Name: solution-processed "silver-bismuth-iodine" ternary thin films for lead-free photovoltaic absorbers
Uploaded: 2018-09-27T14:45:00
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Ce travail a été soutenu par la Daegu Gyeongbuk Institut de Science et technologie (DGIST) programmes de recherche et développement (R & D) du ministère de la Science, TIC et futur Planning de Corée (18-ET-01). Ce travail a été également soutenu par l’Institut d’évaluation de la Energy Technology Corée et Planning(KETEP) et le ministère du commerce, industrie & Energy(MOTIE) de la République de Corée (n° 20173010013200).

1. préparation du verre nu, dopé au fluor oxyde d’étain (SnO2: F) substrats
<ol><li>Pour nettoyer le verre nu, substrats d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO), les ultrasons séquentiellement dans une solution aqueuse contenant 2 % Triton, désionisée (DI) l’eau, l’acétone et l’alcool isopropylique (IPA), chacun pendant 15 min.</li>
	<li>Mettre les substrats nettoyés dans le four de chauffage à 70 ° C pendant 1 h supprimer le IPA résiduelle.</li>
</ol>2. préparatio...

<ol>
	<li>Gr&#228;tzel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Light+and+Shade+of+Perovskite+Solar+Cells.">The Light and Shade of Perovskite Solar Cells.</a> Nature Materials. 13, 838-842 (2014).</li><li>Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+perovskite+solar+cells.">The emergence of perovskite solar cells.</a> Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).</li><li>Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organometal+Halide+Perovskites+as+Visible-Light+Sensitizers+for+Photovoltaic+Cells.">Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells.</a> Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).</li><li>Burschka, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sequential+Deposition+as+a+Route+to+High-Performance+Perovskite-Sensitized+Solar+Cells.">Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells.</a> Nature. 499, 316-319 (2013).</li><li>Yang, W. 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B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic-Inorganic+Perovskites+Containing+Trivalent+Metal+Halide+Layers:+The+Templating+Influence+of+the+Organic+Cation+Layer.">Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer.</a> Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).</li><li>Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. 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H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., C&#233;olin, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Etude+du+Systeme+AgIBiI3.">Etude du Systeme AgIBiI3.</a> Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).</li><li>Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strongly+Enhanced+Optical+Absorption+in+Quench-Deposited+Amorphous+AgI+Films.">Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films.</a> Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).</li><li>Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. 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H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Mono-+versus+Di-ammonium+Cation+of+2,2'-Bithiophene+Derivatives+on+the+Structure+of+Organic-Inorganic+Hybrid+Materials+Based+on+Iodo+Metallates.">Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2'-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates.</a> Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).</li><li>Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Photon-to-Current+Conversion+in+Solar+Cells+Based+on+Light-Absorbing+Silver+Bismuth+Iodide.">High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide.</a> ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).</li><li>Turkevych, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photovoltaic+Rudorffites:+Lead-Free+Silver+Bismuth+Halides+Alternative+to+Hybrid+Lead+Halide+Perovskites.">Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites.</a> ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).</li></ol>

Nous avons fourni un protocole détaillé pour la fabrication de la solution de Ag-Bi-I semi-conducteurs ternaires, qui devront être exploités comme absorbeurs de plomb photovoltaïques en couche mince des cellules solaires avec des architectures de dispositif mésoscopique. c-TiO2 couches sont forment sur des substrats de la FTO pour éviter les fuites d’électrons qui se jettent dans les électrodes de la FTO. m-TiO2 couches se forment successivement sur c-TiO2-enduit de substrats d...

Solution-traité des cellules solaires minces inorganiques ont été largement étudiés par de nombreux chercheurs qui cherchent à convertir la lumière du soleil directement en électricité1,2,3,4,5. Avec le développement de l’architecture matérielle de synthèse et dispositif, pérovskites axée sur l’iodure de plomb ont été signalés à être les meilleurs absorbeurs de cellules solaires avec une efficacité de conversion énergétique (PCE) supérieure à 22 %5. Toutefois, il se développent préoccupations au sujet de l’utilisation du plomb toxique, ainsi que des problèmes de stabilité de perovskite de plomb-halogénure lui-même.
On a récemment signalé que hybride basé sur bismuth pérovskites peuvent se former en incorporant des cations monovalents dans une unité complexe iodure de bismuth et que ceux-ci peuvent être utilisés comme absorbeurs photovoltaïques mésoscopique photopile architectures6, 7,8. Le plomb dans les pérovskites peut être remplacé avec du bismuth, qui a la 6 s2 doublet externe ; Cependant, méthodologies d’halogénure plomb jusqu’ici seulement conventionnels ont servi à pérovskites hybride à base de bismuth avec les structures cristallines complexes, malgré le fait qu’ils ont des États d’oxydation différents et propriétés chimiques9. En outre, ces pérovskites ont des morphologies surfaces pauvres et produisent des films relativement épaisses dans le contexte d’applications de périphérique minces ; par conséquent, ils ont une piètre performance photovoltaïque avec bande interdite haute énergie (> 2 eV)6,7,8. Ainsi, nous avons cherché à trouver une nouvelle méthode pour produire axée sur le bismuth minces semi-conducteurs qui sont respectueuses de l’environnement, stable à l’air, et ont de l’énergie faible bande interdite (< 2 eV), compte tenu de la conception matérielle et la méthodologie.
Nous présentons la solution-traitées Ag-Bi-I ternaires minces, qui peuvent être cristallisé à amelie2j’ai7 et Ag2BiI5, pour les semi-conducteurs sans plomb et stable à l’air10,11. Dans cette étude pour le Julien2, j’ai7 composition, n-butylamine est utilisé comme solvant pour dissoudre simultanément l’iodure d’argent (AgI) et de bismuth iodure (BiI3) précurseurs. Le mélange est spin-cast et recuits à 150 ° C pendant 30 min dans un N2-remplis la boîte à gants ; par la suite, les films sont trempés à température ambiante. Les films minces qui en résultent sont brun-noir en couleur. En outre, la morphologie de la surface et la composition de cristal des systèmes ternaires Ag-Bi-I sont contrôlés par la température de recuit et rapport précurseur AgI/BiI3. La résultante d’amelie2j’ai7 films minces présentent une structure cristalline de phase cubique, morphologies surfaces denses et lisses avec gros grains de 200 à 800 nm en taille et un espace de bande optique de 1,87 eV commence à absorber la lumière de longueur d’onde de 740 nm . Récemment, il a été signalé qu’en optimisant les compositions de cristal et l’architecture de l’appareil, Ag-Bi-I ternaires couche mince des cellules solaires peut atteindre un PCE de 4,3 %.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis)</td>
			<td>Afa Aesar</td>
			<td>7787-64-6</td>
			<td>stored in N2-filled condition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis)</td>
			<td>Afa Aesar</td>
			<td>7783-96-2</td>
			<td>stored in N2-filled condition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butylamine 99.5%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>109-73-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton X-100</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>9002-93-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl alcohol (IPA)</td>
			<td>Duksan</td>
			<td>67-63-0</td>
			<td>Electric High Purity GRADE</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium(IV) isopropoxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>546-68-9</td>
			<td>&#8805;97.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl alcohol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td>200 proof, ACS reagent, &#8805;99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid</td>
			<td>SAMCHUN</td>
			<td>7647-01-0</td>
			<td>Extra pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium tetrachloride (TiCl4)</td>
			<td>sharechem</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50nm-sized TiO2 nanoparticle paste</td>
			<td>sharechem</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-propanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-63-0</td>
			<td>anhydrous, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Terpineol</td>
			<td>Merck</td>
			<td>8000-41-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating oven</td>
			<td>WiseTherm</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen (O2) plasma</td>
			<td>AHTECH</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray diffraction (XRD)</td>
			<td>Rigaku</td>
			<td></td>
			<td>Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-K&#945; radiation 
			(1.5406 &#197; wavelength).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fourier transform infrared (FTIR)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Bruker Tensor 27</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>field-emission scanning electron microscope (FE-SEM)</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td></td>
			<td>Hitachi SU8230</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-Vis spectra</td>
			<td>PerkinElmer</td>
			<td></td>
			<td>PerkinElmer LAMBDA 950 
			Spectrophotometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)</td>
			<td>RBD Instruments</td>
			<td></td>
			<td>PHI5500 Multi-Technique system</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

solution-processed "silver-bismuth-iodine" ternary thin films for lead-free photovoltaic absorbers

Pérovskites hybride à base de bismuth sont considérées comme prometteuses photo-actifs semiconducteurs pour des applications de cellule solaire respectueuse de l’environnement et stable à l’air. Cependant, mauvaises surfaces morphologies et énergies bandgap relativement élevés ont limité leur potentiel. Argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) est un semi-conducteur prometteur pour dispositifs optoélectroniques. Par conséquent, nous démontrons la fabrication des Ag-Bi-I ternaires films minces à l’aide de traitement de la solution matérielle. Les films minces qui en résulte pièce morphologies de surface contrôlées et minimiséedans optique selon leur thermique température de recuit. En outre, il a été rapporté que Ag-Bi-I systèmes ternaires se cristallisent à amelie2j’ai7, Ag2BiI5, etc. en fonction du rapport des précurseurs chimiques. La solution-traité amelie2j’ai7 films minces présentent une structure cristalline cubique-phase, morphologies surfaces denses, pinhole-free avec des grains d’une taille allant de 200 à 800 nm et une à bande interdite indirecte de 1,87 eV. La résultante d’amelie2j’ai7 films minces Voir la bonne stabilité et énergie des diagrammes de bande de l’air, ainsi que de surface morphologies et optique minimiséedans convenant sans plomb et stable à l’air simple-jonction des cellules solaires. Très récemment, une cellule solaire avec efficacité de conversion énergétique de 4,3 % a été obtenue en optimisant les compositions de cristal Ag-Bi-I et les architectures de dispositif de pile solaire.

Il a été signalé que les Ag-Bi-I systèmes ternaires, qui sont considérées comme prometteuses de semi-conducteurs, sont cristallisées dans des compositions différentes, comme Julien2j’ai7, AgBiI4et Ag2BiI510, conformément à le rapport molaire des MGA à BiI3. Des études antérieures ont montré que les formes cristallines en vrac avec diverses compositions de systèmes ternaires Ag-Bi-I p...

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Solution-Processed "Silver-Bismuth-Iodine" Ternary Thin Films for Lead-Free Photovoltaic Absorbers

Ici, nous présentons des protocoles détaillés pour traitées-solution argent-bismuth-iode (Ag-Bi-I) ternaire semiconductor fabriquées sur TiO2couches minces-enduit des électrodes transparentes et leurs applications potentielles comme stable à l’air et sans plomb dispositifs optoélectroniques.

Solution-traité « Silver-Bismuth-iode » ternaire minces pour absorbeurs photovoltaïques sans plomb

Bismuth-based hybrid perovskites are regarded as promising photo-active semiconductors for environment-friendly and air-stable solar cell applications. ...

Cette méthode peut vous aider à répondre à des questions clés sur la façon de rendre les semi-conducteursternaires argent-bismuth-iode processables pour les cellules solaires à couches minces respectueuses de l’environnement et d’adopter des applications. Le principal avantage de cette technique est la fabrication de solution d’argent-bismuth-iode qui est ensuite utilisé comme absorbeur photovoltaïque sans plomb dans les cellules solaires à couches minces avec une architecture microscopique dispositif. Cette technique a des applications potentielles dans la production de cellules solaires à couches minces respectueuses de l’environnement parce que les semi-conducteursternaires argent-bismuth-iode sont exempts de plomb, absorbeurs photovoltaïques stables à l’air.Pour commencer à préparer la solution précurseur pour les couches compactes de dioxyde de titane, placez 8 millilitres d’éthanol anhydre dans un flacon de verre de 20 millilitres et commencez à l’agiter vigoureusement. Ajouter 0,74 millilitres d’isopropoxyde de titane à l’éthanol en remuant dans le sens de la goutte. Et puis ajouter rapidement 0,06 millilitres d’acide chlorhydrique concentré.Remuer le mélange entre 12 et 24 heures à température ambiante pour former la solution précurseur. Ensuite, soniquez un substrat FTO nu d’un pouce par un pouce pendant 15 minutes chacun dans 2% d’octoxynol-9 aqueux, d’acétone et d’alcool isopropyle. Séchez le substrat propre dans un four à 70 degrés Celsius pendant une heure et laissez-le refroidir à température ambiante dans l’air.Ensuite, fixez le substrat sur un mandrin de revêtement de spin. Remplissez une seringue de 1 millilitre ou de 3 millilitres avec une solution compacte de précurseur de couche de dioxyde de titane et fixez un filtre à seringues de 0,2 nanomètre. Filtrer la solution dans un petit flacon.Appliquez 200 microlitres de la solution précurseur filtrée sur le substrat pour le couvrir entièrement. Faire tourner le substrat à 3000 RPM pendant 30 secondes. Anneal le film dans un four à 500 degrés Celsius pendant une heure.Ensuite, éteignez le feu et laissez refroidir le substrat dans l’air à température ambiante, ce qui prend habituellement environ six heures. Ensuite, immerger le substrat enduit dans une solution molaire aqueuse de 0,12 de tétrachlorure de titane. Faire tremper le substrat dans un four à 70 degrés Celsius pendant 30 minutes.Rincer soigneusement le substrat à l’eau déionisée par la suite pour enlever le tétrachlorure résiduel de titane. Anneal le film à 500 degrés Celsius pendant une heure, puis lui permettre de refroidir à température ambiante dans l’air. Une fois refroidi, conserver le substrat compact recouvert de dioxyde de titane sous le gaz azoté pour une utilisation ultérieure.Pour commencer à préparer la solution précurseur d’une couche mésoporeuse de nanoparticules de dioxyde de titane dans un flacon de verre de 5 millilitres, combinez 0,5 grammes de pâte nanoparticule de dioxyde de titane de 50 nanomètres avec 1,75 grammes d’alcool d’isopropyle et 0,5 gramme de terpinérol. Ajouter une barre de remue-remuer sur le flacon et remuer jusqu’à ce que la pâte soit complètement dissoute. Cela prend habituellement environ une heure.Ensuite, fixez un substrat FTO compact recouvert de dioxyde de titane sur un revêtement spin et appliquez 200 microlitres de la solution nanoparticule à la surface du substrat. Faire tourner le substrat à 5000 RPM pendant 30 secondes. Anneal le substrat enduit dans un four à 500 degrés Celsius pendant une heure et lui permettre de refroidir à température ambiante.Puis tremper le substrat dans une solution molaire aqueuse de 0,12 de tétrachlorure de titane à 70 degrés Celsius pendant 30 minutes. Rincer soigneusement le substrat à l’eau déionisée. Anneal il à 500 degrés Celsius pendant une heure et laisser refroidir à température ambiante dans l’air.Conserver le substrat recouvert de couches compactes et mésoporeuses de dioxyde de titane sous gaz d’azote pour une utilisation ultérieure. Pour commencer à préparer des couches minces de l’iodobismuthate d’argent, dibismuth heptaiodide argenté, dans une boîte à gants remplie d’azote à faible humidité combiner 0,3 grammes de bismuth-trois iodure, 0,06 grammes d’iodure d’argent, et 3 millilitres de n-butylamine. Vortex vigoureusement le mélange jusqu’à ce que les solides ont la plupart du temps dissous, puis la seringue filtrer la solution précurseur à travers un filtre en polytétrafluoroéthylène de 0,2 micromètre.Ensuite, fixez le substrat désiré sur un revêtement spin et appliquez 200 microlitres de la solution précurseur filtrée. Faire tourner le substrat à 6000 RPM pendant 30 secondes. Placez le substrat sur une plaque chaude et chauffez-le à 150 degrés Celsius.Anneal le film à cette température pendant 30 minutes, puis rapidement l’enlever de la plaque chaude pour l’étancher. Dans une boîte à gants remplie d’azote, mélanger 10 milligrammes de P3HT et 1 millilitre de chlorobenzène. Remuer le mélange à 50 degrés Celsius pendant 30 minutes pour dissoudre complètement le P3HT, puis filtrer le mélange à l’aide d’un filtre à seringue PTFE de 0,2 micromètre.Ensuite, fixez un substrat FTO recouvert d’hépatiodide dibismuth argentée sur du dioxyde de titane compact et mésoporeux sur un revêtement spin. Appliquer 100 microlitres de la solution P3HT sur le substrat et faire tourner le substrat à 4000 RPM ou 30 secondes. Anneal le film P3HT sur une plaque chaude préchauffé à 130 degrés Celsius pendant 10 minutes.Laisser refroidir le substrat à température ambiante dans la boîte à gants. Enfin, utilisez un évaporateur thermique pour déposer 100 nanomètres d’or à 0,5 angstroms par seconde sur le substrat pour former les principaux contacts en or de la cellule solaire. les couches minces ternaires argent-bismuth-iode, 1:2, 1:1, et 2:1 rapports molaires d’iodure d’argent à l’iodure de bismuth-3 ont été fabriqués avec cette méthode.Le film 1:2 a montré un seul pic à environ 42 degrés, indiciating une structure cubique. Le fractionnement de pointe a été observé pour les films 1:1 et 2:1, indiquant une structure hexagonale. Le film 1:2 a absorbé de plus longues longueurs d’onde que le film 2:1.En outre, le film 1:2 avait une surface lisse avec de gros grains tandis que des particules d’iodure d’argent excédentaire ont été observées sur le film 2:1. Le film 1:2 a donc été choisi pour une étude plus approfondie. La diffraction des rayons X a indiqué qu’une température d’annealage de 150 degrés Celsius était nécessaire pour que le film de 1:2 se cristallise entièrement dans la phase cubique.Le film a été stable dans les airs pendant au moins 10 jours. Les spectroscopies FTIR ont suggéré que la n-butylamine résiduelle restait faiblement complexée à l’iodure de bismuth-3 et à l’iodure d’argent à des températures annealing inférieures, supprimant la formation des blocs de construction argent-bismuth-iode. Les grains sont devenus plus gros et plus densément emballés à mesure que la température d’annealing augmentait.Les films annelés à 150 degrés Celsius avaient également les propriétés d’absorption les plus appropriées pour une utilisation dans les cellules solaires. Dans l’ensemble, le film dibismuth heptaiodide argenté annealed à 150 degrés Celsius a montré des propriétés énergétiques appropriées pour l’utilisation des cellules solaires. Cette technique ouvre la voie aux chercheurs des cellules solaires à couches minces processusables par solution afin de développer davantage de méthodologies pour les semi-conducteurs ternaires argent-bismuth-iode dans des applications telles que les cellules solaires à couches minces sans plomb et stables à l’air.Tout en essayant cette procédure, vous pouvez utiliser l’humidité contrôlée de moins de 20% pour spin revêtement du substrat avec la solution précurseur argent-bismuth-iode. Si vous faites tourner la solution précurseur à ou au-dessus de 30% d’humidité, vous verrez jaunâtre en raison de la très réactive et photo Si vous ne pouvez pas contrôler l’humidité dans le revêtement spin, vous pouvez faire tourner la solution précurseur dans une boîte à gants remplie de N. Cependant, s’il vous plaît garder à l’esprit que vous devez purger complètement la boîte à gants après qu’il est fait.

Research

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Chemistry

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