мм 2) с водой (~ 3 мл), содержащие моющее средство для 15 мин в пробирке (диаметр 1,5 см и высота 15 см) в 35 KHz.
    2. Отказаться от моющего средства и воды, полоскать с ультрачистая вода (~ 10 мл) 5 раз.
    3. Отбросить ультрачистая вода, добавить ацетон (~ 3 мл) и sonicate 15 мин на 35 KHz.
    4. Отбросить ацетон, добавить изопропиловый спирт (~ 3 мл) и sonicate 15 мин на 35 KHz.
    5. Отбросить изопропиловый спирт, восстановить субстрат из пробирки с помощью пинцета и высушить его с пистолетом 2 N 15 s.
    6. Депозит TiO 2 компактный слой (100 Нм) на FTO стеклянные подложки, испарением электронным пучком при температуре субстрата 350 ° c и скорость осаждения 0.5 Å / s с помощью вращения субстрата. 21
  3. приготовления раствора прекурсоров галоидных свинца
    1. для приготовления MAPbI 3-x Brx (0 < x < 3), растворяют PbI 2 (0,8 ммоль, 0,369 g) и PbBr 2 (0,2 ммоль, 0,073 g) в 1 мл DMF для достижения конечной концентрации 0,8 М PbI 2 и 0,2 М PbBr 2. Sonicate 5 минут 35 кГц полностью растворить прекурсоров.
      1. Для подготовки чистого йода или брома фильмов, растворяют PbI 2 (1 ммоль, 0,461 g) или 2 PbBr (0,8 ммоль, 0,294 g) в 1 мл ДМФ, для достижения конечной концентрации 1 М и 0,8 М, соответственно. Sonicate 5 минут 35 кГц полностью растворить предвестником.
      2. Для подготовки хлора легированных methylammonium свинца йодида перовскита фильмов, растворяют PbI 2 (0,369 g) и PbCl 2 (0,056 g) в 1 мл ДМФ, для достижения конечной концентрации 0,8 М PbI 2 и 0,2 М PbCl 2. Sonicate 5 минут 35 кГц полностью растворить предвестником.
    2. Фильтр решение прекурсоров с 0,2 мкм фильтром политетрафторэтилен (ПТФЭ).
  4. Привести галоидных осаждения
    1. предварительно Нагрейте раствор прекурсоров на горячей плите, набор до 110 ° C за 5 мин
    2. С микропипеткой, падение 80 мкл раствора прекурсоров галоидных подогретую свинца на подложку проворота (стекло или TiO 2 хранение на FTO покрытием стекла; 2 размер 14 x 16 мм). Вращаются со скоростью 500 об/мин за 5 s с ускорение скорости s 500 мин -1 и 1500 об/мин за 3 мин с acceleratiпо скорости s 1500 об/мин -1.
    3. В fumehood, сухая пленка прекурсоров для 15 мин при 110 ° C на горячей плите под проточной N 2.
      Примечание: Crystalizing блюдо используется и помещен над субстрат разрешить прекурсор для просушки в атмосфере N 2. Варьировать толщину в результате фильме перовскита, скорость второго шага спин покрытие может варьироваться от 1200 до 12000 об/мин для достижения толщина пленки в диапазоне от 500 до 100 Нм. Для дальнейшего уменьшения толщины пленки, может использоваться решения разреженных прекурсора.
  5. Пара помощь отжига
    1. загрузки образца в Шленк трубу (подготовлен согласно инструкции в разделе 2.1.2). Отрегулируйте давление 0.185 Торр.
      Примечание: Образец сидит в пробирке над methylammonium галогенные без быть в прямом контакте с ним. Чтобы замедлить включение methylammonium, поверхности свинца галоидных ориентирован на лицо от methylammonium галоидных.
    2. Погрузиться Шленк трубки загружен с образцом в Силиконовой масляной ванне нагревается до 120 ° C в течение 2 ч.
    3. Взять образец и быстро промойте его путем окунать его в стакан, содержащие изопропиловый спирт. Сразу же сухой промытый образца с ружьем N 2.
      Примечание: Для подготовки чистой CH 3 NH 3 PbI 3 использовать PbI 2 галоидных прекурсоров и чистого methylammonium йодида в пара помощь отжига шаг. Для подготовки CH 3 NH 3 PbBr 3 использовать PbBr 2 как галоидных прекурсоров и бромид чистый methylammonium в пара помощь отжига шаг.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Спектры протонного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) были приняты после синтеза галоидных methylammonium для проверки чистоты молекулы (рис. 1). Сканирования изображения Электронная микроскопия (SEM) были приобретены до и после пара отжига (рис. 2) для характеристики морфологии и однородности прекурсоров галоидных смешанных свинца и CH3NH3PbI3-xBrx фильмов. Модели дифракции рентгеновских лучей (XRD) были собраны для подтверждения чистоты фазы и преобразование галогениды свинца в CH3NH3PbI3-xBrx (рис. 3).

Figure 1
Рисунок 1: спектры ЯМР. () 1H ЯМР CH3NH3br в ДМСО d6. Пики в ppm δ 7,65 (br s, 3 Ч) и 2,35 (s, 3H) подтвердить личность молекулы. 22 (b) 1H ЯМР CH3NH3в ДМСО d6. Пики в ppm δ 7.45 (br s, 3 Ч) и 2.37 (s, 3H) подтвердить личность молекулы. 23 пиков на 2,50 и 3,33 ppm являются из-за остаточного ДМСО и воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Йодистый метил и methylammonium Methylammonium может быть легко характеризуется 1H ЯМР (рис. 1). Химический сдвиг метильной группы является резкое синглетно центрированного δ 2,35 ppm (3H) для CH3NH3Br и δ 2,37 ppm (3 H) для CH3NH3я. Аммония является широкий синглетно центрированного δ 7,65 ppm (3 Ч) и δ 7.45 ppm (3H) CH3NH3Br и CH3NH3я соответственно. Разница в химический сдвиг двух галогениды methylammonium из-за различных галоидных электроотрицательности, которые влияют на защитные (de) протонов присутствуют в молекулы. Эти химические изменения согласуются с сообщалось ранее спектры22,23.

Figure 2
Рисунок 2: Преобразование свинца галоидных прекурсоров CH3NH3PbI3-xBrx. SEM изображения смешанных свинца галоидных прекурсоров ( и b). Представитель SEM образы CH3NH3PbI3-xBrx фильмов отжигом в 100% (c, d), 50% (e, f) и 30% (g, h) methylammonium йодидом. Ограненные фильмы являются обскуры бесплатно, и показать зерна размером до 700 Нм. Шкалы бар = 5 мкм (а, с, е, g) и 1 мкм (b, d, f, h). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Цифры 2a и 2b Показать однородной морфология прекурсоров галоидных свинца, которая впоследствии преобразуется в CH3NH3PbI3-xBrx в смесях methylammonium йодидом и бромид (c-h). Результате фильмы перовскита непрерывного текста, Пинхол-с размером зерна до 700 Нм. Стандартная толщина перовскита фильма составляет около 400 Нм, который получается путем отжима, покрытие 1 M привести галоидных прекурсоров решение со скоростью до 1500 об/мин. Толщина может быть изменен путем изменения скорости вращения, с более высокими скоростями приносит более тонкие пленки и наоборот. Интересно, что преобразование из слоя прекурсоров галоидных свинца в результате перовскита галоидных свинца приводит приблизительно два раза объем расширения.

При температуре 120 ° C для отжига паровой фазы выбирается таким образом, что methylammonium галоидных отсняты, диффундирует в фильм галоидных свинца и равновесие между methylammonium галоидных паров и твердых CH3NH3PbI3-xBr x — пользу перовскита фазы. В предыдущем исследовании мы показали, что отжиг при температуре 100 ° C приводит к значительной степени неполной конверсии к этапу перовскита и что производительность устройства был лучшим, когда синтез была исполнена на 120 ° C вместо 150 ° C. 20 этапа характеристика прекурсоров и CH3NH3PbI3-xBrx фильмы на FTO стеклянные подложки, XRD представлена на рисунке 3a. Предвестником галоидных свинца (PbI 0,8 М2 и 0,2 М PbBr2) показывает PbI2 фазы с его основной пик приблизительно 12,7 °. CH3NH3PbI3-xBrx фильмы фазы чистые и не содержат остаточные PbI2 фазы. CH3NH3PbI3-xBrx XRD пики экспонат, систематический переход к выше углами вследствие постепенной замены большего я атомы атомами меньше Br, ведущих к снижению Постоянная решётки из ~6.29 Å (x = 0) для ~5.93 Å (x = 3 )2.

Figure 3
Рисунок 3: Фаза анализа и полный состав спектра CH3NH3PbI3-xBrx фильмов. () XRD шаблоны свинца галоидных прекурсора показаны PbI2 фазы и CH3NH3PbI3-xBrx фильмы с уменьшением содержания йода. Увеличенное шаблон явно изображает сдвиг (110) пик позицию в отношении больших углов дифракции на Br включение. (b) Рисунок CH3NH3PbI3-xBrx фильмы с постепенного включения Br (слева направо: чистый CH3NH3PbI3, 90%, 80%, 70%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, а чистая CH 3 NH3PbBr3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Изображение, CH3NH3PbI3-xBrx фильмов (Рисунок 3b) иллюстрирует постепенное включение Br, что привело к увеличению разрыва в группы от 1.6 eV в 2.3 эВ, и, таким образом, изменения в видимой внешний вид (слева, чисто CH3NH3PbI3 правый, чисто CH3NH3PbBr3). Постепенное увеличение bandgap было показано фотолюминесценцияизмерения, которые ранее сообщалось на CH3NH3PbI3-xBrx фильмы с высоким оптоэлектронных качества над пространства в полном составе. 6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Для изготовления гетеропереходов высокоэффективных органо свинец плоский перовскита, однородность активного слоя является ключевым требованием. Что касается существующего решения2,,1617 и19 методологий на основе вакуумных18,наш процесс поддается удивительно состав перестройки активного слоя, который может быть синтезирован над полной CH3NH3PbI3-xBrx состав пространства с высокой оптоэлектронных качество и воспроизводимость. 6 , 20 Кроме того, этот процесс позволяет использовать пониженным давлением и относительно низкой температуры в fumehood без необходимости использования перчаточного ящика или высоким уровнем осаждения вакуум.

Хотя LP-VASP высокую воспроизводимость и никаких изменений к протоколу должно быть необходимым, следует отметить, что фактический состав Br/(Br+I) в фильме может быть немного меньше, чем первоначальный состав Шленк трубки. Для решения этой проблемы, крайне важно для измерения галоидных контента через EDX в последний фильм, а также относительно подтверждения перовскита через XRD, чтобы выполнить калибровку синтетических условий приносит конкретные целевые композиции в связи с использованы экспериментальные установки.

Кроме того существует несколько полезных рекомендаций, которые могут обеспечить правильную надежность нашего процесса. Особенно важно качество исходных материалов. Хранение органических (CH3NH3X) и неорганические (2PbX) прекурсоров в эксикатор в атмосфере азота и контролируемой влажности имеет важное значение для обеспечения воспроизводимости результатов в синтезе. Кроме того органические прекурсоров необходимо быть очень чистым, и все следы начиная материалы должны быть удалены с тщательной промывкой.

Мы продемонстрировали синтез methylammonium галогенные и последующее преобразование свинца галоидных прекурсоров CH3NH3PbI3-xBrx в смеси, что приводит к гладкой, Пинхол бесплатные фильмы демонстрируют хорошие оптоэлектронных качества. Что касается предыдущих методов,2,17,16,18,19 , которую этот синтетический протокол является универсальным и поддаются адаптации в различных лабораториях, потому что Это легко осуществляется в fumehood. Кроме того LP-VASP позволяет легким доступность различных органо ведущий галоидных перовскита композиции и тюнинг запрещенной зоны.

Метод изготовления представленных фильмов обеспечивает улучшенный морфология управления по сравнению с чисто решение покрытия методы, уступая высокоэффективных Вселенский перовскита гетеропереход солнечных батарей. Из-за низкой обработки температуры и использования стандартного оборудования доступна в большинстве лабораторий (т.е. fumehoods и Шленк линии) Эта методология особенно подходит для изготовления как одного, так и многопереходных солнечных батарей, испускающей свет диоды и лазеры. Мы в настоящее время разрабатывают процесс, который позволяет большой депозит (> 2 см2) области непрерывной перовскита тонких пленок.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Перовскита процесса развития, тонкопленочных синтеза, структурные и морфологическая характеристика были исполнены на Объединенный центр для Искусственный фотосинтез, НОО энергии инновационный центр, поддерживается через Отделение наук Департамента США Энергия под награду номер де SC0004993. К.М.Н F. признает финансовую поддержку от Швейцарский Национальный научный фонд (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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.

    Usage Statistics