Alçak basınç buhar destekli çözüm işlemini Tunable Grup Gap iğne deliği-Alerjik Methylammonium kurşun Halide Perovskite filmler için

* 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

Burada, mevcut bir protokol CH3NH3sentezi için ben ve CH3NH3Br öncüleri ve iğne deliği-Alerjik, sürekli CH3NH3PBI3-xBrx ince filmler için sonraki oluşumu uygulama yüksek verimli güneş hücreleri ve diğer opto-elektronik aygıtlar.

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

Organo-kurşun halide perovskites son zamanlarda ince film fotovoltaik ve Optoelektronik potansiyel uygulamalar için yoğun ilgi çekmiştir. Burada, biz bu malzeme % ~ 19 güç dönüşüm verimliliği düzlemsel heterojunction perovskite güneş hücreleri verimleri düşük basınçlı buharı destekli çözüm süreci (LP-VASP) yöntemi ile üretim için bir iletişim kuralı mevcut. İlk olarak, biz methylammonium iyodür bir sentez raporu (CH3NH3ben) ve methylammonium bromür (CH3NH3Br) methylamine ve karşılık gelen halide asit (HI veya HBr). Sonra tarif biz iğne deliği-Alerjik, sürekli methylammonium-kurşun halide perovskite imalatı (CH3NH3PbX3 x = ben, Br, Cl ve onların karışımı) filmleri ile LP-VASP. Bu işlem iki adım dayanmaktadır: i) spin-kaplama kurşun halide öncü bir substrat üzerine homojen bir tabaka ve II) bu tabaka için belgili tanımlık substrate buharlar CH karışımı için açığa tarafından CH3NH3PBI3-xBrx 3 NH3ben ve CH3NH3Br azaltılmış basınç ve 120 ° C. Methylammonium halide buharı içine kurşun halide habercisi yavaş Difüzyon sürekli, iğne deliği-Alerjik perovskite film yavaş ve kontrollü büyümeyi gerçekleştirmek. LP-VASP CH3NH3PBI3-xBrx 0 ≤ x ≤ 3 ile tam halide kompozisyon uzayda sentetik erişmelerine izin verir. Buharı faz kompozisyon bağlı olarak, bandgap 1.6 eV ≤ Eg ≤ arasında ayarlanabilir 2.3 eV. Ayrıca, kompozisyon halide habercisi ve buharı faz değiştirerek, biz de CH3NH3PBI3-xClxedinebilirsiniz. LP-VASP elde edilen Filmler tekrarlanabilir, x-ışını kırınım ölçümleri ve gösteri yüksek photoluminescence kuantum verim tarafından doğruladı gibi saf aşama. İşlem bir torpido kullanımını gerektirmez.

Introduction

Hibrid organik-inorganik kurşun halide perovskites (CH3NH3PbX3, X = ben, Br, Cl) hızla son birkaç yıl içinde ortaya çıkan yarı iletkenler yeni bir sınıf vardır. Bu malzeme sınıfı yüksek soğurma katsayısı1, akort bandgap2, uzun şarj taşıyıcı Difüzyon uzunluğu3, yüksek kusur hoşgörü4ve yüksek photoluminescence gibi mükemmel yarı iletken özelliklerini gösterir Kuantum verimi5,6. Bu özellikleri benzersiz kombinasyonu tek Kavşağı7,8 ve multijunction fotovoltaik9gibi opto-elektronik aygıtlarda halide perovskites uygulama için çok cazip yol yapar, 10, lazerler11,12ve LED13.

CH3NH3PbX3 filmleri sentetik yöntemleri14, çeşitli tarafından hangi enerji uygulamaları15bu yarıiletken malzeme verimliliğini artırmayı hedefliyoruz sahte olduğu. Ancak, halide perovskite etkin katmanın yanı sıra arabirimlerinden photocarrier koleksiyonu bu kolaylaştırmak şarj seçici ilgili kişileri (elektron ve katmanları taşıma delik yani) ile kalitesini en iyi duruma getirme fotovoltaik cihazlar kullanır cihazlar. Özellikle, sürekli, iğne deliği ücretsiz etkin katmanları şönt direnç, böylece aygıtı performansını artırma en aza indirmek gereklidir.

Organo-kurşun halide imalatı için en yaygın yöntemler arasında çözüm ve vakum tabanlı işlemler perovskite ince filmleri vardır. En yaygın çözüm işlemini kurşun halide ve dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), γ-butirolakton (GBL) ya da bu maddeleri karışımları içinde çözünmüş methylammonium halide ekimolar oranları kullanır. 2 , 16 , 17 habercisi Derişim ve solvent tipi yanı sıra sıcaklık, zaman ve atmosfer, tavlama tam olarak sürekli ve iğne deliği ücretsiz film elde etmek için kontrol gerekir. 16 Örneğin, yüzey kapsama geliştirmek için bir çözücü-mühendislik tekniği yoğun verim ve son derece filmleri üniforma için gösterilmiştir. 17 Bu teknikte, olmayan bir çözücü (toluen) perovskite çözüm iplik sırasında perovskite katman üzerine damladı. 17 bu yaklaşımlar genellikle mesoporous TiO2 elektron seçici bir kişiyle artan temas bölgesinin ile istihdam ve taşıyıcı taşıma uzunluğu azaltılmış mezoskopik heterojunctions için de uygundur.

Ancak, temel alan seçici kişileri kullanmak düzlemsel heterojunctions (genellikle TiO2) ince filmler, onlar güneş pili teknolojisi daha kolay kabul edilebilir bir basit ve ölçeklenebilir yapılandırma, çünkü daha çekici. Bu nedenle, yüksek verimlilik ve istikrar düzlemsel heterojunctions için işlem altında göstermek organo-kurşun halide perovskite etkin katmanları gelişimi bu alandaki teknolojik gelişmeler neden olabilir. Ancak, düzlemsel heterojunctions imal etmek ana sorunlardan biri hala etkin katman homojenizasyon tarafından temsil edilir. Birkaç girişimden, vakum süreçleri, temel tek tip ince TiO2 filmleri katmanlarda hazırlamak için yapılmıştır. Örneğin, Snaith ve ortak bir çift buharlaşma süreci hangi son derece homojen perovskite katmanları fotovoltaik uygulamaları için yüksek güç dönüşüm verimliliği ile verim göstermiştir. 18 bu çalışma alanında önemli bir ilerleme temsil ederken, yüksek vakum sistemleri kullanımı ve ayar etkin katmanın kompozisyon eksikliği sınırı bu yöntem uygulanabilirliği. İlginçtir, son derece yüksek homojenlik buharı destekli çözüm süreci (VASP)19 ve değiştirilen düşük basınç VASP (LP-VASP)6,20ile elde edilmiştir. Yang ve işbirlikçileri19tarafından önerilen VASP daha yüksek sıcaklık ve bir torpido kullanılması gerekirken, LP-VASP bir kurşun halide habercisi katman methylammonium halide buharı Azalt basınçta huzurunda tavlama üzerinde temel alır ve bir fumehood nispeten düşük sıcaklık. Bu belirli koşullar karışık perovskite besteleri ve saf CH3NH3PBI3imalatı, CH3NH3PBI3-xClx, CH3NH3PBI3 - erişimi etkinleştir xBrxve CH3NH3PbBr3 kolayca elde edilebilir. Özellikle, CH3NH3PBI3-xBrx filmleri tam kompozisyon alanı üzerinde yüksek Optoelektronik kalite ve tekrarlanabilirlik6,ile20sentez.

Burada, biz perovskite Katmanlar ile LP-VASP methylammonium halide öncüleri sentezleme yordamı da dahil olmak üzere, organik-inorganik kurşun halide sentezi için protokol ayrıntılı bir açıklamasını sağlar. Bir kez öncüleri sentez, i) spin-kaplama PBI2/PbBr2 (PBI2veya PBI2/PbCl oluşan bir iki adım prosedürü CH3NH3PbX3 filmleri oluşumu oluşur 2) öncü cam alt katman veya kalay oksit (FTO) Flor katkılı boyalı cam alt katman düzlemsel TiO2, elektron taşıma katmanı ve II) alçak basınçlı Buhar destekli tavlama CH3NH3karışımları ve CH3NH3Br ince istenen optik bandgap bağlı olarak ayarlanabilir (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). Bu koşullar altında methylammonium halide molekülleri sürekli, iğne deliği-Alerjik halide perovskite Filmler verimli kurşun halide ince film yavaş yavaş diffüz buharı aşamasında mevcut. Bu işlem başlangıç kurşun halide habercisi katman tamamlanan organik-inorganik kurşun halide perovskite bir iki kat birim genişleme verir. Perovskite film standart kalınlığı yaklaşık 400 olduğunu nm. Bu kalınlık ikinci spin kaplama adım hızını değiştirerek 100-500 nm arasında değişen mümkündür. Sunulan teknik sonuçlar fotovoltaik cihazlar ile güç dönüşüm verimliliği % 19'e kadar bir Au/spiro-OMeTAD /CH3NH3PBI3-xBrxkullanarak çevirir yüksek Optoelektronik kalite filmlerde / TiO2kompakt / FTO/cam Güneş hücre mimarisi. 21

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

dikkat: ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce lütfen danışın. Birkaç bu immobilizasyonu kullanılan kimyasalların akut toksik, kanserojen ve üreme için toksik. İçe patlama ve patlama riskleri Schlenk hat kullanımı ile ilişkilidir. Lütfen işlemi yapmadan önce cam aparatı bütünlüğünü kontrol etmek emin olun. Yanlış kullanımı ile birlikte bir sıvı azot soğuk tuzak Schlenk satırının içinde patlayıcı olabilir sıvı oksijen (soluk mavi) yoğunlaşma neden olabilir. Vakum sistemleri, Schlenk hatları ve kriyojenik sıvı kullanmadan önce iş eğitim uzmanları tarafından uygun almak için lütfen emin olun. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları sentez mühendislik kontrolleri (duman hood) ve kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabı) kullanımı gibi kullanırlar. Aşağıda açıklanan aşağıdaki yordamların tümünü bir duman Hood hava, başka türlü belirtilmediği sürece gerçekleştirilir.

1. hazırlık Methylammonium Halide

  1. bir heyecan bar ile donatılmış alt şişesi yuvarlak bir 250 mL etanol (100 mL) ve methylamine (190 mmol, 16,5 mL, % 40 wt H 2 O) ekleyin ve şişeye 0 ° c ile serin bir buz banyosu.
  2. Methylamine çözüm (yaklaşık 5 dk dk (devir/dakika) başına 600 devrim için) karıştırma, HI (76 mmol, 10 mL, % 57 wt H 2 O) veya HBr (76 mmol, 8,6 mL, % 48 wt H 2 O) dropwise ekleyin ve şişeye bir septum ile mühür.
  3. 0 ˚C 2 h için heyecan tepki izin.
  4. Reaksiyon şişeye buz banyosu kaldırmak ve solvent ve unreacted uçucu bileşenlerin düşük basınçta (~ 50 Torr) 4 h ya da tenler kaldırılana kadar bir su banyosu, 60 ˚C ile donatılmış bir rotary Evaporatör ile buharlaşır.
  5. Elde edilen katı Li2 için sıcak (~ 50 ° C) etanol (100 mL) ekleyin ve malzeme geçiyoruz.
  6. Yavaş Dietil eter beyaz katı kristalleşme ikna etmek için (200 mL) ekleyin.
  7. Vakum filtre karışımı bir kaba 50 mm cam frit filtre.
  8. Süpernatant kurtarmak ve Dietil eter beyaz katı ek kristalleşme ikna etmek için (200 mL) ekleyin. Vakum filtreleme karışımı üzerinde ikinci bir kaba 50 mm cam frit filter.
  9. Beyaz katı kaba 50 mm cam frit filtresinde birleştirmek ve vakum filtre uygulama sırasında ortaya çıkan toz Dietil eter ile üç kez (~ 30 mL her zaman) yıkayın.
  10. Vakum altında beyaz katı kuru. Bu yordamı methylammonium iyodür (58.9 mmol, 9.360 g, % 77) verir (CH 3 NH 3 ben) ve (55,5 mmol, 6.229 g, % 73), methylammonium bromür (CH 3 NH 3 Br).
  11. Mağaza karanlık ve ayrıştırma zaman içinde en aza indirmek için oda sıcaklığında desiccator.

2. Hazırlık Methylammonium kurşun Halide (CH 3 NH 3 PBI 3-x Br x) ince filmler 6 , 20

  1. Schlenk öncesi Klima tüp
    1. Yük 50 mL Schlenk tüp (çapı 2.5 cm) 0.1 g methylammonium halide ile. Test tüpü duvarlara yapışmasını kimyasallar engellemek için bir tartı kağıt silindir methylammonium halide tüpün içine aktarmak için kullanın.
      Not: I/(I+Br) son oranı CH 3 NH 3 PBI 3-x Br x test tüpü methylammonium halide bileşiminde belirler. Örneğin, %30 ulaşmak için ben Schlenk tüp ben 0,03 g CH 3 NH 3 ile yüklenir ve besteleri 0,07 g CH 3 NH 3 Br. Actual elde içerik deneysel Kur, sentez koşulların çok kalibrasyon ile değişebilir verim belirli hedef besteleri gereklidir. Mevcut durumda bu halide içerik enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX) üzerinden sentezlenmiş filmlerde ölçerek gerçekleştirilmiştir.
    2. Bağlanmak ve tüp tahliye için döner bir pompa ile donatılmış bir Schlenk satırını kullanın. 0.185 Torr basınç ayarlayın. Sonra test tüpü 120 ° C için 2 h (Schlenk tüp ön Klima) manyetik karıştırıcı (600 rpm) ile Önceden ısıtılmış bir silikon yağı banyoda bırakın.
      Not: Bu adımı methylammonium habercisi Schlenk tüp kenarlarında süblimasyon için izin verir. Methylammonium habercisi süblimasyon sırasında iki saat öncesi koşullanma emin olmak önemlidir. Methylammonium habercisi ince bir tabaka alt yarısı tüp kapsayacak şekilde Schlenk tüp kenarları boyunca yoğunlaşmak. Methylammonium habercisi süblimasyon değil görülmektedir veya çok hızlı oluyor, Schlenk çizgi baskısı ve yağ banyosu sıcaklığını doğru veya taze methylammonium halide habercisi. kullanmayı deneyin kontrol edin
    3. Schlenk Kaldır tüp yağ banyosu ve methylammonium halide nem alımı önlemek için akan N 2 bir aşırı basınç altında bırakın.
  2. Substrat hazırlık
    1. bir test tüpü içinde 15 dakika deterjan içeren su (~ 3 mL) ile bir substrat (cam veya FTO kaplı cam, 14 x 16 mm 2) solüsyon içeren temizleyicide (çapı 1,5 cm ve yüksekliği 15 cm) 35 kHz.
    2. Deterjan/su 5 kez (~ 10 mL) ultrasaf su ile durulama tarafından atın.
    3. Ultrasaf su atın, aseton (~ 3 mL) ekleyin ve 15 dakika 35 KHz adlı solüsyon içeren temizleyicide.
    4. Aseton atmak, isopropanol (~ 3 mL) ekleyin ve 15 dakika 35 KHz adlı solüsyon içeren temizleyicide.
    5. İsopropanol atmak, substrat test tüpünden cımbız ile yeniden elde etmek ve 15 N 2 silahlı kuru s.
    6. Mevduat TiO 2 kompakt Katmanı (100 nm) FTO üzerinde cam yüzeylerde elektron ışını buharlaşma 350 ° C yüzey sıcaklığını ve birikim hızı 0,5 tarafından Å / s kullanarak substrat döndürme. 21
  3. götürmek halide habercisi eriyik hazırlığı
    1. MAPbI 3-x Brx hazırlanması için (0 < x < 3), PBI 2 (0.8 mmol, 0,369 g) ve PbBr 2 (0.2 mmol, 0,073 g) 1 ml DMF PBI 2 0, 8 M ve PbBr 2 0,2 M son bir konsantrasyon elde etmek için. Tam habercisi çözülmeye 35 KHz, 5 min için solüsyon içeren temizleyicide.
      1. PBI 2 (1 mmol, 0.461 g) veya PbBr 2 (0.8 mmol, 0,294 g) 1 ml DMF 1 M ve 0, 8 M, son bir konsantrasyon sırasıyla elde etmek için saf iyot veya Brom filmleri hazırlanması için geçiyoruz. Tam habercisi çözülmeye 35 KHz, 5 min için solüsyon içeren temizleyicide.
      2. PBI 2 (0,369 g) ve PbCl 2 (0,056 g) 1 ml DMF PBI 2 0, 8 M ve PbCl 2 0,2 M son bir konsantrasyon elde etmek için klor katkılı methylammonium kurşun iyodür perovskite Filmler hazırlanması için geçiyoruz. Tam habercisi çözülmeye 35 KHz, 5 min için solüsyon içeren temizleyicide.
    2. Öncü çözüm 0,2 mikron polytetrafluorethylene (PTFE) filtre ile filtre.
  4. Halide ifade kurşun
    1. ön habercisi çözüm 110 ° c 5 dakika süreyle ayarla bir sıcak tabakta ısı
    2. Bir micropipette ile 80 μL Önceden ısıtılmış kurşun halide öncü çözüm dönmeyen substrat üzerine damla (cam veya kaplı FTO camına; yatırılır TiO 2 14 x 16 mm 2 boyutu). Spin için 5 500 RPM s hızlanma oranı 500 rpm s -1 ve 3 min bir accelerati ile için 1500 devir/dakika1500 d/d s -1 oranı.
    3. Bir fumehood habercisi film altında akan N 2 sıcak tabakta 110 ° C'de 15 dakika kuru.
      Not: Bir crystalizing yemek kullanılan ve bir N 2 ortamda kurumaya habercisi izin vermek belgili tanımlık substrate üzerine. Elde edilen perovskite film kalınlığını değiştirmek için ikinci spin-kaplama adım hızı 1200 film kalınlığı 500-100 aralığında elde etmek için 12,000 RPM değiştirilebilir nm. Seyreltilmiş öncü çözüm daha fazla film kalınlığı azaltmak için kullanılabilir.
  5. Buharı destekli tavlama
    1. yük örnek (2.1.2 bölümündeki yönergelere göre hazırlanmış) Schlenk tüp içine. 0.185 Torr basınç ayarlama.
      Not: Örnek test tüpü methylammonium halide yukarıda o ile doğrudan temas olmadan oturuyor. Methylammonium birleşme yavaş, kurşun halide yüzey methylammonium halide uzak yüze aydınlatmaktadır.
    2. Silikon yağ banyosu 120 ° c için 2 h. ısıtmalı örnekte bırakın Schlenk tüp yüklü
    3. Örnek almak ve hızlı bir şekilde izopropil alkol içeren bir ölçek daldırma tarafından durulayın. Hemen kuru durulanır örnek N 2 silahlı.
      Not: saf CH 3 NH hazırlamak için 3 PBI 3 kullanın PBI 2 halide habercisi ve saf methylammonium iyodür buharı destekli tavlama adım olarak. Hazırlamak CH 3 NH 3 PbBr 3 kullanın PbBr 2 halide habercisi ve saf methylammonium bromür buharı destekli tavlama adım.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Proton Nükleer manyetik rezonans (NMR) spectra molekül saflık (şekil 1) doğrulamak için methylammonium halide sentez sonra çekildi. Önce ve sonra buharı (morfolojisi ayırdetmek için,Şekil 2) tavlama ve karışık kurşun halide habercisi ve CH3NH3PBI3-xBrpolimerlerin tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri elde x filmler. X-ışını kırınım (XRD) desenleri faz saflık ve kurşun halide dönüşüm CH3NH3PBI3-xBrx (şekil 3) onaylamak için toplanmıştır.

Figure 1
Şekil 1: Nükleer manyetik rezonans spectra. (bir) 1H NMR, CH3NH3Br DMSO d6 içinde. Tepeler δ 7,65 (br s, 3H) ve 2,35 (s, 3H) ppm adlı molekülün kimliğini onaylamak. 22 (b) 1H NMR CH3NH3ı DMSO d6. Tepeler δ 7,45 (br s, 3H) ve 2.37 (s, 3H) ppm adlı molekülün kimliğini onaylamak. 23 doruklarına 2.50 ve 3.33 ppm, kalan DMSO ve su nedeniyle vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Methylammonium bromür ve methylammonium iyodür 1tarafından H NMR (şekil 1) kolayca karakterize edilebilir. Kimyasal metil grubunun bir keskin singlet merkezli δ 2.35 ppm (3 H) CH3NH3Br ve δ 2.37 ppm (3 H) CH3NH3için değişikliğidir. Geniş bir singlet merkezli δ 7.65 ppm (3 H) ve δ 7,45 ppm (3 H) CH3NH3Br ve CH3NH3için ben sırasıyla amonyum değişikliğidir. İki methylammonium halojenürlerden kimyasal kayma fark molekülleri mevcut proton (de) koruyucu etkiler farklı halide electronegativities kaynaklanmaktadır. Bu kimyasal vardiya daha önce raporlanmış spectra22,23ile tutarlıdır.

Figure 2
Resim 2: Kurşun halide habercisi CH3NH3PBI3-xBrxdönüştürme. SEM görüntüleri karışık kurşun halide habercisi (a ve b). %100 (c, d), (e, f) % 50 ve % 30 (g, h) methylammonium iyodür komplementer CH3NH3PBI3-xBrx filmlerin temsilcisi SEM görüntüleri. Yönlü filmleri ücretsiz iğne deliği vardır ve gösteri tahıl boyutları kadar 700 nm. Ölçek çubuğu 5 mikron = (a, c, e, g) ve 1 µm (b, d, f, h). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Rakamlar 2a ve 2B'yi daha sonra CH3NH3PBI3-xBrx karışımları methylammonium iyodür ve bromür dönüştürülür kurşun halide habercisi homojen morfolojisi (c-h) göster. Elde edilen perovskite filmleri sürekli, iğne deliği kadar 700 tane boyutları ile ücretsiz nm. Perovskite film standart kalınlığı yaklaşık 400 olduğunu 1 M kaplama spin tarafından elde edilen nm kurşun halide öncü çözüm 1500 rpm hızında. Kalınlığı daha yüksek hızlarda daha ince filmler ve ahlak bozukluğu çok yönlüverimli dönüş hızı değiştirerek değiştirilebilir. İlginçtir, dönüştürme kurşun halide habercisi katman ortaya çıkan kurşun halide perovskite sonuçlarda bir yaklaşık iki kat birim genişletme.

Buharı faz tavlamak için methylammonium halide sublimes öyle ki, 120 ° C sıcaklık seçilir kurşun halide film ve methylammonium halide buharı ve katı CH3NH3PBI3-xBr arasındaki denge içine dağılır x lehine perovskite aşamasıdır. Bir önceki çalışmada, biz 100 ° C'de tavlama perovskite faz için büyük ölçüde eksik dönüştürme sonuçlandı ve sentez 150 ° c yerine 120 ° C'de gerçekleştirildiğinde aygıtı performansı en iyi olduğunu gösterdi 20 habercisi CH3NH3PBI3-xBrx üzerinde ve film FTO cam yüzeylerde XRD tarafından faz karakterizasyonu şekil 3aiçinde sunulur. Kurşun halide habercisi (0,8 M PBI2 ve 0.2 M PbBr2) PBI2 faz ana zirveye ile yaklaşık olarak 12.7 ° gösterir. CH3NH3PBI3-xBrx filmleri faz saf vardır ve artık PBI2 faz içermez. CH3NH3PBI3-xBrx XRD sistematik bir vardiya daha büyük yavaş yavaş değiştirme nedeniyle daha yüksek açılarla ben Atomlar kafes sabit ~6.29 üzerinden bir düşüş önde gelen daha küçük Br atomlar tarafından sergi doruklarına Å (x = 0) ~5.93 için Å (x = 3 )2.

Figure 3
Şekil 3: analiz ve tam kompozisyon spektrum CH3NH3PBI3-xBrx filmleri faz. (bir) XRD şekillerinin PBI2 faz ve CH3NH3PBI3-xBrx filmleri iyot içerik azalan ile gösterilen kurşun halide habercisi. Büyütülmüş desen (110) en yüksek pozisyon daha büyük kırınım açıları Br birleşme üzerine doğru kayması açıkça gösteriyor. (b) resim CH3NH3PBI3-xBrx filmleri Br ve kademeli eklenmesi ile (soldan sağa: saf CH3NH3PBI3, % 90, %80, % 70, % 50, % 40, % 30, % 20, % 10 ve saf CH 3 NH3PbBr3). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Br, 1.6 eV 2.3 eV ve böylece görünür görünüşte değişiklik bir grup boşluk artış sonuçlanan kademeli birleşme CH3NH3PBI3-xBrx Filmler (şekil 3b) resmini gösterir (sol, saf CH3NH3PBI3 ' e doğru saf CH3NH3PbBr3). Photoluminescence tarafından bandgap kademeli bir artış göstermiştirölçümler, daha önce CH3NH3PBI3-xBrx filmlerde yüksek Optoelektronik kalitesi ile tam kompozisyon alan üzerinde rapor edilmiştir. 6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Yüksek verimli organo-kurşun düzlemsel perovskite heterojunctions imal için etkin katmanın polimerlerin önemli bir gereksinimdir. Varolan çözüm2,16,17 ve18,vakum tabanlı19 metodolojileri açısından bizim olabilir etkin katman kompozisyonu ayar için son derece uysal bir süreçtir tam CH3NH3PBI3-xyüksek Optoelektronik kalite ve tekrarlanabilirlik Brx kompozisyon boşlukla üzerinde sentezledim. 6 , 20 ek olarak, bu işlem için azaltılmış basınç kullanımına izin verir ve nispeten düşük derece bir fumehood içinde bir torpido gözü ya da yüksek vakum ifade kullanımı gerek kalmadan.

LP-VASP son derece tekrarlanabilir ve hiçbir değişiklik Protokolü-meli var olmak gerekli iken, filmin gerçek Br/(Br+I) bileşiminde Schlenk tüp ilk kompozisyon biraz daha düşük olabilir belirtilmektedir. Bu sorunu gidermek için XRD, via perovskite yapısı sentetik koşullardan belirli hedef besteleri ile mineral için verimli bir kalibrasyon gerçekleştirmek için onaylamak için de son filmi olan EDX ile içerik halide ölçmek için önemlidir kullanılan deneysel Kur.

Buna ek olarak, bizim süreci doğru güvenilirliğini sağlayabilirsiniz birkaç yararlı öneriler vardır. Başlangıç malzemelerin kalitesi özellikle önemlidir. Organik (CH3NH3X) ve azot atmosferi ve kontrollü nem altında bir desiccator içinde inorganik (PbX2) öncüleri saklamak tekrarlanabilirlik sentez sağlamak için vesile olduğu. Ayrıca, organik öncüleri çok temiz olması gerekiyor ve malzeme başlayan tüm izini sürmek-meli var olmak çıkarmak ile dikkatli çamaşır.

Methylammonium halide sentezi göstermiştir ve pürüzsüz, iğne deliği ücretsiz kaynaklanan kurşun halide öncüleri CH3NH3PBI3-xBrx ' te, karışımlar için sonraki dönüşümü bu filmler iyi Optoelektronik kalite sergi. Önceki yöntemler ile ilgili olarak, çok yönlü ve farklı laboratuvarlarda çünkü adapte için mükellef bu sentetik protokolü2,16,17,18,19 bir fumehood kolayca gerçekleştirilir. Buna ek olarak, LP-VASP farklı organo-kurşun halide perovskite kompozisyon facile erişilebilirlik ve grup boşluk ayarlamak için izin verir.

Sunulan film imalat yöntemi üstün Morfoloji denetimi saf çözüm ile karşılaştırıldığında yüksek verimli düzlemsel perovskite heterojunction güneş hücreleri verimli kaplama yöntemleri sağlar. Düşük işleme sıcaklık nedeniyle ve standart ekipman (yani fumehoods ve Schlenk çizgiler) çoğu laboratuarlarında kullanımı, bu metodoloji tek yanı sıra multijunction güneş hücreleri imal, ışık yayan özellikle uygundur diyotlar ve lazerler. Biz şu anda mevduat için büyük sağlayan bir süreç geliştiriyoruz (> 2 cm2) alan sürekli perovskite ince filmler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Perovskite süreç geliştirme, ince film sentezi, yapısal ve morfolojik karakterizasyonu yapay ABD bölümü bilim Office ile desteklenen fotosentez, DOE enerji yenilik Hub için ortak Merkezi'nde gerçekleştirilen Enerji Ödülü numara DE-SC0004993 altında. C.M.S.-F. İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (P2EZP2_155586) mali desteği kabul eder.

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