समाधान-प्रसंस्कृत "सिल्वर-विस्मुट-आयोडीन" सीसा-मुक्त फोटोवोल्टिक अवशोषक के लिए त्रिगुट पतली फिल्मों
Summary
इस के साथ साथ, हम समाधान के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल वर्तमान-प्रसंस्कृत चांदी विस्मुट-आयोडीन (एजी-द्वि-I) त्रिगुट अर्धचालक पतली TiO2पर गढ़े फिल्मों-लेपित पारदर्शी इलेक्ट्रोड और हवा के रूप में उनके संभावित आवेदन-स्थिर और नेतृत्व मुक्त optoelectronic उपकरणों ।
Abstract
विस्मुट आधारित संकर perovskites होनहार तस्वीर के रूप में माना जाता है-पर्यावरण के अनुकूल और हवा स्थिर सौर सेल अनुप्रयोगों के लिए सक्रिय अर्धचालक । हालांकि, गरीब सतह morphologies और अपेक्षाकृत उच्च bandgap ऊर्जा अपनी क्षमता सीमित है । चांदी-विस्मुट-आयोडीन (एजी-द्वि-I) optoelectronic उपकरणों के लिए एक होनहार अर्धचालक है । इसलिए, हम सामग्री समाधान प्रसंस्करण का उपयोग करके एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्मों के निर्माण का प्रदर्शन । परिणामस्वरूप पतली फिल्मों को नियंत्रित सतह morphologies और ऑप्टिकल bandgaps उनके थर्मल एनीलिंग तापमान के अनुसार प्रदर्शन । इसके अलावा, यह बताया गया है कि एजी-द्वि-i त्रिगुट प्रणालियों के लिए सघन AgBi2मैं7, एजी2बीि5, आदि अग्रदूत रसायनों के अनुपात के अनुसार । समाधान-प्रसंस्कृत AgBi2मैं7 पतली फिल्मों का प्रदर्शन एक घन-चरण क्रिस्टल संरचना, घने, pinhole-२०० से ८०० एनएम के आकार में लेकर अनाज के साथ मुक्त सतह morphologies, और १.८७ eV के एक अप्रत्यक्ष bandgap । परिणामी AgBi2मैं7 पतली फिल्मों अच्छी हवा स्थिरता और ऊर्जा बैंड आरेख, साथ ही सतह morphologies और ऑप्टिकल bandgaps नेतृत्व मुक्त और हवा स्थिर एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं के लिए उपयुक्त दिखा । हाल ही में, ४.३% बिजली रूपांतरण दक्षता के साथ एक सौर सेल एजी द्वि-मैं क्रिस्टल रचनाओं और सौर सेल डिवाइस आर्किटेक्चर के अनुकूलन के द्वारा प्राप्त किया गया था ।
Introduction
समाधान-प्रसंस्कृत अकार्बनिक पतली फिल्म सौर कोशिकाओं को व्यापक रूप से किया गया है कई शोधकर्ताओं द्वारा अध्ययन के लिए सीधे सूरज की रोशनी में बदलने की मांग1,2,3,4,5। सामग्री संश्लेषण और डिवाइस वास्तुकला के विकास के साथ, सीसा halide आधारित perovskites एक शक्ति रूपांतरण क्षमता (PCE) 22%5से अधिक के साथ सबसे अच्छा सौर सेल अवशोषक होने की सूचना दी गई है । हालांकि, वहां विषाक्त नेतृत्व के उपयोग के बारे में चिंता बढ़ रही हैं, साथ ही साथ नेतृत्व की स्थिरता मुद्दों-halide perovskite ही ।
यह हाल ही में बताया गया है कि विस्मुट-संकर perovskites आधारित एक विस्मुट आयोडाइड जटिल इकाई में monovalent cations शामिल द्वारा गठित किया जा सकता है और इन mesoscopic सौर सेल आर्किटेक्चर6में फोटोवोल्टिक अवशोषक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, 7,8. perovskites में लेड को विस्मुट के साथ बदला जा सकता है, जिसमें 6s2 आउटर लोन पेयर है; हालांकि, अभी तक केवल पारंपरिक सीसा halide के तरीके विस्मुट-जटिल क्रिस्टल संरचनाओं के साथ संकर perovskites आधारित के लिए इस्तेमाल किया गया है, तथ्य यह है कि वे अलग ऑक्सीकरण राज्यों और रासायनिक गुण9के बावजूद है । इसके अलावा, इन perovskites खराब सतह morphologies है और पतली फिल्म डिवाइस अनुप्रयोगों के संदर्भ में अपेक्षाकृत मोटी फिल्मों का उत्पादन; इसलिए, वे उच्च बैंड के साथ एक गरीब फोटोवोल्टिक प्रदर्शन-अंतर ऊर्जा (> 2 eV)6,7,8है । इस प्रकार, हम एक नई विधि खोजने की मांग की विस्मुट आधारित पतली फिल्म अर्धचालक, जो पर्यावरण के अनुकूल हैं, हवा स्थिर है, और कम बैंड अंतर ऊर्जा है (< 2 eV), सामग्री डिजाइन और कार्यप्रणाली पर विचार ।
हम समाधान-प्रोसेस्ड एजी-द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्मों, जो AgBi2मैं7 और एजी2बीि5के लिए सघन किया जा सकता है, नेतृत्व मुक्त और हवा स्थिर अर्धचालक10,11के लिए वर्तमान । AgBi2मैं7 संरचना के लिए इस अध्ययन में, एन butylamine एक विलायक के रूप में एक साथ चांदी आयोडाइड (आगि) और विस्मुट आयोडाइड (बीि3) पुरोगामी को भंग करने के लिए प्रयोग किया जाता है । मिश्रण स्पिन डाली है और एक N2-भरा दस्ताने बॉक्स में 30 मिनट के लिए १५० ° c पर annealed; इसके बाद, फिल्मों के कमरे के तापमान को बुझती है । परिणामी तनु फिल्मों के रंग में भूरे-काले होते हैं । इसके अलावा, सतह आकृति विज्ञान और एजी-द्वि-I त्रिगुट प्रणालियों के क्रिस्टल संरचना एनीलिंग तापमान और आगि/बीि3के अग्रदूत अनुपात द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं । परिणामस्वरूप AgBi2मैं7 पतली फिल्मों का प्रदर्शन एक घन चरण क्रिस्टलीय संरचना, घने और चिकनी सतह morphologies के बड़े अनाज के साथ २००-८०० एनएम आकार में, और १.८७ eV के एक ऑप्टिकल बैंड अंतर ७४० एनएम के एक तरंग दैर्ध्य से प्रकाश को अवशोषित करने के लिए शुरू . यह हाल ही में बताया गया है कि क्रिस्टल रचनाओं और उपकरण वास्तुकला, एजी द्वि-मैं त्रिगुट पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के अनुकूलन से ४.३% की एक PCE प्राप्त कर सकते हैं ।
Protocol
Representative Results
Discussion
हम एजी द्वि-मैं त्रिगुट अर्धचालक, जो सीसा mesoscopic डिवाइस आर्किटेक्चर के साथ पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में मुक्त फोटोवोल्टिक अवशोषक के रूप में शोषण किया जा रहे है के समाधान के निर्माण के लिए एक विस्तृत प्रोट?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को डेगू Gyeongbuk इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस ऐंड टेक्नोलॉजी (DGIST) रिसर्च ऐंड डिवेलपमेंट (आर एंड डी) प्रोग्राम ऑफ साइंस, आईसीटी और फ्यूचर प्लानिंग ऑफ कोरिया (18-एट-01) के सहयोग से किया गया । इस काम के लिए कोरिया गणराज्य के ऊर्जा प्रौद्योगिकी मूल्यांकन और नियोजन (KETEP) और व्यापार, उद्योग एवं ऊर्जा मंत्रालय ((सं. २०१७३०१००१३२००) गणतंत्र के (मोती) का समर्थन भी किया गया था ।
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 |
References
- 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).
