Solution-traité « Silver-Bismuth-iode » ternaire minces pour absorbeurs photovoltaïques sans plomb

Résumé

Ici, nous présentons des protocoles détaillés pour traitées-solution argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) ternaire semiconductor fabriquées sur TiO₂couches minces-enduit des électrodes transparentes et leurs applications potentielles comme stable à l’air et sans plomb dispositifs optoélectroniques.

Résumé

Pérovskites hybride à base de bismuth sont considérées comme prometteuses photo-actifs semiconducteurs pour des applications de cellule solaire respectueuse de l’environnement et stable à l’air. Cependant, mauvaises surfaces morphologies et énergies bandgap relativement élevés ont limité leur potentiel. Argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) est un semi-conducteur prometteur pour dispositifs optoélectroniques. Par conséquent, nous démontrons la fabrication des Ag-Bi-I ternaires films minces à l’aide de traitement de la solution matérielle. Les films minces qui en résulte pièce morphologies de surface contrôlées et minimiséedans optique selon leur thermique température de recuit. En outre, il a été rapporté que Ag-Bi-I systèmes ternaires se cristallisent à amelie₂j’ai₇, Ag₂BiI₅, etc. en fonction du rapport des précurseurs chimiques. La solution-traité amelie₂j’ai₇ films minces présentent une structure cristalline cubique-phase, morphologies surfaces denses, pinhole-free avec des grains d’une taille allant de 200 à 800 nm et une à bande interdite indirecte de 1,87 eV. La résultante d’amelie₂j’ai₇ films minces Voir la bonne stabilité et énergie des diagrammes de bande de l’air, ainsi que de surface morphologies et optique minimiséedans convenant sans plomb et stable à l’air simple-jonction des cellules solaires. Très récemment, une cellule solaire avec efficacité de conversion énergétique de 4,3 % a été obtenue en optimisant les compositions de cristal Ag-Bi-I et les architectures de dispositif de pile solaire.

Introduction

Solution-traité des cellules solaires minces inorganiques ont été largement étudiés par de nombreux chercheurs qui cherchent à convertir la lumière du soleil directement en électricité^1,2,3,4,5. Avec le développement de l’architecture matérielle de synthèse et dispositif, pérovskites axée sur l’iodure de plomb ont été signalés à être les meilleurs absorbeurs de cellules solaires avec une efficacité de conversion énergétique (PCE) supérieure à 22 %⁵. Toutefois, il se développent préoccupations au sujet de l’utilisation du plomb toxique, ainsi que des problèmes de stabilité de perovskite de plomb-halogénure lui-même.

On a récemment signalé que hybride basé sur bismuth pérovskites peuvent se former en incorporant des cations monovalents dans une unité complexe iodure de bismuth et que ceux-ci peuvent être utilisés comme absorbeurs photovoltaïques mésoscopique photopile architectures^{6, 7,8}. Le plomb dans les pérovskites peut être remplacé avec du bismuth, qui a la 6 s² doublet externe ; Cependant, méthodologies d’halogénure plomb jusqu’ici seulement conventionnels ont servi à pérovskites hybride à base de bismuth avec les structures cristallines complexes, malgré le fait qu’ils ont des États d’oxydation différents et propriétés chimiques⁹. En outre, ces pérovskites ont des morphologies surfaces pauvres et produisent des films relativement épaisses dans le contexte d’applications de périphérique minces ; par conséquent, ils ont une piètre performance photovoltaïque avec bande interdite haute énergie (> 2 eV)^6,7,8. Ainsi, nous avons cherché à trouver une nouvelle méthode pour produire axée sur le bismuth minces semi-conducteurs qui sont respectueuses de l’environnement, stable à l’air, et ont de l’énergie faible bande interdite (< 2 eV), compte tenu de la conception matérielle et la méthodologie.

Nous présentons la solution-traitées Ag-Bi-I ternaires minces, qui peuvent être cristallisé à amelie₂j’ai₇ et Ag₂BiI₅, pour les semi-conducteurs sans plomb et stable à l’air^10,11. Dans cette étude pour le Julien₂, j’ai₇ composition, n-butylamine est utilisé comme solvant pour dissoudre simultanément l’iodure d’argent (AgI) et de bismuth iodure (BiI₃) précurseurs. Le mélange est spin-cast et recuits à 150 ° C pendant 30 min dans un N₂-remplis la boîte à gants ; par la suite, les films sont trempés à température ambiante. Les films minces qui en résultent sont brun-noir en couleur. En outre, la morphologie de la surface et la composition de cristal des systèmes ternaires Ag-Bi-I sont contrôlés par la température de recuit et rapport précurseur AgI/BiI₃. La résultante d’amelie₂j’ai₇ films minces présentent une structure cristalline de phase cubique, morphologies surfaces denses et lisses avec gros grains de 200 à 800 nm en taille et un espace de bande optique de 1,87 eV commence à absorber la lumière de longueur d’onde de 740 nm . Récemment, il a été signalé qu’en optimisant les compositions de cristal et l’architecture de l’appareil, Ag-Bi-I ternaires couche mince des cellules solaires peut atteindre un PCE de 4,3 %.

Protocole

1. préparation du verre nu, dopé au fluor oxyde d’étain (SnO₂: F) substrats

1. Pour nettoyer le verre nu, substrats d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO), les ultrasons séquentiellement dans une solution aqueuse contenant 2 % Triton, désionisée (DI) l’eau, l’acétone et l’alcool isopropylique (IPA), chacun pendant 15 min.
2. Mettre les substrats nettoyés dans le four de chauffage à 70 ° C pendant 1 h supprimer le IPA résiduelle.

2. préparation de TiO Compact₂ couches (c-TiO₂) pour bloquer les électrons

1. Pour la préparation d’une solution de précurseur de₂ c-TiO, supprimez 0,74 mL de titane isopropylate (faite) lentement en 8 mL d’éthanol anhydre (EtOH) tout en remuant vigoureusement et puis rapidement injecter 0,06 mL d’acide chlorhydrique (HCl) dans la solution. Agiter la solution résultante du jour au lendemain à la température ambiante.
   Remarque : Utiliser un flacon de verre de 20 mL, une concentration de 35 à 37 % de HCl et un agitateur magnétique.
2. Filtrer la solution de précurseur de₂ c-TiO préparés à l’aide d’une seringue et un filtre à 0,2 µm-pores, déposez-le sur le substrat FTO nettoyé et puis rotation moulé le substrat à 3 000 tr/min pendant 30 s.
3. Thermiquement-recuire les substrats en les chauffant au four à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante.
4. Tremper les substrats dans une solution aqueuse à 0,12 M titane tétrachlorure (TiCl₄) à 70 ° C pendant 30 min et puis laver soigneusement avec l’eau distillée pour enlever tout résidu de TiCl₄.
5. Thermiquement-recuire les substrats à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante pendant une amélioration interfaciale de la couche₂ de c-TiO. Stocker le résultat c-TiO₂-enduit de substrats en N₂-rempli les conditions jusqu'à l’utilisation.

3. préparation de mésoporeux TiO₂ couches (m-TiO₂) pour améliorer l’Extraction des électrons

1. Pour la préparation d’une solution de précurseur de₂ m-TiO, ajoutez 1 g de 50 nm de moyennes TiO₂ NANOPARTICULE coller (SC-HT040) pour un flacon de verre de 10 mL avec 3,5 g de propanol-2 et 1 g de terpinéol et puis tout mélanger jusqu'à ce que la pâte soit parfaitement dissout.
   Remarque : Les 50 nm taille TiO₂ pâte nanoparticule est très visqueux et doit être manipulés avec précaution à l’aide d’une spatule.
2. Spin-cast 200 µL de la 50 nm taille TiO₂ NANOPARTICULE pâte solution préparée à 5 000 tr/min pendant 30 s sur le c-TiO₂-enduit de substrats de la FTO.
3. Thermiquement-recuire les substrats qui en résulte dans un four à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante.
4. Tremper les substrats dans la solution aqueuse, 0,12 M TiCl₄ à 70 ° C pendant 30 min et puis lavez-les complète à l’aide de l’eau distillée pour enlever tout résidu de TiCl₄.
5. Thermiquement-recuire les substrats à 500 ° C pendant 1 h et puis laissez-les refroidir à température ambiante pendant une amélioration interfaciale de la couche de₂ m-TiO. Magasin la résultant c-TiO₂- et m-TiO₂-enduit de substrats en N₂-rempli les conditions jusqu'à utilisation.

4. fabrication d’amelie₂j’ai₇ Films minces

1. Traiter les substrats de verre nu sous une lampe ultraviolette (UV) avec une intensité de 45 mA/cm² avec une ozone UV nettoyant pendant 10 min pour s’assurer que les substrats sont propres et hydrophile. Ne pas traiter le c - et m-TiO₂-enduit de substrats FTO avec l’ozone UV nettoyant.
   NOTE : diffraction des rayons x (DRX), absorbance, transformée de Fourier spectres et infrarouges (IR-TF) ont été étudiés à l’aide d’Ag-Bi-I films minces fabriquées sur des substrats de verre nu. Le c - et m-TiO₂-substrats revêtus de FTO ont été utilisées pour les dispositifs de la cellule solaire.
2. Vigoureusement vortex 0,3 g de BiI₃ (0.5087 mmol), 0,06 g de mga (0.2544 mmol), et 3 mL de n-butylamine jusqu'à ce que tout soit complètement dissout et de filtre de seringue puis le mélange en utilisant un 0,2 µm-pores polytétrafluoroéthylène (PTFE) du filtre.
3. Déposer 200 µL de la solution de précurseur sur les substrats et puis rotation moulé à 6 000 tr/min pendant 30 s avec une humidité contrôlée inférieure à 20 %. Transférer immédiatement le film rouge-jaunâtre qui en résultent à un N₂-rempli de boîte à gants prêt pour recuit.
4. Commencer le recuit thermique du film qui en résulte à température ambiante, puis chauffer le film à 150 ° C et maintenir une température de 150 ° C pour 30 min. étancher rapidement le film recuit à température ambiante. Le film final aura une couleur brun-noir et brillante. Pour rapidement étancher le substrat recuit, retirez-la de la plaque chauffante qui a été fixée à 150 ° C.
5. Pour Ag-Bi-I ternaires minces d’une composition différente, par exemple, Ag₂BiI₅, le rapport molaire de précurseur de l’AgI par BiI₃ de 1:2 à 2:1 et utiliser le même volume de solvant n-butylamine. Recuire le film résultant à l’aide de la méthode décrite ci-dessus.
6. Pour étudier la fonction de la température Ag-Bi-I formation à l’aide de schémas XRD, spectres FT-IR, surfaces morphologies et spectres d’absorbance, utiliser des températures de recuit thermiques de 90, 110 et 150 ° C pour les films minces ternaires de l’Ag-Bi-I.

5. fabrication de cellules solaires conçoit à l’aide de julien₂j’ai₇ Films minces

1. Utilisez poly(3-hexylthiophene) (P3HT) comme matériau de trou-transport à la Dario₂j’ai₇ couche mince des cellules solaires. Ajouter 10 mg de P3HT à 1 mL de chlorobenzène et puis remuez le mélange à 50 ° C pendant 30 min jusqu'à ce que le P3HT a parfaitement dissout. Filtrer à l’aide d’un filtre en PTFE 0,2 µm-pores. Préparer et stocker le P3HT dans un N₂-remplis la boîte à gants.
2. Déposer 100 µL de la P3HT dissous dans chlorobenzène sur la amelie₂j’ai₇ couches minces fabriquées sur le c - et m-TiO₂-FTO substrats revêtus et puis essorage-cast les substrats à 4 000 tr/min pendant 30 s dans un N₂-remplis la boîte à gants. Thermiquement-recuire le film P3HT à 130 ° C pendant 10 min pour l’orientation structurelle du P3HT.
3. Utiliser un évaporateur thermique avec une vitesse de déposition de 0.5 Å / s et un bar modèle masque d’ombre à déposer 100 électrodes nm d’épaisseur or (Au) comme un métal haut de la page contact de julien₂₇ couche mince des cellules solaires.

Résultats

Il a été signalé que les Ag-Bi-I systèmes ternaires, qui sont considérées comme prometteuses de semi-conducteurs, sont cristallisées dans des compositions différentes, comme Julien₂j’ai₇, AgBiI₄et Ag₂BiI₅¹⁰, conformément à le rapport molaire des MGA à BiI₃. Des études antérieures ont montré que les formes cristallines en vrac avec diverses compositions de systèmes ternaires Ag-Bi-I p...

Discussion

Nous avons fourni un protocole détaillé pour la fabrication de la solution de Ag-Bi-I semi-conducteurs ternaires, qui devront être exploités comme absorbeurs de plomb photovoltaïques en couche mince des cellules solaires avec des architectures de dispositif mésoscopique. c-TiO₂ couches sont forment sur des substrats de la FTO pour éviter les fuites d’électrons qui se jettent dans les électrodes de la FTO. m-TiO₂ couches se forment successivement sur c-TiO₂-enduit de substrats d...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis)	Afa Aesar	7787-64-6	stored in N2-filled condition
Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis)	Afa Aesar	7783-96-2	stored in N2-filled condition
Butylamine 99.5%	Sigma-Aldrich	109-73-9
Triton X-100	Sigma-Aldrich	9002-93-1
Isopropyl alcohol (IPA)	Duksan	67-63-0	Electric High Purity GRADE
Titanium(IV) isopropoxide	Sigma-Aldrich	546-68-9	≥97.0%
Ethyl alcohol	Sigma-Aldrich	64-17-5	200 proof, ACS reagent, ≥99.5%
Hydrochloric acid	SAMCHUN	7647-01-0	Extra pure
Titanium tetrachloride (TiCl4)	sharechem
50nm-sized TiO2 nanoparticle paste	sharechem
2-propanol	Sigma-Aldrich	67-63-0	anhydrous, 99.5%
Terpineol	Merck	8000-41-7
Heating oven	WiseTherm
Oxygen (O2) plasma	AHTECH
X-ray diffraction (XRD)	Rigaku		Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation (1.5406 Å wavelength).
Fourier transform infrared (FTIR)	Bruker		Bruker Tensor 27
field-emission scanning electron microscope (FE-SEM)	Hitachi		Hitachi SU8230
UV-Vis spectra	PerkinElmer		PerkinElmer LAMBDA 950 Spectrophotometer
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)	RBD Instruments		PHI5500 Multi-Technique system