הפתרון-מעובד "סילבר-ביסמוט-יוד" Ternary סרטים רזה עבור בולמי נטול עופרת פוטו

Summary

במסמך זה, אנו מציגים נתונים היסטוריים פרוטוקולים עבור פתרון-מעובד כסף-ביסמוט-יוד (Ag-Bi-I) ternary מוליכים למחצה סרטים רזה מפוברק TiO₂-מצופה אלקטרודות שקופות, שלהם פוטנציאל יישום אוויר-יציב, נטול עופרת מעגל התקנים.

Abstract

Perovskites מבוססי ביסמוט היברידית נחשבים מבטיחים צילום פעיל מוליכים למחצה עבור יישומים ידידותיים לסביבה, אוויר יציב תא פוטו-וולטאי. עם זאת, מורפולוגיות משטח מסכן ואנרגיות גבוהות יחסית bandgap מוגבלת הפוטנציאל שלהם. כסף-ביסמוט-יוד (Ag-Bi-I) הוא מוליך למחצה מבטיח עבור התקנים מעגל. לכן, נדגים הזיוף של Ag-Bi-אני ternary דק סרטים באמצעות עיבוד פתרון גשמי. הסרטים דק וכתוצאה מכך התערוכה מורפולוגיות משטח מבוקרת, bandgaps אופטי לפי שלהם תרמי חישול טמפרטורות. בנוסף, דווח כי מערכות ternary Ag-Bi-אני להתגבש AgBi₂אני₇, Ag₂BiI₅, ועוד על פי יחס חומרים כימיקלים. AgBi פתרון-מעובד₂אני₇ סרטים רזה התערוכה מבנה מעוקב-פאזי קריסטל, צפוף, ללא חריר מורפולוגיות משטח עם גרגרים החל בגודל של 200 עד 800 nm, ו bandgap עקיפה של 1.87 eV. תוצאות AgBi₂₇ סרטים רזה הצג טוב אוויר יציבות ואנרגיה דיאגרמות הלהקה, כמו גם על פני השטח מורפולוגיות, bandgaps אופטי מתאים תאים סולריים יחיד-צומת נטול עופרת, אוויר יציב. ממש לאחרונה, תא סולארי עם 4.3% כוח יעילות ההמרה הושג על-ידי מיטוב Ag-Bi-אני קריסטל יצירות וארכיטקטורות התקן תא פוטו-וולטאי.

Introduction

הפתרון-מעובד אורגניים סרט דק השמש תאים נחקרו באופן נרחב על ידי חוקרים רבים המבקשים להמיר את אור השמש ישירות לתוך חשמל^1,2,3,4,5. עם התפתחות האדריכלות סינתזה והתקן גשמי, עופרת מבוסס-הליד perovskites דווחו להיות בולמי תא פוטו-וולטאי הטובה ביותר עם כוח יעילות ההמרה (PCE) גדול מ- 22%⁵. עם זאת, שם גדל חששות לגבי השימוש של עופרת רעילה, כמו גם בעיות יציבות של פרוביסקיט עופרת-הליד עצמה.

לאחרונה דווח כי perovskites היברידית מבוססי ביסמוט יכול להיווצר על ידי שילוב קטיונים monovalent לתוך יחידה מורכבים של יודיד ביסמוט, כי אלה יכולים לשמש בתור בולמי פוטו mesoscopic תא פוטו-וולטאי ארכיטקטורות^{6, 7,8}. התפקיד הראשי perovskites יכול להיות מוחלף עם ביסמוט, שבו יש את השש² החיצוני קושרים; עם זאת, עופרת המקובלת עד כה רק הליד מתודולוגיות שימשו perovskites מבוססי ביסמוט היברידית עם מבנים מורכבים קריסטל, למרות העובדה כי יש להם מדינות חמצון שונים ומאפיינים כימיים⁹. בנוסף, perovskites אלה יש עניים מורפולוגיות משטח ולייצר סרטים עבה יחסית בהקשר של יישומי התקן סרט דק; לכן, יש להם הופעה פוטו המסכן עם הלהקה גבוהה-פער אנרגיה (> 2 eV)^6,7,8. לפיכך, אנו ביקשו למצוא שיטה חדשה לייצור מוליכים סרט דק מבוסס-ביסמוט, אשר אוויר יציב, ידידותי לסביבה, ויש פס נמוך-פער אנרגיה (< 2 eV), בהתחשב מתודולוגיה ועיצוב גשמי.

אנו מציגים פתרון-מעובד Ag-Bi-אני ternary סרטים רזה, אשר יכול להיות גיבש AgBi₂אני₇ ו- Ag₂BiI₅, מוליכים למחצה נטול עופרת ויציב אוויר^10,11. זה ללמוד AgBi₂אני קומפוזיציה₇ , n-butylamine משמש של הממס להתמוסס בו זמנית את יודיד הכסף (AgI) ואת ביסמוט יודיד (BiI₃) סימנים מקדימים. התערובת הוא ספין-שחקנים ו annealed ב 150 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות N₂-מלא הכפפות; לאחר מכן, הסרטים הם מתרצה לטמפרטורת החדר. הסרטים דק תוצאות הם בצבע חום-שחור בצבע. בנוסף, מורפולוגיה של פני השטח של הרכב קריסטל של Ag-Bi-אני ternary מערכות נשלטים על ידי טמפרטורות מחזק ויחס קודמן של אגי/BiI₃. AgBi שנוצר₂אני₇ סרטים רזה התערוכה מבנה גבישי שלב מעוקב, מורפולוגיות משטח צפופה וחלקה עם גרגירים גדולים של 200-800 nm, גודל, והפער של הלהקה אופטי של eV 1.87 מתחיל לקלוט אור אורך גל של 740 nm . לאחרונה דווח כי על-ידי מיטוב קריסטל יצירות ואדריכלות התקן, Ag-Bi-אני ternary סרט דק תאים סולריים ניתן להשיג PCE של 4.3%.

Protocol

1. הכנת חשופים-זכוכית, פלואור-מסטול פח אוקסיד (סנובורד₂: F) מצעים

1. כדי לנקות את הזכוכית חשופים, מצעים מסטול פלואור תחמוצת בדיל (FTO), sonicate אותם ברצף בתמיסה המימית המכיל 2% טריטון יונים (DI), אצטון ומים אלכוהול איזופרופיל (IPA), כל אחד למשך 15 דקות.
2. שים את סובסטרטים נקי בתנור חימום ב 70 ° C עבור h 1 כדי להסיר את שאריות IPA.

2. הכנה של TiO קומפקטי₂ שכבות (c-טיו₂) כדי לחסום את האלקטרונים

1. עבור הכנת פתרון קודמן₂ c-טיו, ירידה מ 0.74 ל isopropoxide טיטניום (TTIP) לאט לאט לתוך 8 מ"ל אתנול נטול מים (EtOH) בעוד לערבב נמרצות, ולאחר מכן הוסף במהירות 0.06 מ של חומצת מלח (HCl) לתוך הפתרון. מוסיפים את הפתרון שיתקבל ללילה בטמפרטורת החדר.
   הערה: השתמש בקבוקון זכוכית 20 מ"ל HCl בריכוז 35-37%, של פגים.
2. לסנן את הפתרון קודמן₂ c מוכן-טיו באמצעות מזרק ומסנן מיקרומטר נקבובית-בגודל 0.2, זרוק אותו על גבי המצע FTO נקי, ולאחר מכן ספין-שחקנים המצע ב-3000 סל ד ל 30 s.
3. תרמית-anneal מצעים ידי חימום אותם בתנור ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר.
4. להשרות את סובסטרטים 0.12 M טיטניום tetrachloride (TiCl₄) תמיסה מימית-70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולאחר מכן לשטוף אותם ביסודיות באמצעות די מים כדי להסיר את כל שאריות TiCl₄.
5. תרמית-anneal סובסטרטים ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר עבור שיפור פנים של השכבה₂ c-טיו. לאחסן את c-טיו וכתוצאה מכך₂-ציפוי דיאלקטריים N₂-מילוי התנאים עד השימוש.

3. הכנה של טיו Mesoporous₂ שכבות (m-טיו₂) כדי לשפר את הפקת אלקטרון

1. עבור הכנת פתרון קודמן₂ מ'-טיו, להוסיף 1 גר' בגודל ננומטר nanoparticle₂ של TiO 50 להדביק (SC-HT040) כדי בקבוקון זכוכית 10 מ עם 3.5 g של 2-פרופנול ו- 1g של terpineol וואז מערבבים עד הדבק יש התפרקה לחלוטין.
   הערה: 50 בגודל ננומטר TiO₂ nanoparticle הדבק בעלי צמיגות גבוהה, חייבים להיות בקפידה מטופלים בעזרת מרית.
2. µL 200 ספין-שחקנים מוכנים 50 בגודל ננומטר TiO₂ nanoparticle הדבק הפתרון ב- 5,000 סל ד ל 30 s על גבי ה-c-טיו₂-מצופה FTO סובסטרטים.
3. תרמית-anneal סובסטרטים הנוצרת בתוך תנור ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר.
4. להשרות את סובסטרטים 0.12 M TiCl₄ תמיסה מימית-70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולאחר מכן לשטוף אותם לחלוטין באמצעות די מים כדי להסיר את כל שאריות TiCl₄.
5. תרמית-anneal סובסטרטים ב 500 ° C עבור 1 h, ואז לאפשר להם להתקרר לטמפרטורת החדר עבור שיפור פנים של השכבה₂ מ'-טיו. לאחסן c-טיו וכתוצאה מכך₂- ו m-טיו₂-ציפוי דיאלקטריים N₂-מילוי התנאים עד בשימוש.

4. ייצור של AgBi₂אני₇ סרטים רזה

1. לפנק את הכוס החשוף סובסטרטים תחת מנורת אולטרה סגול (UV) עוצמה של אמא 45/cm² עם האוזון UV מנקה 10 דקות להבטיח כי מצעים נקיים, הידרופילית. אל תתייחס ה-c - ו m-טיו₂-מצופה FTO מצעים עם האוזון UV מנקה.
   הערה: רנטגן עקיפה (XRD), ספיגת ולאחר התמרת פורייה אינפרא-אדום (FT-IR) ספקטרה נחקרו באמצעות Ag-Bi-אני סרטים רזה מפוברק על זכוכית חשוף סובסטרטים. ה-c - ו m-טיו₂-ציפוי דיאלקטריים FTO שימשו עבור התקנים תא פוטו-וולטאי.
2. נמרצות מערבולת 0.3 גרם BiI₃ (0.5087 mmol), 0.06 גרם של אגי (0.2544 mmol), ו- 3 מ"ל של n-butylamine עד הכל היא התפרקה לחלוטין של 0.2 µm-גודל הנקבוביות טפלון (PTFE) לסנן באמצעות מזרק ואז-מסנן התערובת.
3. ירידה µL 200 של הפתרון קודמן של סובסטרטים ועל ואז ספין-שחקנים אותם ב- 6,000 סל ד ל 30 s עם לחות מבוקרת מתחת ל 20%. מיד להעביר את הסרט צהבהב-אדום תוצאות N₂-מלא הכפפות מוכן חישול תרמי.
4. להתחיל את חישול תרמי של הסרט שנוצר בטמפרטורת החדר, ואז מחממים הסרט עד 150 ° C, לשמור על חום של 150 מעלות במשך 30 דקות במהירות להרוות את הסרט annealed לטמפרטורת החדר. הסרט הסופי יהיה צבע מבריק, בצבע חום-שחור. כדי במהירות להרוות את המצע annealed, הסר אותה ממנה הכיריים אשר היה מוגדרת ל- 150 מעלות צלזיוס.
5. Ag-Bi-אני ternary דק הסרטים של הרכב שונה, כגון Ag₂BiI₅, לשנות את היחס טוחנת קודמן של אגי BiI₃ מ- 1:2 ל- 2:1 ולהשתמש באותו אמצעי אחסון של הממס n-butylamine. Anneal הסרט שנוצר באמצעות השיטה המתוארת לעיל.
6. כדי לחקור תלוית טמפרטורה Ag-Bi-אני היווצרות באמצעות XRD דפוסי FT-IR ספקטרה, משטח מורפולוגיות, ספיגת ספקטרה, השתמש תרמי מחזק בטמפרטורה של 90, 110 ו 150 ° C לסרטים Ag-Bi-אני ternary דק.

5. ייצור של תאים סולאריים Devises באמצעות AgBi₂אני₇ סרטים רזה

1. השתמש poly(3-hexylthiophene) (P3HT) כחומר הובלת חור AgBi₂אני₇ סרט דק תאים סולריים. להוסיף 10 מ ג של P3HT ל- 1 מ ל chlorobenzene, ואז מערבבים את התערובת ב 50 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות עד P3HT יש התפרקה לחלוטין. לסנן באמצעות מסנן PTFE 0.2 µm-גודל הנקבוביות. להכין ולאחסן את P3HT N₂-מלא את תא הכפפות.
2. זרוק 100 µL של P3HT מומס chlorobenzene אל AgBi₂אני₇ סרטים רזה מפוברק על c - ו m-טיו₂-מצופה FTO סובסטרטים ולאחר מכן ספין-שחקנים של סובסטרטים ב- 4,000 סל ד ל 30 s N₂-מילא את תא הכפפות. תרמית-anneal הסרט P3HT ב 130 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות האוריינטציה מבנית של P3HT.
3. להשתמש מפזר חום עם קצב התצהיר של 0.5 Å / s ובר תבנית המסיכה צל להפקיד 100 ננומטר בעובי זהב (Au) אלקטרודות מתכת העליון מגע AgBi₂אני₇ סרט דק תאים סולריים.

תוצאות

בעבר דווח כי Ag-Bi-אני ternary, אשר נחשבים מבטיחים מוליכים למחצה, המערכות גיבש בקומפוזיציות שונות, כגון AgBi₂אני₇, AgBiI₄ו- Ag₂BiI₅¹⁰, על פי היחס טוחנת של אגי BiI₃. מחקרים מוקדמים יותר הראו כי ניתן לייצרו השפעול בצובר טפסים קריסטל עם קומפוזיצ?...

Discussion

סיפקנו פרוטוקול מפורט עבור פתרון הזיוף של Ag-Bi-אני ternary מוליכים למחצה, אשר ניתן לנצל אותה בתור בולמי נטול עופרת פוטו על סרט דק תאים סולריים עם ארכיטקטורות התקן mesoscopic. c-טיו₂ השכבות נוצרו על מצעים FTO כדי למנוע דליפה אלקטרונים הזורמים אל האלקטרודות FTO. m-טיו₂ השכבות נוצרו ברצף על c-טיו

Materials

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