Solução-processados "Prata-bismuto-iodo" ternário filmes finos para absorventes de chumbo fotovoltaicos

Resumo

Neste documento, apresentamos protocolos detalhados para processados solução iodo-bismuto-prata (Ag-Bi-I) ternário semicondutor filmes finos fabricados em TiO₂-revestidos eletrodos transparentes e sua potencial aplicação como estável ao ar e chumbo dispositivos optoeletrônicos.

Resumo

Perovskites híbrido baseado em bismuto são considerados promissores foto-ativo semicondutores para aplicações de ambiente e ar-stable célula solar. No entanto, pobres morfologias de superfície e energias bandgap relativamente alta limitaram seu potencial. Prata-bismuto-iodo (Ag-Bi-I) é um semicondutor promissor para dispositivos optoeletrônicos. Portanto, demonstramos a fabricação de Ag-Bi-eu ternários filmes finos usando processamento de material solução. Os filmes finos resultantes exibem morfologias superfície controladas e bandgaps óptico de acordo com suas térmicas temperaturas de recozimento. Além disso, foi relatado que Ag-Bi-eu sistemas ternários cristalizar a Cristiana₂eu₇, Ag₂BiI₅, etc. de acordo com a relação entre os precursores químicos. A solução-processado Cristiana₂eu₇ filmes finos apresentam uma estrutura de cristal cúbica-fase, morfologias superfície densas, livre de pinhole com grãos variando em tamanho de 200 a 800 nm e um bandgap indireto de eV 1,87. O resultante Cristiana₂₇ filmes finos mostrar bom ar diagramas de banda de energia e estabilidade, bem como de superfície morfologias e bandgaps óptico adequado para chumbo e estável ao ar single-junção células solares. Muito recentemente, obteve-se uma célula solar com eficiência de conversão de energia de 4,3%, otimizando a composições de Ag-Bi-eu cristal e arquiteturas de dispositivo de célula solar.

Introdução

Solução-processado inorgânicas película fina células solares têm sido amplamente estudadas por muitos investigadores que pretendam converter luz solar diretamente em eletricidade^1,2,3,4,5. Com o desenvolvimento da arquitetura material de síntese e dispositivo, perovskites baseados em haleto de chumbo foram relatados para ser os melhores absorventes de célula solar com uma eficiência de conversão da energia (PCE) maior que 22%⁵. No entanto, estão crescendo as preocupações sobre o uso de chumbo tóxico, bem como problemas de estabilidade de perovskita haleto de chumbo em si.

Recentemente foi relatado que perovskites híbrido baseado em bismuto pode ser formada pela incorporação de cátions monovalentes em uma unidade complexa de iodeto de bismuto e que estes podem ser usados como absorventes de fotovoltaicos em mesoscópica célula solar arquiteturas^{6, 7,8}. A liderança nas perovskites pode ser substituída com bismuto, que tem o 6s² exterior par solitário; no entanto, metodologias de haleto de chumbo até agora apenas convencionais têm sido utilizadas para perovskites híbrido baseado em bismuto com estruturas complexas de cristal, apesar do fato de que eles têm os Estados de oxidação diferentes e propriedades químicas⁹. Além disso, estes perovskites têm morfologias superfície pobres e produzir filmes relativamente grossas no contexto de aplicativos de dispositivo de película fina; Portanto, eles têm um mau desempenho fotovoltaico com abertura-banda alta energia (> 2 eV)^6,7,8. Assim, nós procuramos encontrar um novo método para produzir a película fina semicondutores baseados em bismuto, que são ambientalmente amigável, estável ao ar, e tem baixa banda-energia (< 2 eV), considerando o projeto material e metodologia.

Apresentamos a solução-processado Ag-Bi-eu ternários filmes finos, que podem ser cristalizada a Cristiana₂₇ e Ag₂BiI₅, para semicondutores de chumbo e estável ao ar^10,11. No presente estudo para o Wellington₂₇ composição, n-Butilamina é usado como um solvente para dissolver simultaneamente o iodeto de prata (AgI) e precursores de bismuto iodeto (BiI₃). A mistura é spin-cast e recozido a 150 ° C por 30 min em um N₂-encheu a caixa de luva; posteriormente, os filmes são extinguidos à temperatura ambiente. Os filmes finos resultantes são marrom-escura na cor. Além disso, a morfologia de superfície e composição de cristal dos sistemas ternários de Ag-Bi-eu são controladas pelas altas temperaturas do recozimento e proporção de precursor de AgI/BiI₃. A resultante de Cristiana₂eu₇ filmes finos apresentam uma estrutura cristalina da fase cúbica, densas e lisas superfície morfologias com grandes grãos de 200-800 nm em tamanho e uma óptica de gap de energia de 1,87 eV começando a absorver a luz de um comprimento de onda de 740 nm . Recentemente foi relatado que otimizando a composições de cristal e a arquitetura do dispositivo, Ag-Bi-eu ternárias película fina células solares pode atingir uma PCE de 4,3%.

Protocolo

1. preparação de Bare-vidro dopado com flúor óxido de estanho (SnO₂: F) substratos

1. Para limpar o vidro bare, substratos de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), proceda à sonicação-las sequencialmente em uma solução aquosa contendo 2% Triton, deionizada (DI) água, acetona e álcool isopropílico (IPA), cada um por 15 min.
2. Coloque os substratos limpos no forno aquecimento a 70 ° C durante 1 h remover o IPA residual.

2. preparação do TiO Compact₂ camadas (c-TiO₂) para bloquear os elétrons

1. Para a preparação de uma solução de precursor de₂ c-TiO, soltar 0,74 mL de titânio isopropoxide (TTIP) lentamente em 8 mL de etanol anidro (EtOH) enquanto mexendo vigorosamente e então rapidamente injetar 0,06 mL de ácido clorídrico (HCl) a solução. Agite a solução resultante durante a noite em temperatura ambiente.
   Nota: Utilize um frasco de vidro de 20 mL, uma concentração de 35-37% de HCl e um agitador magnético.
2. Filtrar a solução de precursor de₂ c-TiO preparado usando uma seringa e um filtro de 0,2 µm-poro-tamanho, solte-o sobre o substrato FTO limpo e em seguida girar-elenco do substrato a 3.000 rpm por 30 s.
3. Termicamente-recozer os substratos por aquecimento em um forno a 500 ° C, durante 1 h e então lhes permitem arrefecer à temperatura ambiente.
4. Mergulhe os substratos em 0,12 M titânio tetracloreto (TiCl₄) solução aquosa a 70 ° C durante 30 minutos e depois lave-os cuidadosamente, com DI água para remover qualquer residual TiCl₄.
5. Termicamente-recozer os substratos a 500 ° C, durante 1 h e então deixar arrefecer à temperatura ambiente por uma melhoria interfacial da camada₂ c-TiO. Armazenar o resultante c-TiO₂-revestido de substratos em N₂-preenchido as condições até o uso.

3. preparação do TiO de mesoporos₂ camadas (m-TiO₂) para melhorar a extração do elétron

1. Para a preparação de uma solução de precursor de₂ m-TiO, adicione 1 g de 50 nm e médias TiO₂ nanopartículas Cole (SC-HT040) para um frasco de vidro de 10 mL com 3,5 g de 2-propanol e 1 g de terpineol e em seguida, misture tudo até o colar perfeitamente dissolvido.
   Nota: A 50 nm de tamanho TiO₂ nanopartículas colar é altamente viscoso e deve ser manuseado com cuidado usando uma espátula.
2. Rotação-elenco 200 µ l da solução preparada de 50 nm e médias TiO₂ nanopartículas colar a 5.000 rpm por 30 s para o c-TiO₂-revestido substratos FTO.
3. Termicamente-recozer os substratos resultantes em um forno a 500 ° C, durante 1 h e então lhes permitem arrefecer à temperatura ambiente.
4. Mergulhe os substratos em 0,12 M TiCl₄ solução aquosa a 70 ° C durante 30 minutos e depois lave completamente com água de DI para remover qualquer residual TiCl₄.
5. Termicamente-recozer os substratos a 500 ° C, durante 1 h e então deixar arrefecer à temperatura ambiente por uma melhoria interfacial da camada₂ m-TiO. Loja do c-TiO resultante₂- e m-TiO₂-revestido de substratos em N₂-preenchido as condições até usado.

4. fabricação de Cristiana₂eu₇ filmes finos

1. Trate os substratos de vidro nua sob uma lâmpada de ultravioleta (UV) com uma intensidade de 45 mA/cm² com um ozônio UV limpador para 10 min garantir que os substratos são limpos e hidrofílico. Não trate o TiO c - e m₂-revestido substratos FTO com o ozônio UV limpador.
   Nota: espectros de (FT-IR) infravermelhos-transformada de Fourier, absorção e difração de raios x (XRD) foram investigados usando Ag-Bi-eu filmes finos fabricados em substratos de vidro desencapado. O c - e m-TiO₂-substratos revestidos de FTO foram usados para dispositivos de célula solar.
2. Vigorosamente o vórtice 0,3 g de BiI₃ (0.5087 mmol), 0,06 g de AgI (0.2544 mmol), e 3 mL de n-Butilamina até que tudo é completamente dissolvido e depois seringa-filtrar a mistura usando um 0,2 µm-tamanho de poro de politetrafluoretileno (PTFE) do filtro.
3. Larguem a 200 µ l da solução de precursor para os substratos e em seguida girar-elenco a 6.000 rpm para 30 s, com uma umidade controlada abaixo dos 20%. Transferir imediatamente o filme vermelho-amarelado resultante para um N₂-enchido luvas pronta para recozimento térmico.
4. Começar o recozimento térmico do filme resultante à temperatura ambiente, em seguida, aqueça o filme a 150 ° C e manter uma temperatura de 150 ° C por 30 min. saciar rapidamente o filme recozido à temperatura ambiente. O último filme terá uma cor brilhante e marrom-escura. Para saciar rapidamente o substrato recozido, remova-o da placa que foi definida a 150 ° C.
5. Para Ag-Bi-eu ternários filmes finos de uma composição diferente, tais como Ag₂BiI₅, altere a relação molar de precursor de AgI para BiI₃ de 1:2 a 2:1 e use o mesmo volume do solvente n-Butilamina. Recoze o filme resultante usando o método descrito acima.
6. Para investigar a temperatura-dependente Ag-Bi-eu formação usando padrões XRD, espectros FT-IR, superfície morfologias e espectros de absorvância, use altas temperaturas do recozimento térmicas de 90, 110 e 150 ° C para os Ag-Bi-eu ternários filmes finos.

5. fabricação de células solares elabora usando Cristiana₂eu₇ filmes finos

1. Usar o poly(3-hexylthiophene) (P3HT) como um buraco-transportando material no Cristiana₂eu₇ células solares de película fina. Adicionar 10 mg de P3HT para 1 mL de clorobenzeno e em seguida, agitar a mistura a 50 ° C por 30 min, até o P3HT perfeitamente dissolvido. Usando um filtro PTFE 0,2 µm-poro-tamanho do filtro. Preparar e armazenar o P3HT em um N₂-encheu o porta-luvas.
2. Soltar 100 µ l do P3HT dissolvido em clorobenzeno para a Cristiana₂₇ filmes finos fabricados no c - e m-TiO₂-revestido substratos FTO e em seguida girar-elenco os substratos em 4.000 rpm para 30 s em um N₂-encheu o porta-luvas. Termicamente-recoza o filme P3HT a 130 ° C por 10 min para a orientação estrutural do P3HT.
3. Use um evaporador térmico com uma taxa de deposição de 0,5 Å / s e uma barra padrão máscara de sombra para depositar 100 eletrodos nm de espessura ouro (Au), como um metal top contato no Cristiana₂₇ células solares de película fina.

Resultados

Tem sido relatado que a Ag-Bi-eu ternários sistemas, que são considerados como promissoras semicondutores, são cristalizados em diversas composições, tais como Cristiana₂₇, AgBiI₄e Ag₂BiI₅,¹⁰, de acordo com a razão molar de AgI para BiI₃. Estudos anteriores mostraram que formas de cristal granel com várias composições de sistemas ternários de Ag-Bi-que podem ser sintetizadas experimentalmen...

Discussão

Nós fornecemos um protocolo detalhado para a preparação de solução de Ag-Bi-eu ternários semicondutores, que estão a ser explorados como absorventes de chumbo fotovoltaicos em células solares de película fina com arquiteturas de dispositivo mesoscópica. c-TiO₂ camadas foram formadas em substratos FTO para evitar o vazamento de elétrons fluindo para os eletrodos FTO. m-TiO₂ camadas foram formadas sequencialmente na c-TiO₂-revestido substratos FTO para melhorar as extrações de ...

Materiais

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