Alçak basınç buhar destekli çözüm işlemini Tunable Grup Gap iğne deliği-Alerjik Methylammonium kurşun Halide Perovskite filmler için
Summary
Burada, mevcut bir protokol CH3NH3sentezi için ben ve CH3NH3Br öncüleri ve iğne deliği-Alerjik, sürekli CH3NH3PBI3-xBrx ince filmler için sonraki oluşumu uygulama yüksek verimli güneş hücreleri ve diğer opto-elektronik aygıtlar.
Abstract
Organo-kurşun halide perovskites son zamanlarda ince film fotovoltaik ve Optoelektronik potansiyel uygulamalar için yoğun ilgi çekmiştir. Burada, biz bu malzeme % ~ 19 güç dönüşüm verimliliği düzlemsel heterojunction perovskite güneş hücreleri verimleri düşük basınçlı buharı destekli çözüm süreci (LP-VASP) yöntemi ile üretim için bir iletişim kuralı mevcut. İlk olarak, biz methylammonium iyodür bir sentez raporu (CH3NH3ben) ve methylammonium bromür (CH3NH3Br) methylamine ve karşılık gelen halide asit (HI veya HBr). Sonra tarif biz iğne deliği-Alerjik, sürekli methylammonium-kurşun halide perovskite imalatı (CH3NH3PbX3 x = ben, Br, Cl ve onların karışımı) filmleri ile LP-VASP. Bu işlem iki adım dayanmaktadır: i) spin-kaplama kurşun halide öncü bir substrat üzerine homojen bir tabaka ve II) bu tabaka için belgili tanımlık substrate buharlar CH karışımı için açığa tarafından CH3NH3PBI3-xBrx 3 NH3ben ve CH3NH3Br azaltılmış basınç ve 120 ° C. Methylammonium halide buharı içine kurşun halide habercisi yavaş Difüzyon sürekli, iğne deliği-Alerjik perovskite film yavaş ve kontrollü büyümeyi gerçekleştirmek. LP-VASP CH3NH3PBI3-xBrx 0 ≤ x ≤ 3 ile tam halide kompozisyon uzayda sentetik erişmelerine izin verir. Buharı faz kompozisyon bağlı olarak, bandgap 1.6 eV ≤ Eg ≤ arasında ayarlanabilir 2.3 eV. Ayrıca, kompozisyon halide habercisi ve buharı faz değiştirerek, biz de CH3NH3PBI3-xClxedinebilirsiniz. LP-VASP elde edilen Filmler tekrarlanabilir, x-ışını kırınım ölçümleri ve gösteri yüksek photoluminescence kuantum verim tarafından doğruladı gibi saf aşama. İşlem bir torpido kullanımını gerektirmez.
Introduction
Hibrid organik-inorganik kurşun halide perovskites (CH3NH3PbX3, X = ben, Br, Cl) hızla son birkaç yıl içinde ortaya çıkan yarı iletkenler yeni bir sınıf vardır. Bu malzeme sınıfı yüksek soğurma katsayısı1, akort bandgap2, uzun şarj taşıyıcı Difüzyon uzunluğu3, yüksek kusur hoşgörü4ve yüksek photoluminescence gibi mükemmel yarı iletken özelliklerini gösterir Kuantum verimi5,6. Bu özellikleri benzersiz kombinasyonu tek Kavşağı7,8 ve multijunction fotovoltaik9gibi opto-elektronik aygıtlarda halide perovskites uygulama için çok cazip yol yapar, 10, lazerler11,12ve LED13.
CH3NH3PbX3 filmleri sentetik yöntemleri14, çeşitli tarafından hangi enerji uygulamaları15bu yarıiletken malzeme verimliliğini artırmayı hedefliyoruz sahte olduğu. Ancak, halide perovskite etkin katmanın yanı sıra arabirimlerinden photocarrier koleksiyonu bu kolaylaştırmak şarj seçici ilgili kişileri (elektron ve katmanları taşıma delik yani) ile kalitesini en iyi duruma getirme fotovoltaik cihazlar kullanır cihazlar. Özellikle, sürekli, iğne deliği ücretsiz etkin katmanları şönt direnç, böylece aygıtı performansını artırma en aza indirmek gereklidir.
Organo-kurşun halide imalatı için en yaygın yöntemler arasında çözüm ve vakum tabanlı işlemler perovskite ince filmleri vardır. En yaygın çözüm işlemini kurşun halide ve dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), γ-butirolakton (GBL) ya da bu maddeleri karışımları içinde çözünmüş methylammonium halide ekimolar oranları kullanır. 2 , 16 , 17 habercisi Derişim ve solvent tipi yanı sıra sıcaklık, zaman ve atmosfer, tavlama tam olarak sürekli ve iğne deliği ücretsiz film elde etmek için kontrol gerekir. 16 Örneğin, yüzey kapsama geliştirmek için bir çözücü-mühendislik tekniği yoğun verim ve son derece filmleri üniforma için gösterilmiştir. 17 Bu teknikte, olmayan bir çözücü (toluen) perovskite çözüm iplik sırasında perovskite katman üzerine damladı. 17 bu yaklaşımlar genellikle mesoporous TiO2 elektron seçici bir kişiyle artan temas bölgesinin ile istihdam ve taşıyıcı taşıma uzunluğu azaltılmış mezoskopik heterojunctions için de uygundur.
Ancak, temel alan seçici kişileri kullanmak düzlemsel heterojunctions (genellikle TiO2) ince filmler, onlar güneş pili teknolojisi daha kolay kabul edilebilir bir basit ve ölçeklenebilir yapılandırma, çünkü daha çekici. Bu nedenle, yüksek verimlilik ve istikrar düzlemsel heterojunctions için işlem altında göstermek organo-kurşun halide perovskite etkin katmanları gelişimi bu alandaki teknolojik gelişmeler neden olabilir. Ancak, düzlemsel heterojunctions imal etmek ana sorunlardan biri hala etkin katman homojenizasyon tarafından temsil edilir. Birkaç girişimden, vakum süreçleri, temel tek tip ince TiO2 filmleri katmanlarda hazırlamak için yapılmıştır. Örneğin, Snaith ve ortak bir çift buharlaşma süreci hangi son derece homojen perovskite katmanları fotovoltaik uygulamaları için yüksek güç dönüşüm verimliliği ile verim göstermiştir. 18 bu çalışma alanında önemli bir ilerleme temsil ederken, yüksek vakum sistemleri kullanımı ve ayar etkin katmanın kompozisyon eksikliği sınırı bu yöntem uygulanabilirliği. İlginçtir, son derece yüksek homojenlik buharı destekli çözüm süreci (VASP)19 ve değiştirilen düşük basınç VASP (LP-VASP)6,20ile elde edilmiştir. Yang ve işbirlikçileri19tarafından önerilen VASP daha yüksek sıcaklık ve bir torpido kullanılması gerekirken, LP-VASP bir kurşun halide habercisi katman methylammonium halide buharı Azalt basınçta huzurunda tavlama üzerinde temel alır ve bir fumehood nispeten düşük sıcaklık. Bu belirli koşullar karışık perovskite besteleri ve saf CH3NH3PBI3imalatı, CH3NH3PBI3-xClx, CH3NH3PBI3 – erişimi etkinleştir xBrxve CH3NH3PbBr3 kolayca elde edilebilir. Özellikle, CH3NH3PBI3-xBrx filmleri tam kompozisyon alanı üzerinde yüksek Optoelektronik kalite ve tekrarlanabilirlik6,ile20sentez.
Burada, biz perovskite Katmanlar ile LP-VASP methylammonium halide öncüleri sentezleme yordamı da dahil olmak üzere, organik-inorganik kurşun halide sentezi için protokol ayrıntılı bir açıklamasını sağlar. Bir kez öncüleri sentez, i) spin-kaplama PBI2/PbBr2 (PBI2veya PBI2/PbCl oluşan bir iki adım prosedürü CH3NH3PbX3 filmleri oluşumu oluşur 2) öncü cam alt katman veya kalay oksit (FTO) Flor katkılı boyalı cam alt katman düzlemsel TiO2, elektron taşıma katmanı ve II) alçak basınçlı Buhar destekli tavlama CH3NH3karışımları ve CH3NH3Br ince istenen optik bandgap bağlı olarak ayarlanabilir (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). Bu koşullar altında methylammonium halide molekülleri sürekli, iğne deliği-Alerjik halide perovskite Filmler verimli kurşun halide ince film yavaş yavaş diffüz buharı aşamasında mevcut. Bu işlem başlangıç kurşun halide habercisi katman tamamlanan organik-inorganik kurşun halide perovskite bir iki kat birim genişleme verir. Perovskite film standart kalınlığı yaklaşık 400 olduğunu nm. Bu kalınlık ikinci spin kaplama adım hızını değiştirerek 100-500 nm arasında değişen mümkündür. Sunulan teknik sonuçlar fotovoltaik cihazlar ile güç dönüşüm verimliliği % 19’e kadar bir Au/spiro-OMeTAD /CH3NH3PBI3-xBrxkullanarak çevirir yüksek Optoelektronik kalite filmlerde / TiO2kompakt / FTO/cam Güneş hücre mimarisi. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
Yüksek verimli organo-kurşun düzlemsel perovskite heterojunctions imal için etkin katmanın polimerlerin önemli bir gereksinimdir. Varolan çözüm2,16,17 ve18,vakum tabanlı19 metodolojileri açısından bizim olabilir etkin katman kompozisyonu ayar için son derece uysal bir süreçtir tam CH3NH3PBI3-xyüksek Optoelektronik kalite …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Perovskite süreç geliştirme, ince film sentezi, yapısal ve morfolojik karakterizasyonu yapay ABD bölümü bilim Office ile desteklenen fotosentez, DOE enerji yenilik Hub için ortak Merkezi’nde gerçekleştirilen Enerji Ödülü numara DE-SC0004993 altında. C.M.S.-F. İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (P2EZP2_155586) mali desteği kabul eder.
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).
