Oplossing-verwerkte "Zilver-bismut-Iodine" ternaire dunne lagen voor fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen
Summary
Hierin presenteren wij gedetailleerde protocollen voor oplossing-verwerkte zilver-bismut-jodium (Ag-Bi-I) ternaire halfgeleider dunne lagen vervaardigd op TiO2-gecoat transparante elektroden en hun potentiële toepassing als lucht-stable en loodvrij opto-elektronische apparaten.
Abstract
Bismut gebaseerde hybride perovskites worden beschouwd als veelbelovende foto-actieve halfgeleiders voor milieuvriendelijke en lucht-stable zonnecel toepassingen. Arme oppervlakte morphologies en relatief hoge bandgap energieën hebben echter slechts beperkt hun potentieel. Zilver-bismut-Jood (Ag-Bi-I) is een veelbelovende halfgeleider voor opto-elektronische apparaten. We laten daarom zien de fabricage van Ag-Bi-I ternaire dunne films met behulp van materiële oplossing verwerking. De resulterende dunne films vertonen gecontroleerde oppervlakte morphologies en optische bandgaps volgens hun thermische onthardende temperaturen. Bovendien, het is gemeld dat Ag-Bi-I ternaire systemen kristalliseren tot AgBi2ik7, Ag2BiI5, etc. volgens de verhouding van de chemische precursoren. De oplossing-verwerkte AgBi2ik7 dunne films vertonen een cubic-fase kristalstructuur, dichte, pinhole-vrije oppervlakte morphologies met korrels variërend in grootte van 200 tot 800 nm en een indirecte bandgap van 1.87 eV. De resulterende AgBi2ik7 dunne lagen Toon goede lucht van stabiliteit en energie band diagrammen, evenals oppervlakte morphologies en optische bandgaps geschikt voor loodvrij en lucht-stable single-junction zonne-cellen. Zeer recent nog werd een zonnecel met 4,3% energie conversie-efficiëntie verkregen door het optimaliseren van de Ag-Bi-I crystal composities en de zonnecel apparaat platforms.
Introduction
Anorganische dunne-film zonnecellen oplossing-verwerkt zijn door vele onderzoekers willen zonlicht omzetten in elektriciteit1,2,3,4,5rechtstreeks wijd bestudeerd. Met de ontwikkeling van materiële synthese en apparaat architectuur, zijn lood halogenide gebaseerde perovskites gemeld te zijn de beste zonnecel absorptieflessen met een energie conversie efficiency (PCE) groter dan 22%5. Echter zijn er toenemende bezorgdheid over het gebruik van giftige lood, evenals stabiliteitsproblemen van lood-halogenide perovskiet zelf.
Er werd onlangs gemeld dat bismut gebaseerde hybride perovskites kan worden gevormd door de integratie van monovalent kationen in een complexe eenheid van bismut jodide en dat deze kunnen worden gebruikt als fotovoltaïsche absorptieflessen in mesoscopische zonnecel platforms6, 7,8. Het lood in de perovskites kan worden vervangen door bismut, die de 6s heeft2 buitenste vrij elektronenpaar; echter zijn tot nu toe alleen conventionele lood halogenide methoden gebruikt voor hybride bismut gebaseerde perovskites met ingewikkelde kristalstructuren, ondanks het feit dat zij verschillende oxidatie Staten en chemische eigenschappen9 hebben. Bovendien, deze perovskites hebben slechte oppervlakte morphologies en produceren van de relatief dik films in de context van dunne-film apparaat toepassingen; Daarom hebben ze een slechte fotovoltaïsche prestaties met hoge band-gap energie (> 2 eV)6,7,8. Dus, we willen een nieuwe methode voor de productie van bismut gebaseerde dunne-film halfgeleiders, die milieuvriendelijk, lucht-stable zijn, vinden en hebben lage band-gap energie (< 2 eV), gezien het ontwerp van het materiaal en de methodologie.
Presenteren we een oplossing-verwerkte Ag-Bi-I ternaire dunne lagen, die kunnen worden gekristalliseerd AgBi2ik7 en Ag2BiI5, voor loodvrij en lucht-stable halfgeleiders10,11. In deze studie voor de AgBi2ik7 samenstelling, n-butylamine wordt gebruikt als oplosmiddel te ontbinden tegelijk de Zilverjodide (AgI) en bismut jodide (BiI3) precursoren. Het mengsel is rotatie-gegoten en ontharde bij 150 ° C gedurende 30 minuten in een N-2-gevuld handschoenenkastje; vervolgens zijn de films uitgeblust tot kamertemperatuur. De resulterende dunne films zijn bruin-zwarte in kleur. Bovendien, worden de bovengrondse morfologie en crystal samenstelling van de Ag-Bi-I ternaire systemen gecontroleerd door de onthardende temperaturen en voorloper verhouding AgI/BiI3. De resulterende AgBi2ik7 dunne films vertonen een kubieke fase kristalstructuur, dicht en glad oppervlak morphologies met grote korrels voor 200-800 nm in grootte en een optische band gap van 1.87 eV begint te absorberen van licht van een golflengte van 740 nm . Het werd onlangs gemeld dat door het optimaliseren van de crystal composities en architectuur, Ag-Bi-I ternaire dunne-film zonnecellen een PCE van 4,3 bereiken kunnen %.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wij hebben een gedetailleerd protocol voor de fabricage van de oplossing van de Ag-Bi-I ternaire halfgeleiders, die kan alleen worden misbruikt als fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen in dunne-film zonnecellen met mesoscopische apparaat platforms verstrekt. c-TiO2 lagen werden gevormd op FTT substraten om te voorkomen dat elektron lekkage stroomt in de FTO-elektroden. m-TiO2 lagen ontstonden opeenvolgend op c-TiO2-gecoat FTT substraten ter verbetering van de elektron extracties gege…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Daegu Gyeongbuk Instituut voor wetenschap en technologie (DGIST) onderzoek en ontwikkeling (O & O) programma’s van het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning Korea (18-ET-01). Dit werk werd ook ondersteund door de Korea Instituut voor energie technologie evaluatie en Planning(KETEP) en het ministerie van handel, industrie & Energy(MOTIE) van de Republiek Korea (nr. 20173010013200).
Materials
| 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 |
Referencias
- Grätzel, M. The Light and Shade of Perovskite Solar Cells. Nature Materials. 13, 838-842 (2014).
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature. 499, 316-319 (2013).
- Yang, W. S., et al. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
- Park, B. -. W., et al. Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application. Advanced Materials. 27 (43), 6806 (2015).
- Hoye, R. L. Z., et al. Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber. Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).
- Lyu, M., et al. Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites. Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).
- Mitzi, D. B. Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer. Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).
- Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases. Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).
- Kim, Y., et al. Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).
- Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. Etude du Systeme AgIBiI3. Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).
- Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films. Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).
- Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films. Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).
- Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).
- Tezel, F. M., Kariper, &. #. 3. 0. 4. ;. A. Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films. Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).
- Chai, W. -. X., Wu, L. -. M., Li, J. -. Q., Chen, L. A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities. Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).
- Konstantatos, G., et al. Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors. Nature. 442, 180-183 (2006).
- Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids. CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).
- Zhu, X. H., et al. Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2′-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates. Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).
- Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide. ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).
- Turkevych, I., et al. Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites. ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).
