Soluzione di elaborazione "Silver-bismuto-iodio" ternario pellicole sottili per assorbitori di piombo fotovoltaici

Riepilogo

Qui, presentiamo protocolli dettagliati per soluzione-elaborati argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) ternario semiconductor film sottili fabbricato su TiO₂-rivestito elettrodi trasparenti e loro potenziale applicazione come aria-stabile e privo di piombo dispositivi optoelettronici.

Abstract

PEROVSKITI ibride basate su bismuto sono considerati promettenti fotoattivi semiconduttori per applicazioni di celle solari rispettosi dell'ambiente e aria-stabile. Tuttavia, povere morfologie di superficie e relativamente alta bandgap energie hanno limitato il loro potenziale. Argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) è un semiconduttore promettente per dispositivi optoelettronici. Di conseguenza, dimostriamo la fabbricazione di Ag-Bi-I ternario film sottile, utilizzando l'elaborazione materiale soluzione. Film sottili risultante presentano morfologie di superficie controllate e ottica bandgaps secondo loro termico temperature di ricottura. Inoltre, è stato segnalato che Ag-Bi-I sistemi ternari cristallizzare a Roberta₂ho₇, Ag₂BiI₅, ecc. secondo il rapporto di precursori chimici. La soluzione elaborata Roberta₂ho₇ pellicole sottili esibiscono una struttura di cristallo cubico-fase, dense, privo di foro stenopeico morfologie di superficie con grani che variano nel formato da 200 a 800 nm e un bandgap indiretta di 1,87 eV. Il risultante Roberta₂₇ pellicole sottili Visualizza una buona aria diagrammi banda stabilità ed energia, nonché di superficie morfologie e ottica bandgaps adatto per le celle solari di singola giunzione lead-free e aria-stabile. Molto recentemente, una cella solare con efficienza di conversione di potenza 4,3% è stata ottenuta ottimizzando le composizioni di Ag-Bi-I cristallo e architetture di dispositivo di celle solari.

Introduzione

Soluzione di elaborazione inorganiche celle solari a film sottile sono stati ampiamente studiate da molti ricercatori che cercano di convertire la luce solare direttamente in energia elettrica^1,2,3,4,5. Con lo sviluppo di architettura materiale di sintesi e dispositivo, perovskiti basati su alogenuri di piombo sono stati segnalati per essere i migliori assorbitori di celle solari con un'efficienza di conversione di energia (PCE) superiore a 22%⁵. Tuttavia, ci sono crescenti preoccupazioni circa l'uso di piombo tossico, così come problemi di stabilità del piombo-alogenuro perovskite stessa.

Recentemente è stato segnalato che perovskiti ibride basate su bismuto possono essere formato incorporando i cationi monovalenti in un'unità complessa di ioduro di bismuto e che questi possono essere usati come assorbitore di fotovoltaici in mesoscopici cella solare architetture^{6, 7,8}. Il cavo nelle perovskiti può essere sostituito con bismuto, che ha il 6s² coppia solitaria esterno; Tuttavia, metodologie ad alogenuri di piombo finora soltanto convenzionali sono stati utilizzati per perovskiti ibride basate su bismuto con strutture di cristallo complesso, nonostante il fatto che essi hanno diversi Stati di ossidazione e proprietà chimiche⁹. Inoltre, queste perovskiti hanno scarse superficie morfologie e producono film relativamente spesso nel contesto di applicazioni per dispositivi a film sottile; Pertanto, essi hanno un scarso rendimento fotovoltaico con spacco della fascia alta energia (> 2 eV)^6,7,8. Così, abbiamo cercato di trovare un nuovo metodo per produrre film sottile semiconduttori basati su bismuto, che sono rispettosi, aria-stabile, e hanno energia basso band-gap (< 2 eV), considerando il design dei materiali e la metodologia.

Vi presentiamo la soluzione elaborata Ag-Bi-I ternario film sottili, che può essere cristallizzato a Roberta₂₇ e Ag₂BiI₅, per semiconduttori lead-free e aria-stabile^10,11. In questo studio per Roberta₂I₇ composizione, n-butilammina è utilizzato come solvente per dissolvere simultaneamente l'ioduro d'argento (AgI) e bismuto ioduro (BiI₃) precursori. La miscela è spin-cast e ricotto a 150 ° C per 30 min in un N₂-riempito portaoggetti; Successivamente, i film vengono temprati a temperatura ambiente. I film sottili risultanti sono marrone-nero a colori. Inoltre, la morfologia superficiale e la composizione di cristallo di Ag-Bi-I sistemi ternari sono controllati dalla temperature di ricottura e rapporto di precursore di AgI/BiI₃. Roberta risultante₂ho₇ pellicole sottili presentano una struttura cristallina cubica fase, morfologie di superficie dense ed omogenea con grani di 200-800 nm in dimensioni grandi e un gap di banda ottica di 1,87 eV a partire di assorbire la luce da una lunghezza d'onda di 740 nm . Recentemente è stato segnalato che ottimizzando le composizioni di cristallo e architettura dei dispositivi, Ag-Bi-I ternarie film sottile celle solari possono raggiungere un PCE del 4,3%.

Protocollo

1. preparazione del nudo-vetro, drogato con fluoro ossido di stagno (SnO₂: F) substrati

1. Per pulire il vetro nudo, substrati drogati con fluoro ossido di stagno (FTO), li Sonicare in sequenza in una soluzione acquosa contenente 2% Triton, deionizzata (DI) acqua, acetone e alcool isopropilico (IPA), ciascuno per 15 min.
2. Mettere i substrati puliti in riscaldamento forno a 70 ° C per 1 h rimuovere il residuo IPA.

2. preparazione del compatto TiO₂ strati (c-TiO₂) per bloccare gli elettroni

1. Per la preparazione di una soluzione di precursore di c-TiO₂ , drop 0,74 mL di titanio isopropossido (TTIP) lentamente in 8 mL di etanolo anidro (EtOH), mentre mescolando vigorosamente e poi iniettare rapidamente 0,06 mL di acido cloridrico (HCl) nella soluzione. Agitare la soluzione risultante durante la notte a temperatura ambiente.
   Nota: Utilizzare un flaconcino di vetro da 20 mL, una concentrazione di 35-37% di HCl e un agitatore magnetico.
2. Filtrare la soluzione di precursore di preparati c-TiO₂ utilizzando una siringa e un 0,2 µm-poro-Dimensione filtro, rilasciarlo sul substrato FTO pulito e poi spin-cast al substrato, a 3.000 giri/min per 30 s.
3. Termicamente-tempra i substrati da loro riscaldamento in un forno a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente.
4. Mettere a bagno i substrati in soluzione acquosa 0,12 M titanio tetracloruro (TiCl₄) a 70 ° C per 30 min e poi lavarle accuratamente con acqua distillata per rimuovere qualsiasi residuo di TiCl₄.
5. Termicamente-tempra i substrati a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente per un miglioramento interfaccia dello strato₂ c-TiO. Memorizzare il risultante c-TiO₂-rivestito substrati in N₂-riempito condizioni fino all'utilizzo.

3. preparazione di mesoporosi TiO₂ strati (m-TiO₂) per migliorare l'estrazione di elettroni

1. Per la preparazione di una soluzione di precursore di₂ m-TiO, aggiungere 1 g di 50 nm e medie TiO₂ nanoparticella incollare (SC-HT040) di un flaconcino di vetro da 10 mL con 3,5 g di 2-propanolo e 1 g di Terpineolo e poi mescolate tutto fino a quando la pasta è perfettamente sciolto.
   Nota: I 50 nm e medie TiO₂ pasta nanoparticella è altamente viscoso e deve essere maneggiato con attenzione usando una spatola.
2. Spin-cast 200 µ l di 50 nm e medie TiO₂ nanoparticella incolla soluzione preparata a 5.000 giri/min per 30 s sul c-TiO₂-rivestito substrati FTO.
3. Termicamente-tempra i substrati risultanti in un forno a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente.
4. Immergere i substrati nella soluzione acquosa 0,12 M TiCl₄ a 70 ° C per 30 min e poi lavarli completamente utilizzando dell'acqua distillata per rimuovere qualsiasi residuo di TiCl₄.
5. Termicamente-tempra i substrati a 500 ° C per 1 h e poi lasciarli raffreddare a temperatura ambiente per un interfaccia miglioramento del livello di₂ m-TiO. Archivio il risultante c-TiO₂- e m-TiO₂-rivestito substrati in N₂-riempito condizioni fino a quando non utilizzato.

4. fabbricazione di Roberta₂ho₇ film sottili

1. Trattare i substrati di vetro nudo sotto una lampada a raggi ultravioletto (UV) con un'intensità di 45cm mA² con un ozono UV pulitore per 10 min garantire che i substrati sono pulite e idrofili. Non trattare il c - e m-TiO₂-rivestito substrati FTO con l'ozono UV pulitore.
   Nota: diffrazione di raggi x (XRD), assorbanza e gli spettri di Fourier infrarossi (FT-IR) sono stati studiati usando Ag-Bi-I film sottili fabbricati su substrati di vetro nudo. Il c - e m-TiO₂-substrati rivestiti FTO sono stati utilizzati per dispositivi a celle solari.
2. Vigorosamente vortice 0,3 g di BiI₃ (0.5087 mmol), 0,06 g di AgI (0,2544 mmol), e 3 mL di n-butilammina fino a quando tutto è completamente sciolta e quindi filtro per siringa la miscela utilizzando un 0,2 µm-poro-dimensione del politetrafluoroetilene (PTFE) del filtro.
3. Rilasciarli 200 µ l della soluzione precursore sui substrati e quindi spin-cast a 6.000 rpm per 30 s con un umidità controllata sotto il 20%. Trasferire immediatamente il film rosso-giallastro risultante a un N₂-riempito portaoggetti pronto per ricottura termica.
4. Iniziare la ricottura termica del film risultante a temperatura ambiente, poi il film a 150 ° C di calore e mantenere una temperatura di 150 ° C per 30 min. placare rapidamente il film ricotto a temperatura ambiente. Il finale del film avrà un colore lucido e marrone-nero. Per placare rapidamente il substrato ricotto, rimuoverlo dalla piastra calda che è stata impostata a 150 ° C.
5. Per Ag-Bi-I ternari pellicole sottili di una composizione diversa, ad esempio Ag₂BiI₅, modificare il rapporto molare di precursore di AgI a BiI₃ da 1:2 a 2:1 e utilizzare lo stesso volume del solvente n-butilammina. Tempri la pellicola risultante utilizzando il metodo sopra descritto.
6. Per studiare la temperatura-dipendente Ag-Bi-I formazione utilizzando modelli XRD, spettri FT-IR, morfologie di superficie e spettri di assorbanza, utilizzare termiche temperature di ricottura di 90, 110 e 150 ° C per l'Ag-Bi-I ternario film sottili.

5. fabbricazione di celle solari escogita utilizzando Roberta₂ho₇ film sottili

1. Utilizzare poly(3-hexylthiophene) (P3HT) come un buco-il trasporto di materiale in Luca₂ho₇ celle solari a film sottile. Aggiungere 10 mg di P3HT a 1 mL di clorobenzene e poi mescolare la miscela a 50 ° C per 30 min finché il P3HT è perfettamente sciolto. Filtrare utilizzando un filtro PTFE 0,2 µm-poro-dimensione. Preparare e conservare il P3HT in un N₂-riempito portaoggetti.
2. Goccia 100 µ l della P3HT dissolto in clorobenzene imbocca la Roberta₂ho₇ pellicole sottili fabbricati sul c - e m-TiO₂-rivestito substrati FTO e poi spin-cast i substrati a 4.000 giri/min per 30 s in un N₂-riempito portaoggetti. Termicamente-tempra il film P3HT a 130 ° C per 10 min per l'orientamento strutturale del P3HT.
3. Utilizzare un evaporatore termale con un tasso di deposizione di 0,5 Å / s e un bar modello maschera forata per depositare 100 elettrodi nm di spessore oro (Au), come un metallo superiore contatto in Luca₂I₇ celle solari a film sottile.

Risultati

È stato segnalato che l'Ag-Bi-I sistemi ternari, che sono considerare come promettente semiconduttori, sono cristallizzati in varie composizioni, come Roberta₂₇, AgBiI₄e Ag₂BiI₅¹⁰, secondo il rapporto molare di AgI a BiI₃. Precedenti studi hanno dimostrato che forme cristalline di massa con varie composizioni di Ag-Bi-I sistemi ternari possono essere sintetizzate sperimentalmente modificando il rapp...

Discussione

Abbiamo fornito un protocollo dettagliato per la realizzazione di soluzione di Ag-Bi-I semiconduttori ternari, che devono essere sfruttati come assorbitori di piombo fotovoltaici nelle celle solari a film sottile con architetture di dispositivo mesoscopica. c-TiO₂ strati sono stati formati su substrati FTO per evitare perdite di elettroni che scorre in elettrodi FTO. m-TiO₂ strati in sequenza sono stati formati su c-TiO₂-rivestito substrati FTO per migliorare le estrazioni di elettroni ge...

Materiali

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