JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

هنا، فإننا نقدم بروتوكولات مفصلة لمعالجة حل الفضة-البزموت-اليود (Ag-ثنائية-ط) الثلاثي أشباه الموصلات الأغشية الرقيقة ملفقة على TiO2-المغلفة أقطاب شفافة وإمكانية تطبيقها كالهواء-مستقرة وخالية من الرصاص الأجهزة الإلكترونية البصرية.

Abstract

وتعتبر بيروفسكيتيس الهجين على أساس البزموت واعدة من أشباه الموصلات الصورة النشطة لتطبيقات الخلايا الشمسية الصديقة للبيئة والهواء-مستقرة. ومع ذلك، محدودة الفقراء مورفولوجيس السطحية والطاقات باندجاب عالية نسبيا إمكاناتهم. الفضة-البزموت-اليود (Ag-ثنائية-ط) هو أشباه الموصلات واعدة للأجهزة الإلكترونية البصرية. ولذلك، علينا أن نظهر تلفيق Ag-ثنائية-أنا الثلاثي الأغشية الرقيقة استخدام حل المواد المعالجة. الأغشية الرقيقة الناتجة عن معرض مورفولوجيس السطحية التي تسيطر عليها وباندجابس الضوئية وفقا الحرارية على الصلب في درجات الحرارة. وبالإضافة إلى ذلك، أفيد بأن نظم الثلاثي Ag-ثنائية-أنا بلورة اغبى2أنا7، Ag2BiI5، إلخ وفقا للنسبة من السلائف الكيميائية. اغبى معالجة حل2أنا يحمل7 طبقات رقيقة بنية بلورية مكعبة-المرحلة، مورفولوجيس السطحية كثيفة، خالية من الثقب مع الحبوب التي تتراوح في حجمها من 200 إلى 800 نانومتر، وباندجاب غير مباشرة من 1.87 eV. اغبى الناتجة2أنا7 طبقات رقيقة إظهار حسن الهواء الرسومات التخطيطية للفرقة الاستقرار والطاقة، فضلا عن سطح مورفولوجيس والبصرية باندجابس مناسبة للخلايا الشمسية تقاطع واحدة خالية من الرصاص والجوية مستقرة. ومؤخرا جداً، حصل خلية شمسية بكفاءة تحويل الطاقة 4.3% الاستفادة المثلى من التراكيب كريستال Ag-ثنائية-أنا وأبنية جهاز الخلايا الشمسية.

Introduction

وقد درست معالجة حل الخلايا الشمسية غشاء رقيق غير العضوية على نطاق واسع بالعديد من الباحثين تسعى لتحويل أشعة الشمس مباشرة إلى الكهرباء1،2،3،،من45. مع تطور الهندسة المعمارية التوليف والأجهزة المادية، أبلغ الرائدة المستندة إلى هاليد بيروفسكيتيس أن يكون امتصاص الخلايا الشمسية أفضل مع سلطة تحويل كفاءة (PCE) أكبر من نسبة 22%5. ومع ذلك، تتزايد المخاوف من استخدام الرصاص السامة، فضلا عن قضايا الاستقرار من الرصاص-هاليد بيروفسكيتي نفسها.

ذكرت مؤخرا أن بيروفسكيتيس الهجين على أساس البزموت يمكن أن تتكون من خلال دمج الكاتيونات الفموي الأحادي التكافؤ في وحدة معقدة يوديد بزموت، وأن هذه يمكن أن تستخدم كامتصاص الصدمات الكهربائية الضوئية في أبنية mesoscopic الخلايا الشمسية6، 7،8. زمام المبادرة في بيروفسكيتيس يمكن الاستعاضة عن البزموت، الذي له 6s2 زوج وحيد الخارجي؛ ومع ذلك، المنهجيات التقليدية حتى الآن سوى الرصاص هاليد قد استخدمت بيروفسكيتيس الهجين على أساس البزموت مع هياكل بلورية معقدة، على الرغم من حقيقة أن لديهم أكسدة مختلف الدول وخصائص المواد الكيميائية9. وبالإضافة إلى ذلك، هذه بيروفسكيتيس قد مورفولوجيس السطحية الفقراء وإنتاج الأفلام سميكة نسبيا في سياق تطبيقات الجهاز غشاء رقيق؛ ولذلك، لديهم إلى ضعف أداء الضوئية مع الفجوة الفرقة عالية الطاقة (> 2 eV)6،،من78. وهكذا، سعينا إلى إيجاد طريقة جديدة لإنتاج المستندة إلى البزموت غشاء رقيق أشباه الموصلات، وصديقه للبيئة، والجو مستقرا، وفجوة الفرقة منخفضة الطاقة (< 2 eV)، النظر في تصميم المواد والمنهجية.

نقدم معالجة حل أية جي-بي-أنا الثلاثي الأغشية الرقيقة، التي يمكن أن تتبلور إلى اغبى2أنا7 و Ag2BiI5، لأشباه الموصلات خالية من الرصاص ومستقرة الهواء10،11. في هذه الدراسة اغبى2أنا تكوين7 ، يستخدم كمذيب بوتيلاميني ن في نفس الوقت حل يوديد الفضة (كونا) والسلائف (BiI3) يوديد البزموت. الخليط ملدن عند 150 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة في ن2وتدور-يلقي-ملء صندوق قفازات؛ وفي وقت لاحق، هي تطفئ الأفلام إلى درجة حرارة الغرفة. الأغشية الرقيقة الناتجة براون-أسود اللون. وبالإضافة إلى ذلك، يتم التحكم مورفولوجيا سطح وتكوين كريستال النظم الثلاثي Ag-ثنائية-أنا انلينغ درجات الحرارة ونسبة السلائف لكونا/BiI3. اغبى الناتج2أنا الأغشية الرقيقة7 يحمل هيكل بلوري مكعب مرحلة، مورفولوجيس السطحية كثيفة والسلس مع الحبوب الكبيرة من 200-800 نانومتر في الحجم، وفجوة فرقة بصرية من eV 1.87 بدءاً بامتصاص الضوء من موجه 740 نانومتر . وأفيد مؤخرا أن Ag-ثنائية-أنا الثلاثي: غشاء رقيق الخلايا الشمسية عن طريق الاستفادة المثلى من التراكيب كريستال وبنية الجهاز، تحقيق PCE 4.3 في المائة.

Protocol

1-إعداد عارية-الزجاج، ويخدر الفلور أكسيد القصدير (سنو2: و) ركائز

  1. لتنظيف زجاج العارية، ركائز يخدر الفلور أكسيد القصدير (إرهابية)، sonicate لهم تسلسلياً في محلول مائي يحتوي على 2% تريتون، منزوع (DI) المياه والاسيتون والكحول الأيزوبروبيل (IPA)، كل منهما لمدة 15 دقيقة.
  2. وضع ركائز تنظيفها في فرن تدفئة في 70 درجة مئوية ح 1 إزالة أصد المتبقية.

2-إعداد الاتفاق TiO2 طبقات (ج-TiO2) كتلة الإلكترونات

  1. لإعداد حل السلائف2 ج-TiO، إسقاط مل 0.74 من التيتانيوم إيسوبروبوكسيدي (تيب) ببطء إلى 8 مل إيثانول اللامائى (EtOH) بينما التحريك بقوة، ومن ثم سرعة ضخ 0.06 مل حامض الهيدروكلوريك (HCl) في الحل. إثارة الحل الناتج عن ذلك بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة.
    ملاحظة: استخدم قنينة زجاج 20 مل وتركيز 35-37% من HCl ومحرض مغناطيسية.
  2. تصفية الحل السلائف2 TiO ج المعدة باستخدام المحاقن وفلتر 0.2 ميكرون-المسامية-حجم، وأسقطه على الركازة إرهابية تنظيفها، وتدور الصب ثم الركيزة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية.
  3. حرارياً-يصلب ركائز بتدفئة لهم في فرن عند 500 درجة مئوية ح 1 وثم السماح لهم لتبرد بدرجة حرارة الغرفة.
  4. نقع ركائز في تيتانيوم 0.12 متر رابع كلوريد (تيكل4) حل مائي في 70 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة ويغسل لهم بدقة استخدام المياه دي لإزالة أي بقايا تيكل4.
  5. حرارياً يصلب-ركائز عند 500 درجة مئوية ح 1 وثم السماح لهم لتبرد بدرجة حرارة الغرفة لتحسين السطح البيني للطبقة2 ج-TiO. تخزين ج-TiO الناتج2-المغلفة ركائز في ن2-شغل الشروط حتى الاستخدام.

3-إعداد ميسوبوروس TiO2 طبقات (TiO م2) لتحسين استخراج إلكترون

  1. لإضافة إعداد حلاً السلائف TiO م2 ، ز 1 من 50 نانومتر الحجم TiO2 نانوحبيبات لصق (SC-HT040) بقنينة زجاج 10 مل مع 3.5 g من 2-بروبانول و 1 غرام من تيربينيول وثم يقلب كل شيء حتى اللصق قد حلت تماما.
    ملاحظة: 50 نانومتر الحجم TiO2 نانوحبيبات لصق عالية اللزوجة ويجب معالجتها بعناية باستخدام ملعقة.
  2. تدور-يلقي 200 ميليلتر من استعداد 50 نانومتر الحجم TiO2 نانوحبيبات لصق الحل 5,000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ثانية على ج-TiO2-المغلفة ركائز إرهابية.
  3. حرارياً يصلب-ركائز الناتج في فرن عند 500 درجة مئوية ح 1 وثم السماح لهم لتبرد بدرجة حرارة الغرفة.
  4. نقع ركائز في تيكل 0.12 متر4 محلول مائي على 70 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة ويغسل لهم تماما استخدام المياه دي لإزالة أي بقايا تيكل4.
  5. حرارياً يصلب-ركائز عند 500 درجة مئوية ح 1 وثم السماح لهم لتبرد بدرجة حرارة الغرفة لتحسين السطح البيني للطبقة2 م-TiO. تخزين الناتج ج-TiO2-و m-TiO2-المغلفة ركائز في ن2-شغل الشروط حتى تستخدم.

4-تصنيع اغبى2أنا الأغشية الرقيقة7

  1. علاج ركائز الزجاج العارية تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) مع كثافة mA 45/سم2 مع الأوزون الأشعة فوق البنفسجية نظافة لمدة 10 دقيقة ضمان ركائز نظيفة وماء. لا تعامل في ج وم TiO2-المغلفة ركائز إرهابية مع الأوزون الأشعة فوق البنفسجية أكثر نظافة.
    ملاحظة: حيود الأشعة السينية (XRD) وامتصاص وتحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (الأشعة تحت الحمراء مترا) الأطياف تم التحقيق في استخدام أية جي-بي-أنا الأغشية الرقيقة ملفقة على ركائز الزجاج العارية. ج وم TiO2-استخدمت المغلفة إرهابية ركائز لأجهزة الخلايا الشمسية.
  2. قوة دوامة 0.3 ز BiI3 (0.5087 ملمول)، ز 0.06 من كونا (0.2544 ملمول)، و 3 مل بوتيلاميني ن حتى يذوب كل شيء تماما وثم حقنه-تصفية المخلوط باستخدام 0.2 ميكرون-المسامية-الحجم تترافلوروايثيلين (PTFE) تصفية.
  3. إسقاط 200 ميليلتر من الحل السلائف على ركائز وتدور الصب ثم لهم في 6000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية مع رطوبة التي تسيطر عليها أقل من 20 في المائة. نقل الفيلم مصفر الحمراء الناتجة عن ذلك فورا إلى ن2-ملء صندوق قفازات جاهزة للصلب الحرارية.
  4. تبدأ الصلب الحرارية للفيلم الناتج في درجة حرارة الغرفة، ثم الحرارة الفيلم إلى 150 درجة مئوية، والحفاظ على درجة حرارة 150 درجة مئوية لإخماد 30 دقيقة بسرعة الفيلم الملدنة لدرجة حرارة الغرفة. وسيكون الفيلم النهائي لامعة وبراون-أسود لون. بسرعة إخماد الركيزة ملدن، إزالته من صفيحة التي تم تعيينها إلى 150 درجة مئوية.
  5. جي-بي-أنا الثلاثي الأغشية الرقيقة من تركيبة مختلفة، مثل مجموعة أستراليا2BiI5، تغيير نسبة المولى السلائف من كونا BiI3 من 1:2 إلى 2:1 واستخدم نفس الحجم من المذيب بوتيلاميني ن. يصلب الفيلم الناتج باستخدام الطريقة الموضحة أعلاه.
  6. التحقيق تعتمد على درجة حرارة Ag-ثنائية-أنا تشكيل استخدام زرد أنماط متر-الأشعة تحت الحمراء الأطياف ومورفولوجيس السطحية، وامتصاص الأطياف، استخدام درجات الحرارة انلينغ الحرارية من 90 و 110 و 150 درجة مئوية جي-بي-أنا الثلاثي الأغشية الرقيقة.

5-تصنيع الخلايا الشمسية يضع اغبى2باستخدام الأغشية الرقيقة7 أنا

  1. استخدام poly(3-hexylthiophene) (P3HT) كمادة نقل ثقب في اغبى2أنا7 غشاء رقيق الخلايا الشمسية. إضافة 10 مغ P3HT إلى 1 مل من كلور البنزين وثم يقلب الخليط عند درجة 50 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة حتى P3HT قد حلت تماما. التصفية باستخدام عامل تصفية PTFE ميكرومتر المسامية-حجم 0.2. تحضير وتخزين في P3HT في ن2-ملء علبة القفازات.
  2. قطره 100 ميليلتر P3HT حلت في كلور البنزين على اغبى2أنا7 الأغشية الرقيقة ملفقة في ج وم TiO2-المغلفة ركائز إرهابية، ويلقي تدور ثم ركائز على 4000 لفة في الدقيقة لمدة 30 ثانية في ن2-ملء صندوق قفازات. حرارياً-يصلب الفيلم P3HT في 130 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة للتوجه P3HT الهيكلية.
  3. استخدام مبخر حراري بمعدل ترسيب 0.5/s وبار نمط قناع الظل إيداع 100 نانومتر سميكة الذهب (Au) أقطاب كمعدن أعلى الاتصال في اغبى2أنا7 غشاء رقيق الخلايا الشمسية.

النتائج

فقد أفيد أن جي-بي-أنا الثلاثي النظم، التي تعتبر أشباه الموصلات الواعدة، تبلور في التراكيب المختلفة، مثل اغبى2أنا7وأجبيي4جي2BiI510، استناداً إلى نسبة كونا المولى إلى BiI3. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن أشكال كريستال الأكبر مع ا?...

Discussion

وقد قدمنا بروتوكول مفصل لتلفيق الحل Ag-ثنائية-أنا الثلاثي أشباه الموصلات، التي يمكن استغلالها كامتصاص الخالي من الرصاص الضوئية في غشاء رقيق الخلايا الشمسية مع أبنية الجهاز mesoscopic. ج-TiO2 طبقات تشكلت على ركائز إرهابية لتجنب تسرب الإلكترونات المتدفقة إلى أقطاب إرهابية. m-TiO2 طبقات ت?...

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

هذا العمل كان يدعمها دايجو جيونجبوك معهد علوم وبحوث التكنولوجيا (دجيست) وبرامج التنمية (البحث والتطوير) وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات و "تخطيط المستقبل من كوريا" (18-ET-01). وأيد هذا العمل أيضا معهد كوريا لتقييم تكنولوجيا الطاقة و Planning(KETEP)، ووزارة التجارة والصناعة و Energy(MOTIE) من جمهورية كوريا (رقم 20173010013200).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis)Afa Aesar7787-64-6stored in N2-filled condition
Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis)Afa Aesar7783-96-2stored in N2-filled condition
Butylamine 99.5%Sigma-Aldrich109-73-9
Triton X-100Sigma-Aldrich9002-93-1
Isopropyl alcohol (IPA)Duksan67-63-0Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxideSigma-Aldrich546-68-9≥97.0%
Ethyl alcoholSigma-Aldrich64-17-5200 proof, ACS reagent, ≥99.5%
Hydrochloric acidSAMCHUN7647-01-0Extra pure
Titanium tetrachloride (TiCl4)sharechem
50nm-sized TiO2 nanoparticle pastesharechem
2-propanolSigma-Aldrich67-63-0anhydrous, 99.5%
TerpineolMerck8000-41-7
Heating ovenWiseTherm
Oxygen (O2) plasmaAHTECH
X-ray diffraction (XRD)RigakuRigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation
(1.5406 Å wavelength).
Fourier transform infrared (FTIR)BrukerBruker Tensor 27
field-emission scanning electron microscope (FE-SEM)HitachiHitachi SU8230
UV-Vis spectraPerkinElmerPerkinElmer LAMBDA 950
Spectrophotometer
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)RBD InstrumentsPHI5500 Multi-Technique system

References

  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, &. #. 3. 0. 4. ;. A. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

139

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved