가변 밴드 갭 Pinhole 무료 Methylammonium 리드 할로겐 페로 영화에 대 한 낮은 압력 증기를 이용한 솔루션 과정
Summary
여기, 선물이 채널3NH3의 합성에 대 한 프로토콜 I, CH3NH3Br 선구자 및 pinhole, 지속적인 채널3NH PbI3-xBrx 3박막에 대 한 이후 형성 된 고효율 태양 전지 및 다른 광전자 장치에 응용 프로그램.
Abstract
유기-리드 할로겐 perovskites 최근 박막 태양 전지 및 광 전기 잠재적인 응용 프로그램에 대 한 큰 관심을 받고 있다. 여기, 선물이 이며 평면 heterojunction에 ~ 19%의 전력 변환 효율 페로 태양 전지를 이용한 저압 증기 솔루션 과정 (lp로-VASP) 메서드를 통해이 자료의 제작에 대 한 프로토콜. 첫째, 우리 methylammonium 요오드 화물의 합성을 보고 (채널3NH3나)와 methylammonium 브 로마 이드 (채널3NH3Br) methylamine 및 해당 할로겐 산 (하이 또는 HBr)에서. 다음, 작은 구멍, 연속 methylammonium 리드 할로겐 페로의 제작 설명 (채널3NH3PbX3 x = 나, Br, Cl 및 그들의 혼합물) lp로-VASP와 영화. 이 과정은 두 단계에 따라: i) 리드를 기판에 할로겐 전조의 균질 성 층 및 ii) 채널3NH3PbI3-xBrx 채널의 혼합물의 증기를 기판 노출 하 여이 계층의 변환의 스핀 코팅 3 NH3어 채널3NH3Br 감압 및 120 ° c. 리드 할로겐 전조로 methylammonium 할로겐 증기의 느린 유포를 통해 우리는 느리고 통제 성장을 지속, pinhole 무료 페로 영화 달성. LP-VASP 전체 할로겐 컴포지션 공간 채널3NH3PbI3-xBrx 0 ≤ x ≤ 3 합성 액세스할 수 있습니다. 밴드 갭 1.6 eV ≤ Eg ≤ 사이 조정 될 수 있다 증기 위상의 구성에 따라 2.3 eV. 또한, 구성 할로겐 전조의 및 증기 위상의 변화, 우리 또한 채널3NH3PbI3-xClx얻을 수 있습니다. LP-VASP에서 얻은 영화 재현, 순수, x-선 회절 측정 및 표시 높은 photoluminescence 양자 수율에 의해 확인 단계. 프로세스는 글러브를 사용 하 여가 필요 하지 않습니다.
Introduction
하이브리드 무기 유기 리드 할로겐 perovskites (채널3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) 급속 하 게 지난 몇 년 동안 내 등장은 반도체의 새로운 클래스는. 이 소재 클래스는 높은 흡수 계수1, 가변 전압2, 긴 충전 캐리어 확산 길이3, 높은 결함 허용 오차4, 높은 photoluminescence 등 우수한 반도체 속성을 보여 줍니다. 양자 수율5,6. 이러한 특성의 독특한 결합은 단일 접합7,8 등 multijunction 태양 전지9, 광전자 장치에서 응용 프로그램에 대 한 매우 매력적인 할로겐 perovskites 리드 10, 레이저11,12및 Led13.
채널3NH3PbX3 영화는 에너지 응용 프로그램15이 반도체 재료의 효율 향상을 목표로 다양 한 합성 방법14, 날조 될 수 있다. 그러나, 태양광 장치 최적화 충전 선택적 연락처 (즉, 전자와 레이어를 수송 하는 구멍)이 photocarrier 컬렉션을 용이 하 게 그것의 인터페이스 뿐만 아니라 할로겐 페로 활성 층의 품질에 의존 장치입니다. 특히, 연속, pinhole 무료 활성 레이어는 션트 저항, 장치 성능 향상을 최소화 하기 위해 필요 합니다.
유기-리드 할로겐 날조를 위한 가장 광범위 한 방법 가운데 페로 박막 솔루션 및 진공 기반 프로세스입니다. 가장 일반적인 솔루션 프로세스 리드 할로겐 및 methylammonium 할로겐 dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), 또는 γ-butyrolactone (GBL), 또는 혼합물이 용이 매에 용 해의 아데닌 비율을 사용 합니다. 2 , 16 , 온도, 시간, 분위기, 어 닐 링 뿐 아니라 17 전조 몰 솔벤트 타입, 연속 및 핀 홀 무료 영화를 정확 하 게 제어 해야 합니다. 16 예를 들어 표면 범위를 개선 하기 위해 용 매 공학 기술 시연 했다 조밀한 항복 하 여 영화를 매우 균일. 17 이 기법에서 비-용 매 (톨루엔)는 틈 다 떨어뜨린 페로 레이어에 페로 솔루션의 회전 하는 동안. 17 이 접근은 일반적으로 잘 mesoporous 전자 선택적 접촉으로 티 오2 증가 접촉 면적을 고용 하 고 캐리어 전송 길이 감소는 생체 heterojunctions에 적합 합니다.
그러나,에 따라 선택적 연락처를 사용 하 여 평면 heterojunctions (일반적으로 티 오2) 얇은 태양 전지 기술에 보다 쉽게 채택 될 수 있는 간단 하 고 확장 가능한 구성 제공 하기 때문에, 영화는 더 바람직한. 따라서, 높은 효율과 안정성 평면 heterojunctions에 대 한 작업을 보여 주는 유기 리드 할로겐 페로 활성 층의 개발이이 분야에서 기술 발전 될 수 있습니다. 그러나, 평면 heterojunctions를 조작 하는 주요 과제 중 하나 여전히 활성 층의 동질성 표시 됩니다. 몇 가지 시도, 진공 프로세스에 따라 티 오2 박막에 균일 한 레이어를 준비 되었습니다. 예를 들어 Snaith 및 공동 작업자 시연 듀얼 증발 프로세스는 매우 동질적인 페로 레이어 태양광 응용 프로그램에 대 한 높은 전력 변환 효율을 얻을. 18 이 분야에서 중요 한 발전을 나타내는, 활성 층의 구성의 tunability의 부족과 높은 진공 시스템의 사용 제한이 방법의 적용. 흥미롭게도, 매우 높은 균일성 증기 기반 솔루션 프로세스 (VASP)19 와 수정된 저압 VASP (lp로-VASP)6,20달성 되었습니다. LP-VASP 리드 할로겐 전조 레이어 methylammonium 할로겐 증기 압력 감소에 존재의 어 닐 링에 기반 하지만 VASP, 양 및 공동 작업자19에 의해 제안 된 더 높은 온도 및 장갑 상자를 사용 하 여, 고 상대적으로 낮은 온도 fumehood에서. 이러한 특정 조건을 혼합 페로 작곡, 그리고 순수한 채널3NH3PbI3의 제작, 채널3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3-액세스 활성화 xBrx, 그리고 채널3NH3PbBr3 쉽게 달성 될 수 있다. 특히, 전체 구성 공간 채널3NH3PbI3-xBrx 영화 높은 광전자 품질과 재현성6,20합성 수 있습니다.
여기, 우리가 제공 프로토콜에 대 한 자세한 설명을 유기 무기 리드 할로겐의 합성에 대 한 LP-VASP, methylammonium 할로겐 유도체를 합성 하는 절차를 포함 하 여 통해 페로 레이어. 채널3NH3PbX3 영화의 PbI2/PbBr2 (PbI2또는 PbI2/PbCl i) 스핀 코팅을 구성 하는 2 단계 절차 이루어져 일단 선구자는 합성 유리 기판 또는 주석 산화물 불 소 첨가 (FTO) 2) 전조 전자 전송 층, 및 ii로 평면 티 오2, 유리 기판 코팅) 저압 증기 기반 채널3NH3의 혼합물에 열 처리 및 채널3NH3원하는 광 밴드 갭에 따라 정밀 하 게 조정 될 수 있는 Br (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). 이러한 조건 하에서 methylammonium 할로겐 분자는 연속, pinhole 무료 할로겐 페로 영화 저조한 리드 할로겐 박막으로 천천히 확산 수증기 단계에서 제시. 이 프로세스 완료 된 유기 무기 리드 할로겐 페로를 시작 리드 할로겐 전조 계층에서 2 배 볼륨 확장을 생성합니다. 페로의 표준 두께 약 400 nm. 두 번째 스핀 코팅 단계의 속도 변경 하 여 100-500 nm 사이이 두께 다양 하 게 가능 하다. Au/스피로-OMeTAD /CH3NH3PbI3-xBrx를 사용 하 여 최대 19%의 전력 변환 효율 가진 태양광 장치 변환 높은 광전자 품질의 영화에서 결과 제시 기법 / 티 오2압축 / FTO/유리 솔 라 셀 아키텍처. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
고효율 유기-리드 평면 페로 heterojunctions를 조작 하기 위해 활성 층의 동질성은 핵심 요건 이다. 기존 솔루션2,,1617 및 진공 기반18,19 방법론, 우리의 과정은 눈에 띄게 될 수 있는 활성 층의 조성 tunability 의무가 전체 채널3NH3PbI3-x높은 광전자 품질과 재현성 Br<s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
페로 공정 개발, 박막 합성, 구조 및 형태학 특성 인공 광합성, DOE 에너지 혁신 허브 과학의 사무실의 미국 부의 지원에 대 한 공동 센터에서 수행한 보너스 번호 드-SC0004993에서 에너지입니다. C.M.S.-F. 스위스 국립 과학 재단 (P2EZP2_155586) 로부터 재정 지원을 인정 한다.
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 |
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