Çözüm işlenen "Gümüş-bizmut-iyot" Üçlü ince filmler için kurşunsuz fotovoltaik emiciler

Özet

Burada, biz mevcut detaylı iletişim kuralları için çözüm işlenen gümüş-bizmut-iyot (Ag-Bi-ı) Üçlü Yarıiletken ince filmler TiO₂üzerinde fabrikasyon-kaplı şeffaf elektrotlar ve onların hava-kararlı olarak potansiyel uygulama ve kurşun içermez Opto-elektronik cihazlar.

Özet

Bizmut tabanlı melez perovskites umut verici fotoğraf-aktif yarı iletkenler, çevre dostu ve hava-kararlı güneş pili uygulamaları için olarak kabul edilmektedir. Ancak, yoksul yüzey türleri Morfoloji ve nispeten yüksek bandgap enerjileri potansiyellerini sınırlı olabilir. Gümüş-bizmut-iyot (Ag-Bi-ı) opto-elektronik cihazlar için umut verici bir yarı iletken olduğunu. Bu nedenle, biz Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler malzeme çözüm işleme kullanarak imalatı göstermek. Elde edilen ince filmlerin kontrollü yüzey türleri Morfoloji ve optik bandgaps göre tavlama sıcaklıkları onların termal sergi. Buna ek olarak, bu üç terimli sistemleri Ag-Bi-ben kristalize ki AgBi₂' ye ben₇, bildirilmiştir Ag₂bıı₅, vb öncül kimyasalların oranını göre. Çözüm işlenen AgBi₂ben₇ ince filmler sergi bir kübik fazlı kristal yapısı, yoğun, iğne deliği içermeyen yüzey türleri morfoloji büyüklükleri 200 800 arasında değişen tahıllar ile nm ve 1.87 ev dolaylı bir bandgap. Ben₇ ince filmler göstermek iyi istikrar ve enerji band diyagramları hava, hem de su yüzüne çıkan AgBi₂türleri Morfoloji ve optik bandgaps kurşun içermeyen ve hava-kararlı tek Kavşağı güneş hücreleri için uygun. Son zamanlarda, bir güneş pili % 4.3 güç dönüşüm verimliliği ile Ag-Bi-ben kristal besteleri ve güneş pili cihaz mimarileri optimize ederek elde edildi.

Giriş

Çözüm işlenen inorganik ince-film güneş pilleri güneş ışığı doğrudan elektrik^1,2,3,4,5dönüştürmek isteyen pek çok araştırmacı tarafından yaygın olarak incelenmiştir. Malzeme sentezi ve aygıt mimari gelişimi ile kurşun perovskites halide tabanlı en iyi güneş pili emiciler ile bir güç dönüşüm verimliliği (PCE) %22⁵' ten büyük olması için rapor edilmiştir. Ancak, zehirli kurşun kullanımı yanı sıra istikrar sorunları, kurşun-halide perovskite kendisi hakkında endişeler artmaktadır.

Son zamanlarda bizmut tabanlı melez perovskites bizmut iyodür karmaşık bir bölüm monovalent katyon ve bunlar mezoskopik güneş pili mimarileri^{6fotovoltaik emiciler olarak kullanılabilir dahil ederek oluşturulması mümkündür bildirilmiştir, 7,8}. Perovskites kurşun 6s olan bizmut ile değiştirilebilir² dış yalnız çift; Ancak, şimdiye kadar sadece geleneksel kurşun halide metodolojileri farklı oksidasyon Birleşik ve kimyasal özellikleri⁹ellerinde olmasına rağmen karmaşık kristal yapıları ile bizmut tabanlı melez perovskites için kullanılmaktadır. Buna ek olarak, bu perovskites kötü yüzey türleri morfoloji var ve ince film aygıt uygulamaları bağlamında nispeten kalın filmler üretmek; Bu nedenle, onlar yüksek bant-gap enerji (> 2 eV)^6,7,8ile zayıf bir fotovoltaik performansına sahip. Böylece, biz çevre dostu, hava-kararlı, bizmut tabanlı ince film Yarıiletkenler, üretmek için yeni bir yöntem bulmak ve düşük bant-gap enerji (< 2 eV), malzeme tasarımına ve metodoloji dikkate alınarak istedi.

Biz-ebilmek var olmak çözüm işlenen Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler, mevcut kristalize AgBi₂' ye ben₇ ve Ag₂bıı₅, kurşun içermeyen ve hava-kararlı yarı iletkenler^10,11. Bu çalışma için AgBi₂ben₇ kompozisyon, n-butylamine bir çözücü gümüş iyodür (AGI) ve bizmut iyodür (bıı₃) öncüleri aynı anda çözmek için kullanılır. Spin-döküm ve tavlanmış 30 dk içinde bir N₂için 150 ° C'de karışımı-torpido; dolu daha sonra film oda sıcaklığında su. Sonuç ince filmler kahverengi-siyah renkte. Buna ek olarak, yüzey morfolojisi ve kristal kompozisyon Ag-Bi-ben Üçlü sistemleri tavlama sıcaklıkları ve öncü oranı AgI/bıı₃tarafından kontrol edilir. Elde edilen AgBi₂ben₇ ince filmler sergi bir küp aşama kristal yapı, yoğun ve pürüzsüz yüzey türleri morfoloji 200-800 Nm boyutunda büyük tahıl ve bir optik bant boşluğu 1.87 bir dalga boyu 740 ışıktan emmek başlangıç ev nm . Son zamanlarda kristal besteleri ve aygıt mimarisi optimize ederek, Ag-Bi-ben Üçlü ince-film güneş pilleri % 4.3 PCE elde edebilirsiniz bildirilmiştir.

Protokol

1. hazırlanması çıplak-cam, flor katkılı kalay oksit (SnO₂: F) yüzeyler

1. Çıplak-cam, kalay oksit (FTO) Flor katkılı yüzeylerde temizlemek için bunları sırayla sulu bir çözüm %2 Triton, deiyonize (DI) su, aseton ve izopropil alkol (IPA), her 15dk için içeren solüsyon içeren temizleyicide.
2. Artık IPA kaldırmak 1 h için 70 ° C'de Isıtma fırında temizlenmiş yüzeylerde koymak.

2. elektronlar engellemek için hazırlanması kompakt TiO₂ katmanları (c-TiO₂)

1. C-TiO₂ öncü çözüm kursları, 0,74 mL titanyum isopropoxide (TTIP) şiddetle karıştırma süre susuz etanol (alkol) yavaş yavaş 8 mL bırakın ve sonra hızla hidroklorik asit (HCl) 0,06 mL çözüm içine enjekte. Elde edilen çözüm gecede oda sıcaklığında karıştırın.
   Not: 20 mL Cam şişe, 35-%37 konsantrasyon HCL ve bir manyetik karıştırıcı kullanın.
2. Hazırlanan c-TiO₂ öncü çözüm bir şırınga ve 0.2 µm gözenek boyutu filtre kullanarak filtre, bırak onu temizlenmiş FTO substrat üzerine ve sonra spin-döküm belgili tanımlık substrate 3000 devirde 30 s.
3. Termal tavlama-yüzeyler için 1 h 500 ° c fırında Isıtma tarafından ve onları oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
4. Bir 0,12 M titanyum tetraklorit (TiCl₄) sulu çözüm için 30 dk 70 ° C'de yüzeylerde emmek ve sonra iyice herhangi bir kalıntı TiCl₄kaldırmak için DI su kullanarak yıkayın.
5. Termal tavlama-500 ° c için 1 h yüzeylerde ve onları c-TiO₂ katman interfacial bir iyileşme için oda sıcaklığında soğumasını bekleyin. Elde edilen c-TiO₂mağaza-Boyalı yüzeylerde N₂-koşullar kadar kullanmak dolu.

3. elektron çıkarma artırmak için hazırlanması Mesoporous TiO₂ katmanları (m-TiO₂)

1. M-TiO₂ habercisi çözümünü hazırlanması eklemek için 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül 1 g 10 mL Cam şişe ile 3.5 g 2-propanol ve terpineol 1 g için (SC-HT040) yapıştırın ve sonra her şeyi hamur mükemmel çözünmüş kadar karıştırın.
   Not: 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül hamur çok viskoz ve dikkatli bir spatula kullanarak ele alınması gerekir.
2. Spin-döküm 200 µL hazırlanan 50 nm ölçekli TiO₂ nanopartikül Yapıştır çözüm 5000 devirde 30 c-TiO₂üzerine s-kaplı FTO yüzeylerde.
3. Termal olarak-elde edilen yüzeyler için 1 h 500 ° c fırında tavlama ve onları oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
4. 0.12 M TiCl₄ sulu çözüm için 30 dk 70 ° C'de yüzeylerde emmek ve sonra tamamen herhangi bir kalıntı TiCl₄kaldırmak için DI su kullanarak yıkayın.
5. Termal tavlama-500 ° c için 1 h yüzeylerde ve onları oda sıcaklığında m-TiO₂ katman interfacial bir iyileşme için soğumasını bekleyin. Mağaza elde edilen c-TiO₂- ve m-TiO₂-Boyalı yüzeylerde N₂-kullanana kadar koşullar dolu.

4. imalat AgBi₂ben₇ ince filmler

1. 45 mA/cm² UV ozon ile bir yoğunluk ile bir ultraviyole (UV) lambası altında çıplak cam yüzeylerde, temiz yüzeyler temiz ve hidrofilik olduğundan emin olmak 10 dakikadır tedavi. C ve m TiO₂muamele yapmak-temizleyici FTO yüzeylerde UV ozon tabakası ile kaplı.
   Not: x-ışını kırınım (XRD), absorbans ve Fourier dönüşümü kızılötesi (FT-IR) spectra Ag-Bi-ben ince filmleri çıplak cam yüzeyler üzerinde fabrikasyon kullanarak araştırıldı. C ve m TiO₂-kaplamalı FTO yüzeylerde güneş pili cihazlar için kullanılmıştır.
2. Şiddetle girdap bıı₃ (0.5087 mmol), AgI 0,06 g 0.3 g (0.2544 mmol), ve 3 mL n-butylamine kadar her şeyi tamamen çözülür ve sonra şırınga-filtre karışımı kullanarak bir 0.2 µm gözenek boyutu politetrafloroetilin (PTFE) filtre.
3. 200 µL öncü çözüm yüzeyler üzerine ve sonra spin-döküm onları 6000 devirde 30 damla kontrollü bir nem oranı % 20'in altında bir iyimsersin. Hemen sonuç sarımsı-red filmi bir N₂' ye naklet-torpido termal tavlama için hazır dolu.
4. Oda sıcaklığında ortaya çıkan filmin termal tavlama başlar sonra filmin 150 ° c ısı ve 30 dk hızlı bir şekilde gidermek için oda sıcaklığında tavlanmış film 150 ° c sıcaklık sürdürmek. Son filmi bir parlak ve kahverengi-siyah renk olacak. Hızlı bir şekilde tavlanmış substrat gidermek için 150 ° C'ye ayarlanmış sıcak plaka çıkarmak
5. Ag-Bi-ben Üçlü ince filmlerin Ag₂bıı₅, gibi farklı bir kompozisyon için AgI habercisi molar oranı 1:2 2:1 bıı₃ ' e değiştirmek ve n-butylamine solvent aynı hacmi kullanın. Yukarıda açıklanan yöntemi kullanarak elde edilen film tavlamak.
6. XRD desenler, FT-IR spektrumları, yüzey türleri Morfoloji ve absorbans spectra kullanarak sıcaklık bağımlı Ag-Bi-ben oluşumu araştırmaya, 90, 110 ve 150 ° C termal tavlama sıcaklıkları Ag-Bi-ben Üçlü ince filmler için kullanın.

5. güneş pili imalatı geliştirdi AgBi₂kullanarak ben₇ ince filmler

1. Bir delik taşıma malzeme AgBi₂olarak Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) kullanın ben₇ ince-film güneş pilleri. P3HT 10 mg chlorobenzene için 1 mL ekleyin ve P3HT mükemmel eriyene kadar o zaman 30 dk 50 ° C'de karışımı heyecan. 0.2 µm gözenek boyutu PTFE filtre kullanarak filtre uygulama. Hazırlamak ve P3HT N₂' saklamak-torpido dolu.
2. 100 damla P3HT µL çözünmüş AgBi₂üzerine chlorobenzene olarak ben c ve m TiO₂üzerinde fabrikasyon₇ ince filmler-FTO yüzeylerde ve sonra spin-döküm için 30 4000 devirde yüzeylerde boyalı s N₂-torpido dolu. Termal tavlama-130 ° c P3HT yapısal yönünü 10 dakikadır için P3HT film.
3. 0,5 ifade oranı ile termal bir buharlaştırıcı kullanın Å / s ve bir bar pattern bir üst metal temas gibi AgBi₂' ben₇ ince-film güneş pilleri 100 nm-kalın altın (Au) elektrotlar yatırmak için gölge maskesi.

Sonuçlar

Bu umut verici yarı iletkenler kabul edilmektedir, Ag-Bi-ben Üçlü sistemleri, olduğunu bildirilmiştir kristalize AgBi₂gibi çeşitli kompozisyonlarda ben₇, AgBiI₄ve Ag₂bıı₅¹⁰, göre AgI molar oranı bıı₃. Daha önceki çalışmalar toplu kristal formları Ag-Bi-ben Üçlü sistemlerinin çeşitli besteleri ile deneysel olarak AgI ve bıı₃ molar oranını değiştirerek sentezlen...

Tartışmalar

Biz ince-film güneş pilleri mezoskopik aygıt mimarileri ile kurşunsuz fotovoltaik emiciler olarak yararlanılması gereken olan Ag-Bi-ben Üçlü yarı iletkenler, çözüm imalatı için detaylı bir protokol sağladı. c-TiO₂ katmanları FTO yüzeylerde FTO elektrotlar akan elektron kaçağı önlemek için kuruldu. m-TiO₂ katmanları ardışık olarak c-TiO₂tarihinde kuruldu-kaplı FTO yüzeylerde fotovoltaik emiciler (yani, Ag-Bi-ben ince filmler) oluşturulan elektron ç...

Malzemeler

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