Name: solution-processed "silver-bismuth-iodine" ternary thin films for lead-free photovoltaic absorbers
Uploaded: 2018-09-27T14:45:00
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Questo lavoro è stato supportato da Daegu Gyeongbuk Istituto di scienza e tecnologia (DGIST) ricerca e sviluppo (R & D) programmi del Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione di Corea (18-ET-01). Questo lavoro è stato supportato anche da Istituto Corea di valutazione di tecnologia energetica e Planning(KETEP) e il Ministero del commercio, industria & Energy(MOTIE) della Repubblica di Corea (No. 20173010013200).

1. preparazione del nudo-vetro, drogato con fluoro ossido di stagno (SnO2: F) substrati
<ol><li>Per pulire il vetro nudo, substrati drogati con fluoro ossido di stagno (FTO), li Sonicare in sequenza in una soluzione acquosa contenente 2% Triton, deionizzata (DI) acqua, acetone e alcool isopropilico (IPA), ciascuno per 15 min.</li>
	<li>Mettere i substrati puliti in riscaldamento forno a 70 ° C per 1 h rimuovere il residuo IPA.</li>
</ol>2. preparazione del compatto TiO2 stra...

<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. 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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., 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>

Abbiamo fornito un protocollo dettagliato per la realizzazione di soluzione di Ag-Bi-I semiconduttori ternari, che devono essere sfruttati come assorbitori di piombo fotovoltaici nelle celle solari a film sottile con architetture di dispositivo mesoscopica. c-TiO2 strati sono stati formati su substrati FTO per evitare perdite di elettroni che scorre in elettrodi FTO. m-TiO2 strati in sequenza sono stati formati su c-TiO2-rivestito substrati FTO per migliorare le estrazioni di elettroni ge...

Soluzione di elaborazione inorganiche celle solari a film sottile sono stati ampiamente studiate da molti ricercatori che cercano di convertire la luce solare direttamente in energia elettrica1,2,3,4,5. Con lo sviluppo di architettura materiale di sintesi e dispositivo, perovskiti basati su alogenuri di piombo sono stati segnalati per essere i migliori assorbitori di celle solari con un'efficienza di conversione di energia (PCE) superiore a 22%5. Tuttavia, ci sono crescenti preoccupazioni circa l'uso di piombo tossico, così come problemi di stabilità del piombo-alogenuro perovskite stessa.
Recentemente è stato segnalato che perovskiti ibride basate su bismuto possono essere formato incorporando i cationi monovalenti in un'unità complessa di ioduro di bismuto e che questi possono essere usati come assorbitore di fotovoltaici in mesoscopici cella solare architetture6, 7,8. Il cavo nelle perovskiti può essere sostituito con bismuto, che ha il 6s2 coppia solitaria esterno; Tuttavia, metodologie ad alogenuri di piombo finora soltanto convenzionali sono stati utilizzati per perovskiti ibride basate su bismuto con strutture di cristallo complesso, nonostante il fatto che essi hanno diversi Stati di ossidazione e proprietà chimiche9. Inoltre, queste perovskiti hanno scarse superficie morfologie e producono film relativamente spesso nel contesto di applicazioni per dispositivi a film sottile; Pertanto, essi hanno un scarso rendimento fotovoltaico con spacco della fascia alta energia (> 2 eV)6,7,8. Così, abbiamo cercato di trovare un nuovo metodo per produrre film sottile semiconduttori basati su bismuto, che sono rispettosi, aria-stabile, e hanno energia basso band-gap (< 2 eV), considerando il design dei materiali e la metodologia.
Vi presentiamo la soluzione elaborata Ag-Bi-I ternario film sottili, che può essere cristallizzato a Roberta27 e Ag2BiI5, per semiconduttori lead-free e aria-stabile10,11. In questo studio per Roberta2I7 composizione, n-butilammina è utilizzato come solvente per dissolvere simultaneamente l'ioduro d'argento (AgI) e bismuto ioduro (BiI3) precursori. La miscela è spin-cast e ricotto a 150 ° C per 30 min in un N2-riempito portaoggetti; Successivamente, i film vengono temprati a temperatura ambiente. I film sottili risultanti sono marrone-nero a colori. Inoltre, la morfologia superficiale e la composizione di cristallo di Ag-Bi-I sistemi ternari sono controllati dalla temperature di ricottura e rapporto di precursore di AgI/BiI3. Roberta risultante2ho7 pellicole sottili presentano una struttura cristallina cubica fase, morfologie di superficie dense ed omogenea con grani di 200-800 nm in dimensioni grandi e un gap di banda ottica di 1,87 eV a partire di assorbire la luce da una lunghezza d'onda di 740 nm . Recentemente è stato segnalato che ottimizzando le composizioni di cristallo e architettura dei dispositivi, Ag-Bi-I ternarie film sottile celle solari possono raggiungere un PCE del 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

PEROVSKITI ibride basate su bismuto sono considerati promettenti fotoattivi semiconduttori per applicazioni di celle solari rispettosi dell'ambiente e aria-stabile. Tuttavia, povere morfologie di superficie e relativamente alta bandgap energie hanno limitato il loro potenziale. Argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) è un semiconduttore promettente per dispositivi optoelettronici. Di conseguenza, dimostriamo la fabbricazione di Ag-Bi-I ternario film sottile, utilizzando l'elaborazione materiale soluzione. Film sottili risultante presentano morfologie di superficie controllate e ottica bandgaps secondo loro termico temperature di ricottura. Inoltre, è stato segnalato che Ag-Bi-I sistemi ternari cristallizzare a Roberta2ho7, Ag2BiI5, ecc. secondo il rapporto di precursori chimici. La soluzione elaborata Roberta2ho7 pellicole sottili esibiscono una struttura di cristallo cubico-fase, dense, privo di foro stenopeico morfologie di superficie con grani che variano nel formato da 200 a 800 nm e un bandgap indiretta di 1,87 eV. Il risultante Roberta27 pellicole sottili Visualizza una buona aria diagrammi banda stabilità ed energia, nonché di superficie morfologie e ottica bandgaps adatto per le celle solari di singola giunzione lead-free e aria-stabile. Molto recentemente, una cella solare con efficienza di conversione di potenza 4,3% è stata ottenuta ottimizzando le composizioni di Ag-Bi-I cristallo e architetture di dispositivo di celle solari.

È stato segnalato che l'Ag-Bi-I sistemi ternari, che sono considerare come promettente semiconduttori, sono cristallizzati in varie composizioni, come Roberta27, AgBiI4e Ag2BiI510, secondo il rapporto molare di AgI a BiI3. Precedenti studi hanno dimostrato che forme cristalline di massa con varie composizioni di Ag-Bi-I sistemi ternari possono essere sintetizzate sperimentalmente modificando il rapp...

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

Qui, presentiamo protocolli dettagliati per soluzione-elaborati argento-bismuto-iodio (Ag-Bi-I) ternario semiconductor film sottili fabbricato su TiO2-rivestito elettrodi trasparenti e loro potenziale applicazione come aria-stabile e privo di piombo dispositivi optoelettronici.

Soluzione di elaborazione "Silver-bismuto-iodio" ternario pellicole sottili per assorbitori di piombo fotovoltaici

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

Questo metodo può aiutarti a rispondere a domande chiave su come realizzare semiconduttori ternari silver-bismuto-iodio trattabili in soluzione per celle solari a film sottile ecocompatibili e adottare applicazioni. Il principale vantaggio di questa tecnica è la fabbricazione di soluzioni di argento-bismuto-iodio che viene poi utilizzato come assorbitore fotovoltaico senza piombo in celle solari a film sottile con architetture microscopiche di dispositivi. Questa tecnica ha potenziali applicazioni nella produzione di celle solari a film sottile rispettose dell'ambiente perché i semiconduttori ternari argento-bismuto-iodio sono assorbitori fotovoltaici senza piombo e stabili per l'aria.Per iniziare a preparare la soluzione precursore per strati compatti di biossido di titanio, posizionare 8 millilitri di etanolo anidro in una fiala di vetro da 20 millilitri e iniziare a mescolarlo vigorosamente. Aggiungere 0,74 millilitri di isopropossido di titanio all'etanolo in agitazione dropwise. E poi aggiungere rapidamente 0,06 millilitri di acido cloridrico concentrato.Mescolare la miscela per tra le 12 e le 24 ore a temperatura ambiente per formare la soluzione precursore. Successivamente, sonicare un substrato FTO nudo di un pollice per un pollice per 15 minuti ciascuno in ottossinolo-9 acquoso al 2%, acetone e alcol isopropile. Asciugare il substrato pulito in un forno a 70 gradi Celsius per un'ora e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente nell'aria.Quindi, fissare il substrato su un mandrino spin coater. Riempire una siringa da 1 millilitro o 3 millilitri con una soluzione precursore compatta dello strato di biossido di titanio e attaccare un filtro siringa da 0,2 nanometri. Filtrare la soluzione in una piccola fiala.Applicare 200 microlitri della soluzione precursore filtrata sul substrato per coprirlo completamente. Spin rivestire il substrato a 3000 giri/min per 30 secondi. Ricottura il film in forno a 500 gradi Celsius per un'ora.Quindi spegnere il fuoco e lasciare raffreddare il substrato in aria a temperatura ambiente, che di solito richiede circa sei ore. Successivamente, immergere il substrato rivestito in una soluzione molare acquosa 0.12 di tetracloruro di titanio. Immergere il substrato in un forno a 70 gradi Celsius per 30 minuti.Risciacquare accuratamente il substrato in acqua deionizzata in seguito per rimuovere il tetracloruro di titanio residuo. Ricottura il film a 500 gradi Celsius per un'ora e quindi lasciare raffreddare a temperatura ambiente nell'aria. Una volta raffreddato, conservare il substrato compatto rivestito di biossido di titanio sotto gas azoto per un uso successivo.Per iniziare a preparare la soluzione precursore per uno strato mesoporous di nanoparticella di biossido di titanio in una fiala di vetro da 5 millilitri, combinare 0,5 grammi di pasta di nanoparticelle di biossido di titanio da 50 nanometri con 1,75 grammi di alcol isopropile e 0,5 grammi di terpineolo. Aggiungere una barra di agitazione al flaconcino e mescolare fino a quando la pasta non si è completamente sciolta. Questo di solito richiede circa un'ora.Successivamente, fissare un substrato FTO compatto rivestito di biossido di titanio su uno spin coater e applicare 200 microlitri della soluzione di nanoparticelle sulla superficie del substrato. Spin rivestire il substrato a 5000 giri/min per 30 secondi. Ricottura del substrato rivestito in forno a 500 gradi Celsius per un'ora e lasciare raffreddare a temperatura ambiente.Quindi immergere il substrato in una soluzione molare acquosa di tetracloruro di titanio a 70 gradi Celsius per 30 minuti. Risciacquare accuratamente il substrato con acqua deionizzata. Ricotto a 500 gradi Celsius per un'ora e lascialo raffreddare a temperatura ambiente nell'aria.Conservare il substrato rivestito con strati di biossido di titanio compatti e mesoporosi sotto gas azoto per un uso successivo. Per iniziare a preparare sottili pellicole dell'iodobismuthato d'argento, l'eptaptaiodide dibismuth d'argento, in un portaoggetti pieno di azoto a bassa umidità combinano 0,3 grammi di ioduro di bismuto-tre, 0,06 grammi di ioduro d'argento e 3 millilitri di n-butilamina. Vortice vigorosamente la miscela fino a quando i solidi non si sono per lo più sciolti, quindi siringa filtrare la soluzione precursore attraverso un filtro di politetrafluoroetilene da 0,2 micrometri.Quindi, fissare il substrato desiderato su uno spin coater e applicare 200 microlitri della soluzione precursore filtrata. Spin rivestire il substrato a 6000 giri/min per 30 secondi. Posizionare il substrato su una piastra calda e scaldarlo a 150 gradi Celsius.Ricottura del film a quella temperatura per 30 minuti e quindi rimuoverlo rapidamente dalla piastra calda per spegnerlo. In una scatola di guanti riempita di azoto, unire 10 milligrammi di P3HT e 1 millilitro di clorobenzene. Mescolare la miscela a 50 gradi Celsius per 30 minuti per sciogliere completamente il P3HT e quindi filtrare la miscela con un filtro siringa PTFE da 0,2 micrometri.Successivamente, fissare un substrato FTO rivestito con epatioduro dibismuth d'argento su biossido di titanio compatto e mesoporous su uno spin coater. Applicare 100 microlitri della soluzione P3HT sul substrato e girare rivestire il substrato a 4000 giri/min o 30 secondi. Ricottura del film P3HT su una piastra calda preriscaldata a 130 gradi Celsius per 10 minuti.Lasciare raffreddare il substrato a temperatura ambiente nella scatola del guanto. Infine, utilizzare un evaporatore termico per depositare 100 nanometri d'oro a 0,5 angstrom al secondo sul substrato per formare i migliori contatti in oro della cella solare. i sottili film ternari argento-bismuto-iodio, 1:2, 1:1 e 2:1 rapporti molari di ioduro d'argento e ioduro di bismuto-3 sono stati fabbricati con questo metodo.Il film 1:2 ha mostrato un singolo picco a circa 42 gradi, indicizzando una struttura cubica. La divisione del picco è stata osservata per i film 1:1 e 2:1, indicando una struttura esagonale. Il film 1:2 assorbiva lunghezze d'onda più lunghe rispetto al film 2:1.Inoltre, il film 1:2 aveva una superficie liscia con grani grandi mentre particelle di ioduro d'argento in eccesso sono state osservate sul film 2:1. Il film 1:2 è stato quindi scelto per ulteriori studi. La diffrazione dei raggi X indicava che era necessaria una temperatura di ricottura di 150 gradi Celsius affinché la pellicola 1:2 si cristallizzava interamente nella fase cubica.Il film è rimasto stabile nell'aria per almeno 10 giorni. Le spettroscopie FTIR suggerirono che la n-butilamina residua rimase debolmente complessa allo ioduro di bismuto-3 e allo ioduro d'argento a temperature di ricottura più basse, sopprimendo la formazione di mattoni di iodio-bismuto-argento. I grani divennero più grandi e più densamente imballati con l'aumentare della temperatura di ricottura.Le pellicole ricotte a 150 gradi Celsius avevano anche le proprietà di assorbimento più adatte per l'uso nelle celle solari. Nel complesso, il film di eptamatodide dibismuth d'argento ricotto a 150 gradi Celsius mostrava proprietà energetiche adatte per l'uso delle celle solari. Questa tecnica apre la strada ai ricercatori di celle solari a film sottile processo con soluzione per sviluppare ulteriormente metodologie per semiconduttori ternari argento-bismuto-iodio in applicazioni come celle solari a film sottile senza piombo e stabili all'aria.Durante il tentativo di questa procedura, è possibile utilizzare un'umidità controllata inferiore al 20% per il rivestimento di spin del substrato con la soluzione precursore argento-bismuto-iodio. Se giri rivestire la soluzione precursore con o superiore al 30% di umidità, vedrai giallastro a causa dell'altamente reattivo e della foto Se non riesci a controllare l'umidità nello spin coater, puoi girare rivestire la soluzione precursore in una scatola portaoggetti riempita con N. Tuttavia, tieni presente che devi eliminare completamente la scatola dei guanti dopo che è stata fatta.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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Ricerca

Chimica

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