솔루션 처리 "실버-비스무트-요오드" 삼항 박막 리드 무료 태양광 흡수에 대 한

요약

여기, 우리는 솔루션 처리 실버-비스무트-요오드 (Ag-Bi-나) 삼항 반도체에 대 한 상세한 프로토콜 얇은 필름에 티 오₂조작 제시-투명 전극 및 그들의 공기-안정으로 잠재적인 응용 프로그램 및 리드-프리 코팅 광전자 장치입니다.

초록

비스무트 기반 하이브리드 perovskites는 환경 친화적이 고 공기 안정적인 태양 전지 응용 프로그램에 대 한 유망한 사진-액티브 반도체로 간주 됩니다. 그러나, 불 쌍 한 표면 형태학 및 상대적으로 높은 밴드 갭 에너지는 그들의 잠재력을 제한 했다. 실버-비스무트-요오드 (Ag-Bi-나) 광전자 장치에 대 한 유망 반도체 이다. 따라서, Ag-Bi-난 삼항 박막 소재 솔루션 처리를 사용 하 여 제작을 설명 합니다. 결과 박막 제어 표면 형태학 및 그들의 열 어 닐 링 온도 따라 광 bandgaps 전시. 또한, 그것은으로 알려졌다는 Ag-Bi-나 삼진 시스템 구체화 AgBi₂나₇, Ag₂BiI₅, 선구자 화학 제품의 비율에 따라 등 . 솔루션 처리 AgBi₂나₇ 박막 전시 큐빅 상 결정 구조, 곡물 800 200에서 크기에 이르기까지와 밀도, pinhole 무료 표면 형태학, 및 1.87 eV의 간접 밴드 갭. 결과 AgBi₂나₇ 박막 보기 좋은 안정성과 에너지 밴드 다이어그램에 어로 표면 형태학 및 광학 bandgaps 무연 고 공기 안정적인 단일 접합 태양 전지에 적합. 아주 최근에, 4.3% 전원 변환 효율을 가진 태양 전지 Ag-Bi-나 크리스탈 작곡 및 태양 전지 장치 아키텍처를 최적화 하 여 얻은 했다.

서문

무기 박막 태양 전지 솔루션 처리 널리 전기^1,2,3,,45에 직접 햇빛을 변환 하고자 하는 많은 연구원에 의해 공부 되었다. 소재 합성 및 소자 구조의 개발, 리드 할로겐 기반 perovskites는 전력 변환 효율 (PCE) 22⁵보다 큰 함께 최고의 태양 전지 흡수 되도록 보고 되었습니다. 그러나, 독성 리드의 사용 뿐만 아니라 리드-할로겐 페로 자체의 안정성 문제에 대 한 우려가 커지고 있다.

그것은 최근에 알려졌다 비스무트 기반 하이브리드 perovskites 비스무트 요오드 화물 복잡 한 단위에 여러차례 양이온 및 이러한 생체 태양 전지 아키텍처^{6, 태양광 흡수로 사용할 수 있습니다 통합 하 여 형성 될 수 있다 7,8}. perovskites에 리드는 기가 있는 비스무트로 대체 될 수 있다² 외부 고독한 쌍; 그러나, 지금까지 기존의 리드 할로겐 방법론 비스무트 기반 하이브리드 perovskites 그들은 서로 다른 산화 상태 및 화학 속성⁹을 있다는 사실에도 불구 하 고 복잡 한 결정 구조에 대 한 사용 되었습니다. 또한, 이러한 perovskites 가난한 표면 형태학 있고 박막 장치 응용 프로그램;의 맥락에서 상대적으로 두꺼운 필름 생산 따라서, 그들은 높은 밴드 갭 에너지 (> 2 eV)^6,,78태양광 성능이 있다. 따라서, 우리 하고자 했다 비스무트 기반 박막 반도체, 친환경, 공기-안정은 생산 하는 새로운 방법을 찾아서 낮은 밴드 갭 에너지 (< 2 eV), 소재 설계 및 방법론 고려.

우리 솔루션 처리 Ag-Bi-난 삼항 박막, 될 수 있는 현재의₇ 과 Ag₂BiI₅, 무연 고 공기 안정 반도체^10,11AgBi₂나을 결정. 이 연구 AgBi₂₇ 구성, n-butylamine 동시에 요오드 화는 (AgI) 및 비스무트 요오드 화물 (BiI₃) 선구자를 분해 하는 용 매로 사용 된다. 혼합물은 스핀 캐스트 및 N₂에서 30 분 동안 150 ° C에서 단련-장갑 상자를 가득 그 후, 영화는 실내 온도에 침묵. 결과 박막은 브라운 블랙 컬러로. 또한, 표면 형태 및 크리스탈 구성 Ag-Bi-나 삼진 시스템의 어 닐 링 온도 AgI/BiI₃의 선구자 비율에 의해 제어 됩니다. 결과 AgBi₂나₇ 박막 전시 입방 단계 결정 구조, 크기, 200-800 nm의 큰 알갱이와 740의 파장에서 빛을 흡수 하기 시작 1.87 eV의 광 밴드 갭 조밀 하 고 매끄러운 표면 형태학 nm . 그것은 최근에 알려졌다 크리스탈 작곡 및 장치 아키텍처를 최적화 하 여 Ag-Bi-난 삼항 박막 태양 전지 4.3%의 PCE 달성할 수 있다.

프로토콜

1. 준비 맨-유리, 불 소 첨가의 주석 산화물 (SnO₂: F) 기판

1. 맨 손으로 유리, 주석 산화물 불 소 첨가 (FTO) 기판 청소, sonicate 그들 순차적으로 2% 트리톤, 이온 (DI) 물, 아세톤, 그리고 이소프로필 알코올 (IPA), 15 분 각각을 포함 하는 수성 해결책에서.
2. 청소 기판 1 h 잔여 IPA를 제거를 위한 70 ° C에서가 열 오븐에 넣어.

2. 전자 차단 소형 티 오₂ 레이어 (c-티 오₂)의 준비

1. C-티 오₂ 전조 솔루션의 준비에 대 한 적극적으로, 감동 하는 동안 무수 에탄올 (EtOH)의 8 mL로 천천히 티타늄 isopropoxide (t t i P)의 0.74 mL를 삭제 하 고 신속 하 게 솔루션으로 염 산 (HCl)의 0.06 mL 주입. 실 온에서 하룻밤 결과 솔루션을 저 어.
   참고: 20 mL 유리 유리병, 35-37% 농도의 HCl, 그리고는 자력을 사용 합니다.
2. 주사기와 0.2 µ m 기 공 크기 필터를 사용 하 여 준비 c-티 오₂ 전조 솔루션 필터링, 드롭 그것 청소 FTO 기판에 및 다음 스핀 캐스트 30 3000 rpm에서 기판 s.
3. 열-anneal는 기판 1 시간 500 ° C에서 오븐에서 그들을 열 하 고 실내 온도에 냉각 하도록 허용.
4. 0.12 M 티타늄 사염화 (TiCl₄) 수성 해결책에서 30 분 동안 70 ° C에는 기판 흡수 하 고 철저 하 게 디 물을 사용 하 여 모든 잔여 TiCl₄제거 그들을 씻어 다음.
5. 1 시간 500 ° C에서 기판 열 anneal 고 c-티 오₂ 층의 계면 개선 위한 실내 온도에 냉각 하도록 허용. 저장 결과 c-티 오₂-N₂기판 코팅-사용까지 조건 가득.

3. 전자 추출 향상 Mesoporous 티 오₂ 레이어 (m-티 오₂)의 준비

1. M-티 오₂ 전조 솔루션의 준비 추가 1 g 50 nm 크기의 티 오₂ 나노의 3.5 g 2-프로 판 올 및 terpineol의 1 g 10ml 유리 약 병을 (사우스 캐롤라이나-HT040)를 붙여 고 붙여넣기 완벽 하 게 해산 했다 때까지 다음 모든 것을 저 어.
   참고: 50 nm 크기의 티 오₂ 나노 붙여넣기 높은 점성 이며 신중 하 게 주걱을 사용 하 여 처리 되어야 합니다.
2. 준비 된 50 nm 크기의 티 오₂ 나노 붙여넣기 솔루션 30 5000 rpm의 스핀 캐스트 200 µ L c-티 오₂에 s-FTO 기판 코팅.
3. 열-anneal 오븐에서 1 h 동안 500 ° C에 결과 기판 고 실내 온도에 냉각 하도록 허용.
4. 30 분 동안 70 ° C에서 0.12 M TiCl₄ 수성 해결책에는 기판을 담근 다 고 완전히 디 물을 사용 하 여 모든 잔여 TiCl₄제거 그들을 씻어.
5. 1 시간 500 ° C에서 기판 열 anneal 고 m-티 오₂ 층의 계면 개선 위한 실내 온도에 냉각 하도록 허용. 저장 결과 c-티 오₂-및 m-티 오₂-N₂기판 코팅-까지 사용 조건 가득.

4. AgBi₂의 제조 나₇ 박막

1. 45 mA/cm² UV 오존의 농도 자외선 (UV) 램프 아래 맨 유리 기판 취급 청소기는 기판 깨끗 하 고 친수성 되도록 10 분. C와 m 티 오₂를 취급 하지 않습니다-청소기 UV 오존으로 FTO 기판 코팅.
   참고: x 선 회절 (XRD), 흡 광도, 및 퓨 리에 변환 적외선 (FT-적외선) 스펙트럼 Ag-Bi-나 조작 맨 유리 기판에 얇은 필름을 사용 하 여 조사 되었다. C와 m 티 오₂-코팅된 FTO 기판 태양 전지 장치를 위해 사용 되었다.
2. 적극적으로 소용돌이 BiI₃ (0.5087 mmol), AgI의 0.06 g의 0.3 g (0.2544 mmol), 0.2 µ m 기 공 크기 소계 (PTFE) 필터를 사용 하 여 모든 것은 완전히 용 해 될 때까지 n-butylamine의 3 mL 및 다음 주사기-필터 혼합물.
3. 삭제는 기판에 및 다음 스핀 캐스트 전조 솔루션의 200 µ L 30 6000 rpm 제어 습도 20 %s. N₂에 결과 노란 레드 영화를 즉시 전송-장갑 상자 열 어 닐 링에 대 한 준비를 가득.
4. 실내 온도에, 결과 영화의 열 어 닐 링을 시작 다음 150 ℃, 영화를 열 고 30 분 신속 하 게 단련된 영화 실내 온도에 냉각에 대 한 150 ° C의 온도 유지 한다. 마지막 영화 반짝하 고 브라운-블랙 색상을 가질 것 이다. 신속 하 게 단련된 기판 끄다, 150 ° c.로 설정 핫 플레이트에서 제거
5. 영화에 대 한 Ag-Bi-나 삼진 얇은 Ag₂BiI₅와 같은 다른 구성의 1:2: 1로 2에서 BiI₃ AgI의 선구자 어 금 니 비율을 변경 하 고 같은 양의 n-butylamine 용 매를 사용 하 여. 위에서 설명한 방법을 사용 하 여 결과 영화 anneal
6. 온도 따른 Ag-Bi-나 형성 XRD 패턴, FT-적외선 스펙트럼, 표면 형태학 및 흡 광도 스펙트럼을 사용 하 여 조사, 영화에 대 한 Ag-Bi-나 삼진 얇은 90, 110, 150 ° C의 열 어 닐 링 온도 사용 합니다.

5. 태양 전지 제작 이라도 AgBi₂를 사용 하 여 난₇ 박막

1. AgBi₂에 수송 하는 구멍 물자로 poly(3-hexylthiophene) (P3HT)을 사용 하 여 난₇ 박막 태양 전지. Chlorobenzene의 1 mL에 P3HT의 10 밀리 그램을 추가 하 고은 P3HT는 완벽 하 게 해산 될 때까지 30 분 동안 50 ° C에서 혼합물을 저 어. 0.2 µ m 기 공 크기 PTFE 필터를 사용 하 여 필터링 합니다. 준비 하 고 N₂는 P3HT 저장-장갑 상자를 가득.
2. 드롭 100는 P3HT의 µ L에에서 녹아 chlorobenzene AgBi₂에 나₇ 박막에 c 그리고 m 티 오₂조작-FTO 기판, 및 다음 스핀 캐스트 30 4000 rpm에서 기판 코팅 N₂s-장갑 상자를 가득. 열-anneal P3HT의 구조 방향에 대 일 분 동안 130 ° C에서 P3HT 필름.
3. 0.5의 증 착 속도와 열 증발 기를 사용 하 여 Å / s와 바 최고 금속 연락처 AgBi₂나₇ 박막 태양 전지 100 nm 두꺼운 금 (Au) 전극 입금 그림자 마스크 패턴.

결과

그것은 알려졌다 Ag-Bi-나 삼진 시스템, 유망 반도체로 간주 되는₇, AgBiI₄및 Ag₂BiI₅¹⁰, AgBi₂등 다양 한 작품에서 나가 결정에 따라 BiI₃AgI의 어 금 니 비율. Ag-Bi-나 삼진 시스템의 다양 한 구성으로 대량 크리스탈 형태의 실험적 AgI와 BiI₃ 의 어 금 니 비율을 변경 하 여 종합 될 수 있으며 그 각 구성 다른 XR...

토론

우리는 Ag-Bi-나 삼진 반도체, 생체 소자 구조와 박막 태양 전지에 태양광 무연 흡수로 악용 될 수 있는 솔루션 제작에 대 한 자세한 프로토콜을 제공. c-티 오₂ 레이어 FTO 전극에 흐르는 전자 누설을 피하기 위해 FTO 기판에 형성 되었다. m-티 오₂ 층 c-티 오₂에 순차적으로 형성 되었다-태양광 흡수 (즉, Ag-Bi-나 얇은 필름)에서 생성 된 전자 기사 개선 FTO 기판 코팅. C-티 오...

자료

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