Решение обработано «Серебро висмут йод» тройных тонких пленок для свинца фотоэлектрических амортизаторы

Резюме

Здесь, мы представляем подробные протоколы для решения обработано серебро висмут йод (АГ-Bi-I) троичной полупроводниковых пленок на TiO₂-покрытая прозрачным электродов и их потенциальное применение как воздух stable и свинца бесплатно оптоэлектронные устройства.

Аннотация

На основе висмута гибридные перовскитов рассматриваются как перспективных фото активные полупроводников для окружающей среды и воздуха stable солнечной ячейки приложений. Однако бедные поверхности морфологии и относительно высокой bandgap энергий ограничили их потенциал. Серебро висмут йод (Ag-Bi-I) является перспективным полупроводниковых оптоэлектронных устройств. Таким образом мы демонстрируем изготовление Ag-Bi я троичного тонких пленок, с использованием материала решения обработки. Результате тонких пленок проявлять контролируемой поверхности морфологии и оптических нанофотоэлектролиза, согласно их тепловой температуры отжига. Кроме того, сообщалось, что АГ-Bi я тройных систем кристаллизуются индекс AgBi₂я₇, Ag₂ВП₅и т.д. по словам соотношение химических веществ – прекурсоров. Решение обработано индекс AgBi₂я₇ тонких пленок проявлять кубической фазы кристаллической структуры, плотные, Пинхол бесплатный морфологии поверхности с зернами размером от 200 до 800 Нм и косвенные bandgap 1.87 eV. В результате индекс AgBi₂я₇ тонких пленок показать хороший кондиционер энергии и стабильности группы диаграмм, а также поверхности морфологии и оптических нанофотоэлектролиза подходит для свинца и воздуха stable сингл сочленения солнечных батарей. Совсем недавно солнечных батарей с 4,3% эффективности преобразования энергии был получен путем оптимизации Ag-Bi я кристалл композиции и архитектуры устройств солнечных батарей.

Введение

Решение обработанных неорганическими тонкопленочных солнечных батарей были широко изучены многих исследователей, стремящихся преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество^1,2,3,4,5. С развитием архитектуры материала синтеза и устройства ведущий галогенид основе перовскитов поступили быть лучшим амортизаторы солнечных батарей с эффективности преобразования энергии (PCE) больше 22%⁵. Однако растет обеспокоенность по поводу использования токсичных свинца, а также вопросы стабильности свинца галоидных перовскита, сам.

Недавно было сообщено, что на основе висмута гибридные перовскитов может быть создана путем включения моновалентной катионов в сложных блок Иодид висмута и что они могут использоваться как фотоэлектрические амортизаторы в мезоскопических фотоэлемент архитектуры^{6, 7,8}. Ведущую роль в перовскитов может быть заменен с висмута, который имеет 6s² наружная Лон пара; Однако пока только обычных свинцовых галоидных методологии были использованы для совместной работы на основе висмута перовскитов со сложными кристаллических структур, несмотря на тот факт, что они имеют различные степени окисления и химические свойства⁹. Кроме того эти перовскитов имеют плохой поверхности морфологии и производят относительно толстые фильмов в контексте приложений тонкопленочных устройств; Таким образом они имеют плохой фотоэлектрических производительность с высоким запрещенной зоны энергии (> 2 eV)^6,,78. Таким образом мы стремились найти новый метод для производства на основе висмута тонкопленочных полупроводников, которые являются экологически чистые, воздух стабильной, и имеют низкий запрещенной зоны энергии (< 2 eV), учитывая дизайн материала и методологии.

Мы представляем решение обработано Ag-Bi я троичного тонких пленок, которые могут быть кристаллизуется в индекс AgBi₂я₇ и Ag₂ВП-₅, для свинца и воздуха stable полупроводников^10,11. В это исследование индекс AgBi₂я₇ композиция, n бутиламин используется как растворитель одновременно распустить йодистого серебра (AgI) и висмута йодид (₃ВП) прекурсоров. Смесь спин литой и отожженной при 150 ° C на 30 мин в N₂-заполнены перчаточный ящик; Впоследствии фильмы закалку до комнатной температуры. Результирующая тонких пленок Браун черный цвет. Кроме того на поверхности морфологии и кристалл состав тройных систем Ag-Bi я находятся под контролем температуры нагрева при отжиге и прекурсоров соотношение AgI/ВП₃. В результате индекс AgBi₂я₇ тонких пленок проявлять кубической фазы кристаллической структуры, густой и гладкой поверхности морфологии с большими зерна 200-800 Нм в размер и оптический полоса разрыв 1.87 eV, начинают поглощать свет с длиной волны 740 Нм . Недавно сообщалось, что оптимизируя кристалл композиции и архитектуры устройств, Ag-Bi я троичного тонкопленочных солнечных элементов может достичь PCE 4,3%.

протокол

1. Подготовка голые стекла, легированный фтором оксида олова (SnO₂: F) подложках

1. Чтобы очистить голые стекло, легированный фтором оксид олова (ИТО) субстратов, sonicate их последовательно в водный раствор, содержащий 2% Тритон, деионизированную (DI) воды, ацетон и изопропиловый спирт (IPA), продолжительностью 15 мин.
2. Положите очищенный субстратов в Отопление печи при 70 ° C для 1 h удалить остаточные МФА.

2. Подготовка компактных TiO₂ слоя (₂c Тио) блокировать электроны

1. Для приготовления раствора прекурсоров c-TiO₂ оставьте 0,74 мл титана isopropoxide (TTIP) медленно в 8 мл безводного этилового спирта (EtOH) при перемешивании энергично и затем быстро внедрить 0,06 мл соляной кислоты (HCl) в решение. Смешайте полученный раствор на ночь при комнатной температуре.
   Примечание: Используйте стеклянный флакон 20 мл, 35-37% концентрации HCl и магнитной мешалкой.
2. Фильтр подготовленный c-TiO₂ прекурсоров решения с помощью шприца и 0,2 мкм поры фильтра, поместите его на очищенную FTO подложку и затем спин литой субстрата при 3000 об/мин за 30 s.
3. Термически отжиг субстратов путем нагревать их в духовке при температуре 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры.
4. Замочите субстратов в водном растворе 0,12 М титана тетрахлорид (₄TiCl) при 70 ° C за 30 минут, а затем вымыть их тщательно с помощью DI воды для удаления любых остаточных TiCl₄.
5. Термически отжиг субстратов на 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры для поверхностное улучшение c-TiO₂ слоя. Хранить в результате c-TiO₂-покрытием субстратов в N₂-заполнены условий до использования.

3. Подготовка мезопористых TiO₂ слоя (₂m Тио) для улучшения извлечения электрона

1. Для подготовки решения прекурсоров m-TiO₂ , добавить 1 g 50 Нм размера TiO₂ наночастиц вставить (SC-HT040) в 10 мл флаконе стекла с 3.5 g 2-пропанол и 1 g терпинеола и затем перемешайте все до тех пор, пока паста идеально растворяется.
   Примечание: 50 Нм размера TiO₂ наночастиц пасты высоковязких и должны быть тщательно обработаны с помощью шпателя.
2. Спин литой 200 мкл подготовленный 50 Нм размера TiO₂ наночастиц вставить решения при 5000 об/мин за 30 s на c-TiO₂-покрытием FTO субстратов.
3. Термически отжиг результате субстратов в духовке при температуре 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры.
4. Замочите субстратов в растворе₄ TiCl 0,12 М при 70 ° C за 30 минут, а затем вымыть их полностью с помощью DI воды для удаления любых остаточных TiCl₄.
5. Термически отжиг субстратов на 500 ° C в течение 1 ч, а затем дать им остыть до комнатной температуры для поверхностное улучшение м-TiO₂ слоя. Магазин результате c-TiO₂- и м-TiO₂-покрытием субстратов в N₂-заполнены условия пока не используется.

4. Изготовление индекс AgBi₂я₇ тонких пленок

1. Лечить голые стеклянные подложки под лампу ультрафиолетового (УФ) с интенсивностью 45 мА/см² с озона УФ очиститель для 10 мин для обеспечения чистой и гидрофильные субстратов. Не относитесь к c и m TiO₂-покрытием FTO субстратов с озона УФ чище.
   Примечание: рентгеновская дифрактометрия (XRD), поглощения и Фурье ИК спектры (FT-IR) были исследованы с помощью Ag-Bi я тонких пленок на голой стеклянные подложки. C - и м-TiO₂-покрытием FTO субстратов были использованы для солнечных батарей устройств.
2. Энергично вихревой 0,3 г ВП₃ (0.5087 ммоль), 0,06 г Аги (0,2544 ммоль), и 3 мл n бутиламин до тех пор, пока все полностью не растворится и затем шприц фильтр смесь с помощью 0,2 мкм поры политетрафторэтилена (ПТФЭ) фильтр.
3. Падение 200 мкл раствора прекурсоров на субстраты и затем спин литой их при 6000 об/мин за 30 сек с контролируемой влажности ниже 20%. Немедленно передать полученный фильм желтовато красный N₂-заполнены перчаточного ящика готов к термический отжиг.
4. Начать, термический отжиг результате фильма при комнатной температуре, затем нагреть фильм до 150 ° C и поддерживать температуру 150 ° c за 30 мин быстро утолить отожженная фильм до комнатной температуры. Последний фильм будет иметь блестящие и Браун черный цвет. Чтобы быстро утолить отожженная субстрата, удалите его из горячей плиты, который был установлен до 150 ° C.
5. Ag-Bi я троичного тонких пленок различного состава, например Ag₂ВП₅изменить прекурсоров молярное соотношение AgI ВП₃ от 1:2 2:1 и использовать такой же объем растворителя n бутиламин. Отжиг полученный фильм, используя метод, описанный выше.
6. Расследовать температур зависимая Ag-Bi-I формирование с помощью XRD шаблоны, FT-ИК спектры, поверхности морфологии и спектров поглощения, используйте тепловой температуры нагрева при отжиге и 90, 110, 150 ° C для тройных тонких пленок Ag-Bi-I.

5. Изготовление солнечных батарей придумывает, используя индекс AgBi₂я₇ тонких пленок

1. Используйте poly(3-hexylthiophene) (P3HT) как отверстие транспортировки материала в индекс AgBi₂я₇ тонкопленочных солнечных батарей. Добавить 10 мг P3HT в 1 мл хлорбензол и затем перемешать смесь при 50 ° C за 30 мин до тех пор, пока P3HT совершенно не растворится. Фильтрация с использованием 0.2 мкм поры PTFE фильтр. Подготовить и хранить P3HT в N₂-заполнены перчаточный ящик.
2. Падение 100 мкл P3HT растворяется в хлорбензол на индекс AgBi₂₇ тонких пленок на c и m TiO₂-покрытием FTO субстратов, а затем спин литой субстрата при 4000 об/мин за 30 s в N₂-заполнены перчаточный ящик. Термически отжиг P3HT фильм при 130 ° C 10 мин для структурной ориентации P3HT.
3. Используйте тепловой испарителя с скорость осаждения 0.5 Å / s и бар шаблон теневой маски на депозит 100 Нм толщиной золота (Au) электродов, как топ металл контакта в индекс AgBi₂₇ тонкопленочных солнечных батарей.

Результаты

Сообщалось, что АГ-Bi я тройных систем, которые рассматриваются в качестве перспективных полупроводников, являются кристаллизуется в различных композиций, таких как индекс AgBi₂я₇,₄AgBiI и Ag₂ВП₅¹⁰, согласно Молярное соотношение AgI ВП<...

Обсуждение

Мы предоставили подробный протокол для изготовления Ag-Bi я троичного полупроводников, которые должны быть использованы как свинец фотоэлектрических амортизаторы в тонкопленочных солнечных батарей с мезоскопических устройство архитектуры решения. c-TiO₂ слоя были сформированы на ...

Материалы

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