可変バンド ギャップ ピンホール フリー メチル鉛ハライド ペロブスカイト薄膜の低圧蒸気支援ソリューション プロセス
Summary
ここでは、提案は CH3NH3の合成のためのプロトコル CH3NH3Br 前駆体と、その後ピンホール フリー、連続 CH3NH PbI3 xBrx 3薄膜形成のため、高効率太陽電池と他のオプトエレクトロニクス デバイスのアプリケーション。
Abstract
ハロゲン化有機鉛ペロブスカイト薄膜太陽電池と光エレクトロニクスの潜在的なアプリケーションのための大きな関心を集めている最近。ここで、ペロブスカイト型太陽電池 〜 19% 電力変換効率平面ヘテロ接合が得られます低圧蒸気支援ソリューション プロセス (LP VASP) メソッドを介してこの材料の作製のためのプロトコルを提案する.まず、ヨウ化メチルの合成を報告 (CH3NH3私) とメチルアミンと対応するハロゲン酸 (HI または臭化水素酸) からメチル ブロマイド (CH3NH3Br)。その後、ピンホール フリー、連続ハロゲン化メチル鉛ペロブスカイトの作製について述べる (CH3NH3PbX3 X = 類、Br, Cl およびそれらの混合物) LP VASP の映画。このプロセスは 2 つの手順に基づいて: i) スピンコート、基板上に鉛ハロゲン前駆体の均質な層と ii) CH3NH3PbI3 xBrxチャンネルの混合物の蒸気に基板を公開することでこのレイヤーの変換3NH3私と CH3NH3Br 減圧および 120 ° C で鉛ハロゲン前駆体にメチルのハロゲン化物の蒸気の遅い拡散を通じて連続、ピンホール フリー ペロブスカイト薄膜の成長をゆっくりと制御を実現します。LP VASP CH3NH3PbI3 xBrx 0 ≤ x ≤ 3 と空間構成におけるハロゲン化物を合成使用可能します。1.6 eV ≦ Eg ≤ 間蒸気相の組成によってバンド ギャップを調整できる 2.3 eV。さらに、ハロゲン前駆体の気相の組成を変化させることにより、我々 はも CH3NH3PbI3 xClxを取得できます。LP VASP から得られる映画が再現可能な x 線回折測定および高発光量子収率とショーによって確認された純粋な相します。プロセスでは、グローブ ボックスの使用は必要ありません。
Introduction
ハイブリッド有機-無機鉛ハライド ペロブスカイト (CH3NH3PbX3X = I, Br, Cl) が最後の数年以内に急速に浮上している半導体の新しいクラス。この物質的なクラス高吸収係数1、可変ギャップ2、長い電荷キャリアの拡散長3、高い欠陥許容値4、高発光などの優れた半導体プロパティを示しています。量子収率5,6。これらの特性のユニークな組み合わせは、光電子デバイス、1 つのジャンクション7、8多接合太陽光発電9などで主役を塩ペロブスカイト アプリケーションの非常に魅力的です 10、レーザー11,12、および Led13。
エネルギー アプリケーション15の半導体材料としての効率向上を目的各種合成法14CH3NH3PbX3フィルムを加工できます。ただし、太陽光発電装置の最適化への電荷選択連絡先 (すなわち電子とホール輸送層)、これらのキャリア コレクションを容易にするインターフェイスと同様、塩ペロブスカイトのアクティブなレイヤーの品質に依存します。デバイス。具体的には、連続、ピンホール フリーの活性層はデバイスのパフォーマンスを向上、シャント抵抗を最小限に抑えるために必要です。
ハロゲン化有機鉛を製造するための最も普及している方法の中でペロブスカイト型薄膜、ソリューションおよび真空ベースのプロセスです。最も一般的なソリューション プロセスでは、ハロゲン化鉛、ジメチルホルムアミド (DMF)、ジメチルスルホキシド (DMSO)、γ-ブチロラクトン (GBL)、またはこれらの溶媒の混合物に溶解したメチルのハロゲン化物のモル比を使用します。2,16,アニール温度、時間、雰囲気と同様、 17の前駆物質のモル濃度と溶剤型は継続的かつピンホール フリーの膜を取得する正確に制御されなければなりません。16などの表面被覆率を高めるためには、溶媒工学技術を示した密集し、均一な膜。17この手法で非溶剤 (トルエン) 上に滴下ペロブスカイト層ペロブスカイト型ソリューションのスピン中に。17これらのアプローチは通常、メソポーラス TiO2電子選択的接触として高められた接触面積での採用とキャリア輸送期間の短縮によりメゾスコ ピック ヘテロ接合に最適。
ただし、に基づいて選択的な連絡先を使用して、平面ヘテロ接合薄膜 (通常 TiO2) 太陽電池技術により簡単に採用することができますシンプルかつスケーラブルな構成を提供するため、フィルムがより望ましい。したがって、高効率と平面のヘテロ接合の操作の下で安定性を示すハロゲン化有機鉛ペロブスカイトのアクティブなレイヤーの開発は、この分野で技術の進歩につながる可能性があります。しかし、平面のヘテロ接合を作製する主な課題の 1 つはまだ活性層の均一性によって表されます。真空プロセスに基づいて、いくつかの試みは、TiO2薄膜の一様な層の準備をされました。たとえば、Snaith と共同実証しているデュアル蒸発プロセスをもたらす太陽光発電用高電力変換効率の高い均質なペロブスカイト層。18この作品は分野の重要な進歩を表して、高真空システムの使用と活性層の組成の可変性の欠如を制限するこの法の適用性。興味深いことに、蒸気によるソリューション プロセス (VASP)19と変更された低圧 VASP (LP VASP)6,20非常に高い均一性を実現しています。LP VASP 削減圧力のメチルのハロゲン化物蒸気の存在下で鉛ハロゲン前駆体層のアニールに基づいて陽と共同研究19, によって提案された、VASP は、温度が高いとグローブ ボックスの使用を必要としながら、比較的低温化学。これらの特定の条件は、混合ペロブスカイト型組成と純粋な CH3NH3PbI3の作製、CH3NH3PbI3 xClxCH3NH3PbI3 – アクセスを有効にします。xBrx、および CH3NH3PbBr3を簡単に実現することができます。具体的には、高い光品質や再現性6,20CH3NH3PbI3 xBrx膜によるコンポジション空間を合成できます。
本明細書でいたしますプロトコルの詳細についてはハロゲン化有機-無機鉛の合成による LP VASP、メチルのハロゲン化物前駆体を合成するための手順を含むペロブスカイト層。CH3NH3PbX3膜の形成は PbI2/PbBr2 (PbI2、または PbI2/PbCl i) の塗布を構成する 2 つの手順で構成されています前駆体が合成後ガラス基板やフッ素ドープ酸化スズ (FTO) 2) 前駆体は、電子輸送層と ii として平面 TiO2、ガラス基板をコーティング) 低圧蒸気アシスト CH3NH3の混合物で私の熱処理とCH3NH3Br 光学バンド ギャップが目的に応じて細かく調整できる (1.6 eV ≦ Eg ≦ 2.3 eV)。これらの条件の下でメチルのハロゲン化物分子は降伏の連続、ピンホール フリー ハロゲン ペロブスカイト薄膜鉛ハライド薄膜へゆっくりと拡散反射光の気相に存在します。このプロセスには、完成した有機無機鉛ハライド ペロブスカイトに開始鉛ハロゲン前駆体層から 2 倍体積膨張が得られます。ペロブスカイト型フィルムの標準の厚さは約 400 nm。2 番目のスピン コーティング ステップの速度を変更することにより 100-500 nm の間でこの厚さは変更することが可能です。Au/スピロ ・ OMeTAD/CH3NH3PbI3 xBrxを使用して最大 19% の電力変換効率を持つ太陽光発電デバイスに変換する光電高品質の映画の提示手法/TiO2のコンパクト ・ FTO ガラス太陽電池アーキテクチャ。21
Protocol
Representative Results
Discussion
高効率有機鉛の平面のペロブスカイト型ヘテロ接合を作製するために活性層の均一性は、重要な要件です。既存ソリューション2,16,17 ,である真空ベース1819の方法論に関して、私達のプロセスは著しく構成波長可変することができますアクティブなレイヤーの影響を受けやすい合…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ペロブスカイト型プロセス開発、薄膜の合成、構造および形態学的特徴を人工光合成、DOE エネルギーのイノベーション ・ ハブの米国部門の科学のオフィスを通してサポート共同センターで行ったエネルギー賞数・ デ ・ SC0004993 の下で。C.M.S. F.スイス国立科学財団 (P2EZP2_155586) からの財政支援を認めています。
Materials
| Lead (II) bromide, 99.999% | Sigma-Aldrich | 398853 | Acute toxicity, Carcinogenicity |
| Lead (II) Iodide, 99.9985% | Alfa Aesar | 12724 | Acute toxicity, light sensitive |
| N, N-Dimethylformamide, > 99.9% | Sigma-Aldrich | 270547 | Acute toxicity, flamable; store in well ventilated place |
| Isopropyl alcohol, 99.5% | BDH | BDH1133-4LP | Flamable |
| Methylamine ca. 40% in water | TCI | M0137 | Acute toxicity, flamable; Corrosive |
| Hydrobromic acid 48 wt. % in H2O, ≥99.99% | Sigma-Aldrich | 339245 | Acute toxicity, Corrosive; air and light sensitive; store in well ventilated place |
| Hydroiodic acid 57 wt. % in H2O, distilled, stabilized, 99.95% | Sigma-Aldrich | 210021 | Corrosive; air and light sensitive; store in well ventilated place Recommended storage temperature 2/8 °C; air and light sensitiv |
| Ethyl Ether Anhydrous BHT Stabilized/Certified ACS | Fisher Chemicals | E 138-4 | Acute toxicity, flamable |
| Ethanol Denatured (Reagent Alcohol), ACS | BDH | BDH1156-4LP | Flamable |
| Alconoxdetergent | Sigma-Aldrich | 242985 | Soap utilized for substrate cleaning |
| Milli-QIntegral 3 Water Purification System | EMD Millipore | ZRXQ003WW | Dispenser of ultrapure water |
| Fluorine-doped Thin Oxide (FTO) coated glass | Thin Film Devices | Custom | Glass: dimensions 13.8mm x 15.8mm ± 0.2mm, thickness 2.3mm ± 0.1mm; FTO: dimensions 3000Å ± 100Å, resistivity 7-10 ohms/sq, transmission 82% @ 550nm) |
| Glass substrates | C & A Scientific – Premiere | 9101-E | Plain. Length: 75 mm, Width: 25 mm, Thickness: 1 mm |
| Ultrasonic Cleaner with Digital Timer and Heater | VWR | 97043-992 | 2.8 L (0.7 gal.)24L x 14W x 10D cm (97/16x 51/2x 315/16") |
| Nuclear Magnetic Resonance Advance 500 | Bruker | Z115311 | |
| Quanta 250 FEG Scanning Electron Microscope | FEI | 743202032141 | Equipped with a Bruker Xflash 5030 Energy-dispersive X-ray detector |
| SmartLab X-ray diffractometer | Rigaku | 2080B411 | Using Cu Kα radiation at 40 kV and 40 mA |
Riferimenti
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