Процесс низкого давления паров при содействии решения перестраиваемый полоса разрыв обскуры бесплатная Methylammonium свинца галоидных перовскита фильмов
Summary
Здесь мы представляем собой протокол для синтеза CH3NH3I и CH3NH3Br прекурсоров и последующее формирование обскуры бесплатно, непрерывной CH3NH3PbI3-xBrx тонких пленок для применение в высокой эффективности солнечных батарей и других оптоэлектронных устройств.
Abstract
Органо ведущий галоидных перовскитов недавно привлек большой интерес для потенциальных приложений в тонкопленочных солнечных батарей и оптоэлектроники. Здесь мы представляем собой протокол для изготовления этого материала через метод процесса (LP-VASP) низкого давления паров при содействии раствор, который дает ~ 19% эффективности преобразования энергии в плоской гетеропереход перовскита солнечных батарей. Во-первых, мы приводим синтез methylammonium йодид (CH3NH3я) и methylammonium бромид (CH3NH3Br) от метиламина и соответствующего галоидных кислоты (HI или HBr). Затем мы опишем изготовление обскуры бесплатно, непрерывной methylammonium ведущий галоидных перовскита (CH3NH3АТС3 с X = I, Br, Cl и их смесь) фильмов с LP-VASP. Этот процесс основан на два этапа: i) спин покрытие однородный слой прекурсоров галогениды свинца на подложке, и ii) преобразование этого слоя CH3NH3PbI3-xBrx , подвергая субстрат испарениям смесью из CH 3 NH-3я и CH3NH3Br на пониженном давлении и 120 ° C. Через медленный диффузии паров галоидных methylammonium в свинец галоидных прекурсоров мы достигаем медленно и контролируемого роста непрерывного текста, где обскуры перовскита фильма. LP-VASP позволяет синтетических доступ к полной галоидных состав пространства в CH3NH3Br PbI3-xx 0 ≤ x ≤ 3. В зависимости от состава паровой фазы, bandgap может быть настроена между 1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 эВ. Кроме того изменяя состав галоидных прекурсоров и паровой фазы, мы можем также получить CH3NH3PbI3-xClx. Фильмы, полученные от LP-VASP воспроизводимость, этап чистой, как подтверждено измерений дифракции рентгеновских лучей и показать высокий фотолюминесценция квантовый выход. Этот процесс не требует использования бардачком.
Introduction
Гибридные органо неорганические свинца галоидных перовскитов (CH3NH3АТС3, X = I, Br, Cl) являются новый класс полупроводников, стала быстро в течение последних нескольких лет. Этот класс материала показывает отличные полупроводниковые свойства, такие как высокое поглощение коэффициент1, перестраиваемый bandgap2, длинные заряда перевозчик диффузии длина3, высокий дефект терпимости4и высокой фотолюминесценция квантовый выход5,6. Уникальное сочетание этих характеристик делает привести галоидных перовскитов очень привлекательным для приложения в оптоэлектронных устройствах, таких как одного соединения7,8 и многопереходных солнечных батарей9, 10, лазеры11,12и13светодиодов.
CH3NH3АТС3 фильмы могут быть изготовлены целый ряд синтетических методов14, которые направлены на повышение эффективности этого полупроводникового материала для энергии приложения15. Однако оптимизация фотоэлектрических устройств полагается на качество галоидных перовскита активного слоя, а также его интерфейсы с выборочной контакты заряда (электронов и отверстие транспортные слои), которые облегчают photocarrier коллекции в этих устройства. В частности непрерывного текста, где обскуры активные слои необходимы для сведения к минимуму Шунтирующие сопротивления, тем самым улучшая производительность устройства.
Среди наиболее распространенных методов для изготовления органо ведущий галоидных перовскита тонких пленок являются процессы на основе решения и вакуум. Процесс решения наиболее распространенных использует эквимолярных соотношениях галогениды свинца и methylammonium галоидных растворяют в диметилформамиде (DMF), диметилсульфоксид (ДМСО), или гамма-бутиролактон (GBL) или смеси этих растворителей. 2 , 16 , 17 Молярность прекурсоров и растворителей типа, а также отжига температура, время и атмосферы, должна контролироваться точно для получения непрерывной и обскуры бесплатные фильмы. 16 например, улучшить покрытие поверхности, растворитель Инжиниринг техника была продемонстрирована урожайности плотных и чрезвычайно единообразные фильмов. 17 в этой технике, не растворителя (толуол) является капала на перовскита слой во время спиннинг перовскита решения. 17 эти подходы, как правило, хорошо подходит для мезоскопических гетеропереходов, который используют мезопористых TiO2 электрона селективного контакта с увеличенная площадь контакта и уменьшена Длина транспортного перевозчика.
Однако, Вселенский гетеропереходов, которые используют выборочный контакты, основанные на тонких (обычно TiO2) фильмов, более желательным, поскольку они обеспечивают простой и масштабируемые конфигурации, которая может быть легко принята в технологии солнечных батарей. Таким образом развитие органо ведущий галоидных перовскита активные слои, которые показывают высокую эффективность и стабильность при операции для плоских гетеропереходов может привести к технологических достижений в этой области. Однако по-прежнему одной из главных задач для изготовления плоских гетеропереходов представлена однородности активного слоя. Было предпринято несколько попыток, основанный на вакуумных процессов, подготовить единообразные слои на тонких пленках TiO2 . К примеру Бостона и коллаборационистов продемонстрировали процесс двойной испарения, которые дают весьма однородной перовскита слоев с высокой мощности эффективности преобразования энергии для фотоэлектрических приложений. 18 хотя эту работу представляет собой значительное улучшение в области, использование высоких вакуумных систем и отсутствие перестройки состава активного слоя ограничить применимость данного метода. Интересно, что был достигнут чрезвычайно высокая однородность с пара помощь решение процесса (VASP)19 и изменение низкого давления VASP (LP-VASP)6,20. В то время как VASP, предложенный19Ян и коллаборационистов, требует более высоких температурах и использование перчаточного ящика, LP-VASP основывается на отжига ведущего галоидных прекурсоров слоя присутствии галоидных пара methylammonium, при давлении уменьшить и относительно низкая температура в fumehood. Эти особые условия обеспечения доступа смешанные композиции перовскита и изготовление чистого CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- xxBr и CH3NH3PbBr3 может быть легко достигнута. В частности CH3NH3PbI3-xBrx фильмы над пространства в полном составе может быть синтезировано с высоким оптоэлектронных качество и воспроизводимость6,20.
Здесь мы предоставляем подробное описание протокола для синтеза органо неорганических свинца галоидных перовскита слои через LP-VASP, включая процедуру для синтеза methylammonium галоидных прекурсоров. Как только синтезируются прекурсоры, формирования CH3NH3АТС3 фильмов состоит из двухэтапную процедуру, которая включает в себя i) спин покрытие PbI2/PbBr2 (PbI2или PbI2/PbCl 2) прекурсоров на стеклянной подложке или оксид олова легированный фтором (ИТО) покрытием стеклянной подложке с планарной TiO2, как электрон транспортный уровень и ii) низкого давления паров при содействии отжига в смесях CH3NH3я и CH3NH3Br, мелко может корректироваться в зависимости от желаемого оптических bandgap (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 эВ). В этих условиях methylammonium галоидных молекул присутствует в паровой фазе медленно диффузных в тонкопленочных галоидных свинца, уступая непрерывного текста, где обскуры галоидных перовскита фильмов. Этот процесс дает два раза объем расширения от начала свинца галоидных прекурсоров слоя перовскита галоидных завершенных органо неорганических свинца. Стандартная толщина перовскита фильма составляет около 400 Нм. Это позволяет изменять этот толщины между 100-500 Нм, изменяя скорость на втором шаге покрытие закрутки. Представлена методика приводит в фильмах высокой оптоэлектронных качества, который переводит фотоэлектрических устройств с эффективность преобразования энергии до 19%, с использованием Au/Спиро OMeTAD/ч3NH3PbI3-xBrx/ малогабаритные TiO2/ FTO стекло солнечной ячейки архитектуры. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
Для изготовления гетеропереходов высокоэффективных органо свинец плоский перовскита, однородность активного слоя является ключевым требованием. Что касается существующего решения2,,1617 и19 методологий на основе вакуумны?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Перовскита процесса развития, тонкопленочных синтеза, структурные и морфологическая характеристика были исполнены на Объединенный центр для Искусственный фотосинтез, НОО энергии инновационный центр, поддерживается через Отделение наук Департамента США Энергия под награду номер де SC0004993. К.М.Н F. признает финансовую поддержку от Швейцарский Национальный научный фонд (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
- De Wolf, S., et al. Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Performance. J. Phys. Chem. Lett. 5 (6), 1035-1039 (2014).
- Noh, J. H., Im, S. H., Heo, J. H., Mandal, T. N., Seok, S. I. Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic-Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells. Nano Lett. 13 (4), 1764-1769 (2013).
- Stranks, S. D., et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 342 (6156), 341-344 (2013).
- Oga, H., Saeki, A., Ogomi, Y., Hayase, S., Seki, S. Improved Understanding of the Electronic and Energetic Landscapes of Perovskite Solar Cells: High Local Charge Carrier Mobility, Reduced Recombination, and Extremely Shallow Traps. J. Am. Chem. Soc. 136 (39), 13818-13825 (2014).
- Deschler, F., et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors. J. Phys. Chem. Lett. 5 (8), 1421-1426 (2014).
- Sutter-Fella, C. M., et al. High Photoluminescence Quantum Yield in Band Gap Tunable Bromide Containing Mixed Halide Perovskites. Nano Lett. 16 (1), 800-806 (2016).
- Chen, W., et al. Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers. Science. 350 (6263), 944-948 (2015).
- Bi, D., et al. Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites. Sci. Adv. 2 (1), e1501170 (2016).
- Werner, J., et al. Efficient Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with Cell Area >1 cm2. J. Phys. Chem. Lett. 7 (1), 161-166 (2016).
- Kranz, L., et al. High-Efficiency Polycrystalline Thin Film Tandem Solar Cells. J. Phys. Chem. Lett. 6 (14), 2676-2681 (2015).
- Xing, G., et al. Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing. Nat. Mater. 13, 476-480 (2014).
- Deschler, F., et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors. J. Phys. Chem. Lett. 5 (8), 1421-1426 (2014).
- Tan, Z. -. K., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nat. Nanotechnol. 9, 687-692 (2014).
- Stranks, S. D., Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10, 391-402 (2015).
- Saliba, M., et al. Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency. Energy Environ. Sci. 9, 1989-1997 (1989).
- Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A., Snaith, H. J. Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 24 (1), 151-157 (2014).
- Jeon, N. J., et al. Solvent engineering for high-performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells. Nat. Mater. 13, 897-903 (2014).
- Liu, M., Johnston, M. B., Snaith, H. J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature. 501, 395-398 (2013).
- Chen, Q., et al. Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells via Vapor-Assisted Solution Process. J. Am. Chem. Soc. 136 (2), 622-625 (2014).
- Li, Y., et al. Fabrication of Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by Controlled Low-Pressure Vapor Annealing. J. Phys. Chem. Lett. 6 (3), 493-499 (2015).
- Li, Y., et al. Defective TiO2 with high photoconductive gain for efficient and stable planar heterojunction perovskite solar cells. Nat. Commun. 7, 12446 (2016).
- Gonzalez-Carrero, S., Galian, R. E., Pérez-Prieto, J. Maximizing the emissive properties of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. J. Mater. Chem. A. 3, 9187-9193 (2015).
- Zhou, H., et al. Antisolvent diffusion-induced growth, equilibrium behaviours in aqueous solution and optical properties of CH3NH3PbI3 single crystals for photovoltaic applications. RSC Adv. 5, 85344-85349 (2015).
