عملية الحل المدعوم من بخار الضغط المنخفض للفرقة الانضباطي الفجوة خالية من الثقب الرصاص ميثيلامونيوم هاليد بيروفسكيتي الأفلام
Summary
هنا، نحن نقدم بروتوكول لتوليف CH3NH3الأولى والفصل3NH3ر السلائف وتشكيل اللاحقة خالية من الثقب والمستمر CH3NH3PbI3-سرس الأغشية الرقيقة التطبيق في الخلايا الشمسية عالية الكفاءة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية البصرية.
Abstract
واجتذبت بيروفسكيتيس هاليد Organo-الرصاص مؤخرا اهتماما كبيرا للتطبيقات المحتملة الضوئية الأغشية الرقيقة والإلكترونيات الضوئية. وهنا، نقدم بروتوكول لتصنيع هذه المواد عبر طريقة بخار الضغط المنخفض وساعد الحل عملية (ليرة لبنانية-بسب)، التي تعطي كفاءة تحويل الطاقة ~ 19% في مستو هيتيروجونكشن الخلايا الشمسية بيروفسكيتي. أولاً، نحن تقرير توليف يوديد ميثيلامونيوم (CH3NH3أنا) بروميد ميثيلامونيوم (CH3NH3Br) من ميثيلاميني وحمض هاليد المقابلة (مرحبا أو هبر). ثم يصف لنا تصنيع هاليد ميثيلامونيوم قيادة خالية من الثقب والمستمر بيروفسكيتي (CH3NH3مقسم3 مع X = أنا وبرازيلي، Cl وبها خليط) الأفلام مع ليرة لبنانية-بسب. تقوم هذه العملية على خطوتين: ط) تدور-طلاء طبقة متجانسة من الرصاص هاليد السلائف على الركازة، وثانيا) تحويل هذه الطبقة إلى CH3NH3PbI3-سرس بتعريض الركيزة للأبخرة خليط CH 3 NH3الأول والفصل3NH3ر في خفض الضغط و 120 درجة مئوية. من خلال نشر بخار هاليد ميثيلامونيوم بطيئة في السلائف هاليد الرائدة، نحقق النمو البطيء والخاضعة للرقابة لفيلم بيروفسكيتي المستمر، وخاليا من الثقب. ليرة لبنانية-VASP يسمح الاصطناعية الوصول إلى مساحة تكوين هاليد كاملة في الفصل3NH3PbI3-xBrx 0 ≤ x ≤ 3. اعتماداً على تكوين مرحلة البخار، يمكن ضبطها في باندجاب بين 1.6 eV ≤ هز ≤ 2.3 eV. وبالإضافة إلى ذلك، باختلاف تكوين السلائف هاليد ومرحلة البخار، يمكننا أيضا الحصول على CH3NH3PbI3-xClx. الأفلام التي تم الحصول عليها من ليرة لبنانية-VASP استنساخه، المرحلة الصرفة التي أكدتها القياسات حيود الأشعة السينية، وإظهار photoluminescence عالية الغلة الكم. لا تتطلب العملية استخدام الدرج الأمامي.
Introduction
بيروفسكيتيس هاليد الرصاص غير العضوية العضوية المختلطة (CH3NH3مقسم3، س = أنا، Br، Cl) هي فئة جديدة من أشباه الموصلات التي ظهرت سريعاً خلال السنوات القليلة الماضية. هذه الفئة المادية يظهر خصائص أشباه الموصلات ممتازة، مثل معامل امتصاص عالية1والانضباطي bandgap2، تهمة طويلة حاملة نشر طول3، التسامح عيب عالية4وفوتولومينيسسينسي عالية الكم العائد5،6. مزيج فريد من هذه الخصائص تجعل تؤدي هاليد بيروفسكيتيس جذابة جداً للتطبيق في الأجهزة الإلكترونية البصرية، مثل تقاطع واحد7،8 و9الضوئية مولتيجونكشن، الليزر11،12، 10و13من المصابيح.
يمكن ملفقة CH3NH3مقسم3 أفلام بمجموعة متنوعة من الأساليب الاصطناعية14، التي تهدف إلى تحسين كفاءة هذه المواد انتشارية ل تطبيقات الطاقة15. ومع ذلك، الاستغلال الأمثل للأجهزة الضوئية يعتمد على نوعية هاليد بيروفسكيتي الطبقة النشطة، فضلا عن الواجهات الخاصة به مع رسوم انتقائية جهات الاتصال (أي إلكترون وثقب نقل الطبقات)، التي تسهل جمع فوتوكارير في هذه الأجهزة. على وجه التحديد، طبقات النشط المستمر، وخاليا من الثقب ضرورية لتقليل المقاومة التحويلة، مما يؤدي إلى تحسين أداء الجهاز.
بين الطرق الأكثر انتشارا لاختلاق هاليد organo الرائدة هي الأغشية الرقيقة بيروفسكيتي العمليات المستندة إلى الحل والمستندة إلى فراغ. عملية الحل الأكثر شيوعاً يستخدم نسب اكويمولار هاليد الرائدة وهاليد ميثيلامونيوم حله في γ-المادة (GBL)، dimethylformamide (DMF)، ديميثيلسولفوكسيدي ([دمس])، أو خليط من هذه المواد المذيبة. 2 , 16 , يجب أن تسيطر 17 السلائف مولاريتي ونوع المذيب، فضلا عن الصلب درجة الحرارة والوقت والغلاف الجوي، وتحديداً للحصول على الأفلام متواصلة وخالية من الثقب. 16 على سبيل المثال، تحسين التغطية السطحية، تقنية الهندسة المذيبات تجلى تسفر عن كثيفة والغاية زي أفلام. 17 في هذا الأسلوب، (التولوين) غير مذيب هو مقطر على طبقة بيروفسكيتي أثناء حركة الدوران لحل بيروفسكيتي. 17 هذه النهج عادة ما تكون مناسبة تماما هيتيروجونكشنز mesoscopic، التي توظف ميسوبوروس TiO2 كجهة اتصال انتقائية إلكترون مع المجال الاتصال زيادة وتقليل طول النقل الناقل.
ولكن هيتيروجونكشنز المستوية، التي تستخدم اتصالات الانتقائي على أساس رقيقة (عادة TiO2) الأفلام، أكثر من المرغوب فيه لأنها توفر بسيطة وقابلة لتكوين التي يمكن اعتمادها بسهولة أكبر في تكنولوجيا الخلايا الشمسية. ولذلك، تطوير هاليد الرصاص organo بيروفسكيتي الطبقات النشطة التي تظهر عالية الكفاءة والاستقرار ضمن العملية لمستو هيتيروجونكشنز قد تؤدي إلى التقدم التكنولوجي في هذا المجال. ومع ذلك، أحد التحديات الرئيسية افتعال هيتيروجونكشنز مستو تزال ممثلة بتجانس الطبقة النشطة. كما بذلت محاولات قليلة، على أساس عمليات التفريغ، إعداد طبقات موحدة في TiO2 الأغشية الرقيقة. على سبيل المثال، سنايث والمتعاونين أثبتت عملية تبخر مزدوج، التي تسفر عن طبقات بيروفسكيتي عالية متجانسة مع كفاءات التحويل الطاقة العالية للتطبيقات الكهربائية الضوئية. 18 في حين أن هذا العمل يمثل تقدما هاما في هذا المجال، استخدام نظم فراغ عالية وعدم وجود ألواح لتكوين الطبقة النشطة تحد من إمكانية تطبيق هذا الأسلوب. من المثير للاهتمام، قد تحقق التوحيد عالية للغاية مع الحل بخار-وساعدت عملية (فاسب)19 وتعديل الضغط المنخفض فاسب (ليرة لبنانية-فاسب)6،20. بينما يتطلب بسب، المقترحة من يانغ والمتعاونين19، ارتفاع درجات الحرارة، واستخدام صندوق القفازات، ليرة لبنانية–بسب يستند على الصلب طبقة الرصاص السلائف هاليد حضور بخار هاليد ميثيلامونيوم، في تقليل الضغط و درجات حرارة منخفضة نسبيا في فوميهود. هذه الشروط محددة تمكين الوصول مختلطة التراكيب بيروفسكيتي، واختلاق محض CH3NH3PbI3، الفصل3NH3PbI3-xClx, CH3NH3PbI3- سBrxو CH3NH3ببر3 يمكن أن يتحقق بسهولة. على وجه التحديد، يمكن توليفها CH3NH3PbI3-سرس الأفلام أكثر من مساحة التشكيل الكامل مع البصرية الإلكترونية عالية الجودة وإمكانية تكرار نتائج6،20.
هنا، نحن نقدم وصفاً مفصلاً للبروتوكول لتوليف هاليد الرصاص غير العضوي العضوي طبقات بيروفسكيتي عبر بسب ليرة لبنانية، بما في ذلك إجراء توليف السلائف هاليد ميثيلامونيوم. حالما يتم تصنيعه والسلائف، تشكيل CH3NH3مقسم3 أفلام تتكون من إجراء خطوتين التي تضم ط) تدور طلاء/PbBr2PbI2 (PbI2أو PbI2/PbCl 2) السلائف على الركازة زجاجية أو أكسيد القصدير يخدر فلور (إرهابية) مغلفة بالزجاج الركازة مع مستو TiO2، كطبقة النقل الإلكترون، وثانيا) انخفاض ضغط بخار ساعد الصلب في المزائج CH3NH3أنا و CH3NH3ر التي يمكن تعديلها بدقة اعتماداً على باندجاب البصرية المرغوبة (1.6 eV ≤ هز ≤ 2.3 eV). في ظل هذه الظروف، تقديم جزيئات هاليد ميثيلامونيوم في مرحلة البخار ببطء منتشر في الفيلم رقيقة هاليد الرصاص مما أسفر عن الأفلام بيروفسكيتي هاليد المستمر، وخاليا من الثقب. تؤدي هذه العملية توسيع حجم شقين من انطلاق الرصاص هاليد السلائف طبقة إلى بيروفسكيتي هاليد الرصاص غير العضوي العضوي المكتملة. معيار سمك الفيلم بيروفسكيتي هو حوالي 400 نانومتر. فمن الممكن أن تختلف هذه السماكة بين 100-500 شمال البحر الأبيض المتوسط عن طريق تغيير سرعة الدوران طلاء الخطوة الثانية. أسلوب عرض النتائج في الأفلام البصرية الإلكترونية عالية الجودة، الذي يترجم إلى الأجهزة الضوئية مع كفاءات التحويل الطاقة تصل إلى 19% استخدام الاتحاد الأفريقي/سبيرو-أوميتاد/CH3NH3PbI3-سرس/ ضغط TiO2/خلية إرهابية/الزجاج الشمسية الهندسة المعمارية. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
من أجل افتعال هيتيروجونكشنز بيروفسكيتي مستو organo الرائدة عالية الكفاءة، تجانس الطبقة النشطة شرطا أساسيا. فيما يتعلق بالقائمة الحل2،،من1617 ومنهجيات19 المستندة إلى فراغ18،، لدينا عملية ملحوظ قابلة لتشكيل ألو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بيروفسكيتي عملية التنمية، وتوليف رقيقة، الخصائص الهيكلية والمورفولوجية أجريت في مركز مشترك “الاصطناعية التمثيل الضوئي”، ومركز الابتكار الطاقة الكيان التشغيلي المعين، المدعومة من خلال “مكتب العلم” “الإدارة الأميركية” من الطاقة في إطار جائزة رقم دي-SC0004993. C.M.S.-F. وتسلم الدعم المالي من “مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية” (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 |
References
- 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).
