Lösning-bearbetade ”Silver-vismut-jod” ternära tunna filmer för blyfria solceller absorbenter
Summary
Häri, vi presenterar detaljerade protokoll för lösning-bearbetade silver-vismut-jod (Ag-Bi-I) ternära semiconductor tunna filmer fabricerade på TiO2-belagda transparenta elektroder och deras potentiella tillämpning som luft-stabil och blyfri optoelektroniska enheter.
Abstract
Vismut-baserade hybrid perovskiter betraktas som lovande foto-aktiva halvledare för miljö- och luft-stabil solcell applikationer. Dock har dålig yta morfologier och relativt högt bandgap energier begränsat sin potential. Silver-vismut-jod (Ag-Bi-I) är en lovande halvledare för optoelektroniska enheter. Därför visar vi tillverkning av Ag-Bi-I ternära tunna filmer med materiell lösning bearbetning. De resulterande tunna filmerna uppvisar kontrollerad yta morfologier och optiska bandgaps enligt deras termisk glödgning temperaturer. Dessutom har det rapporterats att Ag-Bi-I ternära system kristallisera till Ramonas2jag7, Ag2BiI5, etc. enligt kvoten mellan prekursorerna. Den lösning-bearbetade Ramonas2jag7 tunna filmer uppvisar en kubik-fas kristallstruktur, tät, pinhole-fri yta morfologier med korn som varierar i storlek från 200 till 800 nm och en indirekta bandgap 1,87 ev. Den resulterande Ramonas27 tunna filmer Visa bra luft stabilitet och energi bandet diagram, samt ytan morfologier och optiska bandgaps lämplig för blyfria och air-stabil singel-korsningen solceller. Helt nyligen erhölls en solcell med 4,3% power verkningsgraden genom att optimera Ag-Bi-I crystal kompositioner och solcell enheten arkitekturer.
Introduction
Lösning-bearbetade oorganiska tunnfilms-solceller har ofta studerats av många forskare försöker omvandlar solljus direkt till El1,2,3,4,5. Med utvecklingen av material syntes och enhet arkitektur, har bly halide-baserade perovskiter rapporterats vara de bästa solcell absorbenter med en power-verkningsgrad (PCE) som större än 22%5. Dock det växande oro över användningen av giftig bly, liksom stabilitetsproblem av bly-halide perovskit själv.
Det har nyligen rapporterats att vismut-baserade hybrid perovskiter kan bildas genom att införliva monovalenta katjoner i en vismut jodid komplex enhet och att dessa kan användas som solceller absorbenter i Mesoskopisk solcell arkitekturer6, 7,8. Ledningen i perovskiter kan ersättas med vismut, som har 6s2 yttre ensamstående par; dock har hittills endast konventionella bly halide metoder använts för vismut-baserade hybrid perovskiter med komplexa kristallstrukturer, trots att de har olika oxidationstal och kemiska egenskaper9. Dessutom, dessa perovskiter har dålig yta morfologier och producera relativt tjocka filmer i samband med ansökningar som tunnfilms-enhet; Därför har de en dålig solceller prestanda med hög band-gap energi (> 2 eV)6,7,8. Således, vi försökte hitta en ny metod att producera vismut-baserade tunnfilms-halvledare, som är miljövänliga, air-stabil, och har låg band-gap energi (< 2 eV), med tanke på materialdesign och metodik.
Vi presenterar lösningen-bearbetade Ag-Bi-I ternära tunna filmer, som kan vara kristalliserat till Ramonas2jag7 och Ag2BiI5, för blyfria och air-stabil halvledare10,11. I denna studie för Ramonas2jag7 sammansättning, n-BUTYLAMIN används som lösningsmedel för att samtidigt upplösa den silver jodid (AgI) och vismut jodid (BiI3) prekursorer. Blandningen är spinn-cast och glödgad vid 150 ° C i 30 min i en N2-fylld handskfacket; filmerna är därefter härdas till rumstemperatur. De resulterande tunna filmerna är brun-svart färg. Dessutom styrs den ytan morfologi och crystal sammansättning av Ag-Bi-I ternära system av glödgning temperaturer och föregångare förhållandet AgI/BiI3. Den resulterande Ramonas2jag7 tunna filmer uppvisar en kubisk fas kristallstruktur, tät och slät yta morfologier med stora kärnor av 200-800 nm storlek och en optisk band gap av 1,87 eV börjat absorberar ljus från en våglängd på 740 nm . Det har nyligen rapporterats att Ag-Bi-I ternära tunnfilms-solceller genom att optimera crystal kompositioner och enhet arkitektur, kan uppnå en PCE med 4,3%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har gett ett detaljerat protokoll för lösning tillverkning av Ag-Bi-I ternära halvledare, som utnyttjas som blyfria solceller absorbenter i tunnfilms-solceller med Mesoskopisk enhet arkitekturer. c-TiO2 lager bildades på FTO substrat att undvika elektron läckage flyter in FTO elektroderna. m-TiO2 lager bildades sekventiellt på c-TiO2-belagda FTO substrat till förbättra de elektron extraktioner genereras från fotoelektromotoriska absorptionskärlen (dvs, de Ag-Bi-I tun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Daegu Gyeongbuk Institutet för vetenskap och teknik (DGIST) forskning och utveckling (FoU) program av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering av Korea (18-ET-01). Detta arbete fick också stöd av Korea Institute av energi teknik utvärdering och Planning(KETEP) och ministeriet för handel, industri & Energy(MOTIE) av Republiken Korea (nr 20173010013200).
Materials
| Bismuth(III) iodide, Puratronic, 99.999% (metals basis) | Afa Aesar | 7787-64-6 | stored in N2-filled condition |
| Silver iodide, Premion, 99.999% (metals basis) | Afa Aesar | 7783-96-2 | stored in N2-filled condition |
| Butylamine 99.5% | Sigma-Aldrich | 109-73-9 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
| Isopropyl alcohol (IPA) | Duksan | 67-63-0 | Electric High Purity GRADE |
| Titanium(IV) isopropoxide | Sigma-Aldrich | 546-68-9 | ≥97.0% |
| Ethyl alcohol | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | 200 proof, ACS reagent, ≥99.5% |
| Hydrochloric acid | SAMCHUN | 7647-01-0 | Extra pure |
| Titanium tetrachloride (TiCl4) | sharechem | ||
| 50nm-sized TiO2 nanoparticle paste | sharechem | ||
| 2-propanol | Sigma-Aldrich | 67-63-0 | anhydrous, 99.5% |
| Terpineol | Merck | 8000-41-7 | |
| Heating oven | WiseTherm | ||
| Oxygen (O2) plasma | AHTECH | ||
| X-ray diffraction (XRD) | Rigaku | Rigaku Miniflex 600 diffractometer with a NaI scintillation counter and using monochromatized Cu-Kα radiation (1.5406 Å wavelength). |
|
| Fourier transform infrared (FTIR) | Bruker | Bruker Tensor 27 | |
| field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) | Hitachi | Hitachi SU8230 | |
| UV-Vis spectra | PerkinElmer | PerkinElmer LAMBDA 950 Spectrophotometer |
|
| Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) | RBD Instruments | PHI5500 Multi-Technique system |
References
- Grätzel, M. The Light and Shade of Perovskite Solar Cells. Nature Materials. 13, 838-842 (2014).
- Green, M. A., Ho-Baillie, A., Snaith, H. J. The emergence of perovskite solar cells. Nature Photonics. 8, 506-514 (2014).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Burschka, J., et al. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature. 499, 316-319 (2013).
- Yang, W. S., et al. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells. Science. 356 (6345), 1376-1379 (2017).
- Park, B. -. W., et al. Bismuth Based Hybrid Perovskites A3Bi2I9 (A: Methylammonium or Cesium) for Solar Cell Application. Advanced Materials. 27 (43), 6806 (2015).
- Hoye, R. L. Z., et al. Methylammonium Bismuth Iodide as a Lead-Free, Stable Hybrid Organic-Inorganic Solar Absorber. Chemistry−European Journal. 22 (8), 2605-2610 (2016).
- Lyu, M., et al. Organic-Inorganic Bismuth (III)-Based Material: A Lead-Free, Air-Stable and Solution-Processable Light-Absorber beyond Organolead Perovskites. Nano Research. 9 (3), 692-702 (2016).
- Mitzi, D. B. Organic-Inorganic Perovskites Containing Trivalent Metal Halide Layers: The Templating Influence of the Organic Cation Layer. Inorganic Chemistry. 39 (26), 6107-6113 (2000).
- Mashadieva, L. F., Aliev, Z. S., Shevelkov, A. V., Babanly, M. B. Experimental Investigation of the Ag-Bi-I Ternary System and Thermodynamic Properties of the Ternary Phases. Journal of Alloys and Compounds. 551, 512-520 (2013).
- Kim, Y., et al. Pure Cubic-Phase Hybrid Iodobismuthates AgBi2I7 for Thin-Film Photovoltaics. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9586-9590 (2016).
- Fourcroy, P. H., Palazzi, M., Rivet, J., Flahaut, J., Céolin, R. Etude du Systeme AgIBiI3. Materials Research Bulletin. 14 (3), 325-328 (1979).
- Kondo, S., Itoh, T., Saito, T. Strongly Enhanced Optical Absorption in Quench-Deposited Amorphous AgI Films. Physical Review B. 57 (20), 13235-13240 (1998).
- Kumar, P. S., Dayal, P. B., Sunandana, C. S. On the Formation Mechanism of γ-AgI Thin Films. Thin Solid Films. 357 (2), 111-118 (1999).
- Validźić, I. L., Jokanpvić, V., Uskoković, D. P., Nedeljković, J. M. Influence of Solvent on the Structural and Morphological Properties of AgI Particles Prepared Using Ultrasonic Spray Pyrolysis. Materials Chemistry and Physics. 107 (1), 28-32 (2008).
- Tezel, F. M., Kariper, &. #. 3. 0. 4. ;. A. Effect of pH on Optic and Structural Characterization of Chemical Deposited AgI Thin Films. Materials Research Ibero-American Journal of Materials. 20 (6), 1563-1570 (2017).
- Chai, W. -. X., Wu, L. -. M., Li, J. -. Q., Chen, L. A Series of New Copper Iodobismuthates: Structural Relationships, Optical Band Gaps Affected by Dimensionality, and Distinct Thermal Stabilities. Inorganic Chemistry. 46 (21), 8698-8704 (2007).
- Konstantatos, G., et al. Ultrasensitive Solution-Cast Quantum Dot Photodetectors. Nature. 442, 180-183 (2006).
- Mercier, N., Louvaina, N., Bi, W. Structural Diversity and Retro-Crystal Engineering Analysis of Iodometalate Hybrids. CrystEngComm. 11 (5), 720-734 (2009).
- Zhu, X. H., et al. Effect of Mono- versus Di-ammonium Cation of 2,2′-Bithiophene Derivatives on the Structure of Organic-Inorganic Hybrid Materials Based on Iodo Metallates. Inorganic Chemistry. 42 (17), 5330-5339 (2003).
- Zhu, H., Pan, M., Johansson, M. B., Johansson, E. M. J. High Photon-to-Current Conversion in Solar Cells Based on Light-Absorbing Silver Bismuth Iodide. ChemSusChem. 10 (12), 2592-2596 (2017).
- Turkevych, I., et al. Photovoltaic Rudorffites: Lead-Free Silver Bismuth Halides Alternative to Hybrid Lead Halide Perovskites. ChemSusChem. 10 (19), 3754-3759 (2017).
