Processo de solução assistida por Vapor de baixa pressão para banda sintonizável Gap Pinhole-free Methylammonium chumbo haleto perovskita filmes
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para a síntese de CH3NH3eu e CH3NH3Br precursores e a subsequente formação de contínuas, livre de pinhole CH3NH3PbI3-xBrx filmes finos para a aplicação em células solares de alta eficiência e outros dispositivos optoeletrônicos.
Abstract
Haleto de organo-chumbo perovskites recentemente têm atraído grande interesse para aplicações potenciais na energia fotovoltaica de película fina e optoeletrônica. Neste documento, apresentamos um protocolo para a preparação deste material através do método de processo (LP-VASP) de solução de vapor de baixa pressão assistido, que produz ~ 19% eficiência de conversão de energia em heterojunction planar células solares de perovskita. Primeiro, nós relatamos a síntese do iodeto de methylammonium (CH3NH3eu) e brometo de methylammonium (CH3NH3Br) de metilamina e o correspondente haleto de ácido (HI ou HBr). Em seguida, descrevemos a fabricação de perovskita contínua, livre de pinhole haleto de methylammonium-chumbo (CH3NH3PbX3 com X = I, Br, Cl e sua mistura) filmes com o LP-VASP. Este processo é baseado em duas etapas: i) rotação-revestimento de uma camada homogênea de precursor de haletos de chumbo sobre um substrato e ii) conversão desta camada para CH3NH3PbI3-xBrx , expondo o substrato de vapores de uma mistura de CH 3 NH3eu e CH3NH3Br a pressão reduzida e 120 ° C. Através da lenta difusão do vapor de haleto de methylammonium para o precursor de haletos de chumbo, alcançamos crescimento lento e controlado de uma película contínua, livre de pinhole perovskita. O LP-VASP permite acesso sintético para o espaço de composição de haleto completo no CH3NH3PbI3-xBrx , com 0 ≤ x ≤ 3. Dependendo da composição da fase de vapor, o bandgap pode ser ajustado entre a eV 1,6 ≤ Eg ≤ 2,3 eV. Além disso, variando a composição do precursor haleto e da fase de vapor, podemos também obter CH3NH3PbI3-xClx. Filmes obtidos a partir do LP-VASP são reprodutíveis, fase pura como confirmado pelas medições de difração de raios x e mostrar fotoluminescência de alto rendimento de quântica. O processo não requer o uso de um porta-luvas.
Introduction
Híbridos orgânico-inorgânicos de chumbo haleto perovskites (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) são uma nova classe de semicondutores que emergiu rapidamente nos últimos anos. Este material classe mostra Propriedades de semicondutores excelente, como alta absorção coeficiente1, sintonizável bandgap2, longa carga transportadora difusão comprimento3, defeito de alta tolerância4e fotoluminescência alta 5,de rendimento quântico6. A combinação dessas características faz levar haleto perovskites muito atraente para aplicação em dispositivos optoeletrônicos, tais como a única junção7,8 e fotovoltaica multijunções9, 10, lasers11,12e LEDs13.
Filmes de3 CH3NH3PbX podem ser fabricados por uma variedade de métodos sintéticos14, que visam melhorar a eficiência deste material semicondutor para aplicações de energia15. No entanto, otimização de dispositivos fotovoltaicos depende da qualidade da camada ativa haleto perovskita, bem como suas interfaces com carga seletiva contatos (ou seja, elétrons e buraco de camadas de transporte), que facilitam a coleção photocarrier nestes dispositivos. Especificamente, contínuas, livre de pinhole camadas ativas são necessárias para minimizar a resistência de derivação, melhorando o desempenho do dispositivo.
Entre os métodos mais difundidos para a fabricação de organo-chumbo haleto perovskita filmes finos são processos baseados em solução e baseada em vácuo. O processo de solução mais comum usa relações equimolar de haletos de chumbo e haleto de methylammonium dissolvido em dimetilformamida (DMF), dimetilsulfóxido (DMSO), ou γ-butirolactona (GBL) ou misturas destes solventes. 2 , 16 , Molaridade de precursor de 17 e tipo de solvente, bem como recozimento a temperatura, tempo e atmosfera, deve ser precisamente controlado para obter filmes contínuos e livre de pinhole. 16 por exemplo, para melhorar a cobertura de superfície, uma solvente-Engenharia técnica foi demonstrada para produzir denso e extremamente uniforme filmes. 17 nesta técnica, um não-solvente (tolueno) é gotejado sobre a camada de perovskita durante o giro da solução perovskita. 17 essas abordagens são geralmente adequadas para mesoscópica heterojunctions, que empregam mesoporos TiO2 como um contacto seletivo de electrões com maior área de contato e reduziu o comprimento de transporte do transportador.
No entanto, heterojunctions planares, que uso seletivos contatos com base em fina (geralmente TiO2) filmes, são mais desejáveis, porque eles fornecem uma configuração simples e escalável que pode ser mais facilmente adoptada na tecnologia de células solares. Portanto, o desenvolvimento de organo-chumbo haleto perovskita ativo camadas que mostram alta eficiência e estabilidade sob operação para heterojunctions planar pode levar a avanços tecnológicos neste domínio. No entanto, um dos principais desafios para fabricar heterojunctions planar ainda é representado pela homogeneidade da camada ativa. Foram feitas algumas tentativas, baseadas em processos de vácuo, para preparar o uniformes camadas em filmes finos de2 TiO. Por exemplo, Canavarro e colaboradores demonstraram um processo de evaporação dual, que rendem altamente homogênea perovskita camadas com eficiências de conversão de alta potência para aplicações fotovoltaicas. 18 enquanto este trabalho representa um avanço significativo no campo, a utilização de sistemas de vácuo elevados e a falta de pré-definido da composição da camada ativa limitar-se a aplicabilidade deste método. Curiosamente, extremamente alta uniformidade foi alcançada com a solução assistida por vapor de processo (VASP)19 e modificadas de baixa pressão VASP (LP-VASP)6,20. Enquanto a VASP, proposto por Yang e colaboradores19, requer temperaturas mais altas e o uso de uma caixa de luva, o LP-VASP baseia-se no recozimento de uma camada de precursor de haleto de chumbo na presença de vapor de haleto de methylammonium, a pressão de reduzir e temperatura relativamente baixa em um fumehood. Estas condições específicas permitem acesso misturado perovskita composições e fabricação de puro CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xBrxe CH3NH3PbBr3 podem ser facilmente alcançado. Especificamente, filmes dex-3Brx de PbI CH3NH3no espaço de composição completa podem ser sintetizados com optoeletrônicos de alta qualidade e reprodutibilidade6,20.
Neste documento, nós fornecemos uma descrição detalhada do protocolo para a síntese de haleto orgânico-inorgânico chumbo perovskita camadas através do LP-VASP, incluindo o procedimento para a síntese de precursores de haleto de methylammonium. Uma vez que os precursores são sintetizados, formação de filmes de3 CH3NH3PABX consiste em um processo de duas etapas que compreende i) o rotação-revestimento do PbI2/PbBr2 (PbI2ou PbI2/PbCl 2) precursor no substrato de vidro ou óxido de estanho dopado com flúor (FTO) revestida de substrato de vidro com planar TiO2, como camada de transporte de elétrons e ii) a baixa pressão de vapor assistida recozimento em misturas de CH3NH3eu e CH3NH3Br que pode ser finamente ajustada dependendo do bandgap óptica desejada (eV 1,6 ≤ Eg ≤ 2,3 eV). Nestas condições, as moléculas de haleto de methylammonium presentes na fase vapor lentamente difusa para a película fina de chumbo iodetos produzindo filmes de perovskita haleto contínua, livre de pinhole. Este processo produz uma expansão de volume duplo da camada de precursor de haletos de chumbo inicial para a chumbo orgânico-inorgânicos concluída haleto perovskita. A espessura padrão do filme perovskita é cerca de 400 nm. É possível variar esta espessura entre 100-500 nm, alterando a velocidade da segunda etapa de revestimento de rotação. A técnica apresentada resulta em filmes de optoeletrônicos de alta qualidade, que se traduz em dispositivos fotovoltaicos com eficiência de conversão de energia de até 19% usando um /CH Au/spiro-OMeTAD3NH3PbI3-xBrx/ compacto TiO2/ FTO/vidro solar cell arquitetura. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
A fim de fabricar heterojunctions altamente eficiente perovskita planar de organo-chumbo, a homogeneidade da camada ativa é um requisito-chave. No que diz respeito a solução existente2,16,17 e metodologias de19 baseado em vácuo18,, nosso processo é notavelmente ameno pré-definido de composição da camada ativa que pode ser sintetizada sobre o completo CH3</su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Desenvolvimento de processos de perovskita, síntese de película fina, caracterização estrutural e morfológica foram realizados no centro de articulação para a fotossíntese Artificial, um Hub de inovação energética DOE, suportado através do escritório de ciência do departamento dos EUA de Energia sob prêmio número DE-SC0004993. CONVIDADOS-F. reconhece o apoio financeiro da Swiss National Science Foundation (P2EZP2_155586).
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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