תהליך הפתרון בסיוע אדי לחץ נמוך הלהקה Tunable הפער חריר נטול עופרת Methylammonium הליד פרוביסקיט הסרטים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לסינתזה של CH3NH3אני ו- CH3NH3Br מבשרי ואת היווצרות נטולת חריר, רציף CH3NH3מפ ל3-xBrx דק סרטים עבור הבאים יישום של תאים סולריים יעילות גבוהה והתקנים אחרים מעגל.
Abstract
הליד אורגניות-עופרת perovskites משכו לאחרונה עניין רב עבור יישומים פוטנציאליים photovoltaics סרט דק, אלקטרואופטיקה. במסמך זה, אנו מציגים פרוטוקול על הזיוף של החומר באמצעות שיטת תהליך (LP-VASP) פתרון קיטור בלחץ נמוך וסיוע, אשר מניב ~ 19% כוח יעילות ההמרה ב- heterojunction מישורי פרוביסקיט השמש תאים. ראשית, אנחנו מדווחים הסינתזה של יודיד methylammonium (CH3NH3אני) ו methylammonium ברומיד (CH3NH3Br) מתילאמין, החומצה הליד המתאים (HI או HBr). לאחר מכן, אנו מתארים את הזיוף של הליד methylammonium-עופרת נטולת חריר, רציף פרוביסקיט (CH3NH3PbX3 עם X = אני, Br, קלרנית ו תערובת שלהם) סרטים עם LP-VASP. תהליך זה מבוסס על שני שלבים: i) ספין-ציפוי שכבה הומוגנית של עופרת קודמן הליד על גבי מצע, ii) המרה של שכבה זו ל- CH3NH3מפ ל-3-x-Br-x על ידי חשיפת את המצע על שטחו תערובת של CH 3 מלון NH3אני ו- CH3NH3Br לחץ מופחת, 120 ° C. באמצעות פעפוע איטי של האדים הלידי methylammonium לתוך מבשר הליד עופרת, נוכל להשיג צמיחה איטי ומבוקר של סרט קולנוע פרוביסקיט רצופה ונטולת חריר. LP-VASP מאפשר גישה סינתטית למרחב בהרכב מלא הליד ב- CH3NH3מפ ל3-xBrx עם x ≤ 0 ≤ 3. בהתאם להרכב של שלב אדי, ניתן לכוונן את bandgap בין 1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV. בנוסף, על ידי שינוי ההרכב למבשר הליד, השלב אדי, אנחנו יכולים גם לקבל CH3NH3מפ ל-3-x-Cl-x. סרטים המתקבל LP-VASP לשחזור, שלב טהור כמו שאושר על ידי קרני רנטגן ומדידות, הצג פוטולומיניסנציה גבוהה קוונטית התשואה. התהליך אינו מחייב את השימוש הכפפות.
Introduction
Perovskites הליד עופרת אורגני-אורגנית היברידית (CH3NH3PbX3, X = אני, Br, קלרנית) הם סוג חדש של מוליכים למחצה אשר התפתחה במהירות בתוך בשנים האחרונות. השיעור גשמי הזה מציג מאפיינים מצוינים מוליכים למחצה, כגון מקדם הספיגה גבוהה1, tunable bandgap2, תשלום ארוך המוביל דיפוזיה אורך3, סובלנות גבוהה פגם4ופוטולומיניסנציה גבוהה קוונטית התשואה5,6. השילוב הייחודי של מאפיינים אלו הופך להוביל perovskites הליד אטרקטיבי עבור יישום בהתקנים מעגל, כגון צומת יחיד7,8 ו multijunction photovoltaics9, 10לייזרים11,12, נוריות13.
יכול להיות מפוברק CH3NH3PbX3 סרטים על ידי מגוון של שיטות סינתטי14, אשר שואפים לשפר את היעילות של החומר מוליכים למחצה עבור אנרגיה יישומים15. עם זאת, אופטימיזציה של התקנים פוטו מסתמך על האיכות של השכבה הפעילה של פרוביסקיט הליד, כמו גם הממשקים עם תשלום סלקטיבי אנשי קשר (קרי אלקטרון, חור הובלה שכבות), המספקות אוסף photocarrier אלה התקנים. באופן ספציפי, שכבות פעילות רציפה, ללא חריר נחוצים למזער את ההתנגדות המחלף, ובכך לשפר את ביצועי התקן.
בין השיטות הנפוצות עבור בדיית אורגניות-עופרת הליד סרטים רזה פרוביסקיט, המבוסס על פתרון מבוסס-ואקום תהליכים. תהליך הפתרון הנפוץ ביותר עושה שימוש יחסי equimolar של עופרת הליד, methylammonium הליד מומס dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (דימתיל סולפוקסיד), או γ-ביוטרולקטון (GBL) או תערובות של אלה ממיסים. 2 , 16 , חייבים להיות בדיוק כדי להשיג סרטים רציפה, ללא חריר מבוקרים 17 קודמן molarity בסוג הממס, וכן חישול טמפרטורה, זמן, האווירה. 16 . לדוגמה, כדי לשפר את כיסוי משטחים, טכניקה הממס-הנדסה הודגם תשואות צפופה, מאוד אחיד סרטים. 17 בטכניקה זו, שאינם ממיס (טולואן) שמטפטפים על גבי השכבה פרוביסקיט במהלך הסיבוב של הפתרון פרוביסקיט. 17 גישות אלה הם בדרך כלל גם מתאים mesoscopic heterojunctions, אשר מעסיקים mesoporous TiO2 בתור איש קשר סלקטיבי של אלקטרון עם אזור קשר מוגברת מופחתת נושא התחבורה אורך.
עם זאת, מישורי heterojunctions, אשר השתמש באנשי קשר סלקטיבית בהתבסס על דק (בדרך כלל TiO2) סרטים, הן רצוי יותר משום שהן מספקות תצורה פשוט ומדרגי יכולים לאמץ בקלות רבה יותר של תאים סולאריים בטכנולוגיה. לפיכך, הפיתוח של הליד אורגניות-עופרת פרוביסקיט שכבות פעיל שמראים יעילות גבוהה ויציבות תחת הפעולה עבור heterojunctions מישורי עלול להוביל פיתוחים טכנולוגיים בתחום זה. עם זאת, אחד האתגרים העיקריים כדי לבדות מישורי heterojunctions עדיין מיוצג על ידי ההומוגניות של השכבה הפעילה. נעשו כמה נסיונות, המבוססת על תהליכים ואקום, להכין שכבות אחיד על סרטים2 רזה TiO. לדוגמה, Snaith ושותפיו הדגימו תהליך אידוי כפול, אשר תשואה פרוביסקיט מאוד הומוגנית שכבות עם הספק גבוה יעילות ההמרה עבור יישומים פוטו. 18 בעוד עבודה זו מייצג של התקדמות משמעותית בתחום, השימוש של מערכות ואקום גבוהה וחוסר tunability של ההרכב של השכבה הפעילה להגביל את הישימות של שיטה זו. מעניין, אחידות גבוהה מאוד הושגה עם פתרון בסיוע אדי תהליך (VASP)19 , לחץ נמוך ששונה VASP (LP-VASP)6,20. בזמן VASP, המוצע על ידי היאנג, משתפי פעולה19, דורש טמפרטורות גבוהות יותר ושימוש בהם תא הכפפות, LP-VASP מבוסס על ריפוי של שכבה קודמן הליד עופרת בנוכחות methylammonium הליד אדי, בלחץ הקטן, הטמפרטורה נמוכה יחסית fumehood. אלה תנאים מסוימים לאפשר גישה מעורבת יצירות פרוביסקיט, ועל פבריקציה נוספת של טהור CH3NH3מפ ל3, CH3NH3מפ ל3-xClx, CH3NH3מפ ל3- xBrxו- CH3NH3PbBr3 ניתן להשיג. באופן ספציפי, יכול להיות מסונתז CH3NH3סרטים מפ ל3-xBrx מעל השטח בהרכב מלא עם מעגל גבוהה ואיכות הפארמצבטית6,20.
במסמך זה, אנו מספקים תיאור מפורט של הפרוטוקול לסינתזה של הליד עופרת אורגני-אורגניים פרוביסקיט שכבות באמצעות LP-VASP, כולל את ההליך עבור סינתזה מבשרי הליד את methylammonium. ברגע סימנים מקדימים הם מסונתז, היווצרות CH3NH3PbX3 סרטים מורכב תהליך בן שני שלבים שכוללת i) של הספין-הציפוי של מפ ל2/PbBr2 (מפ ל2או מפ ל2/PbCl קודמן 2) המצע זכוכית או פלואור-מסטול תחמוצת בדיל (FTO) מצופה זכוכית המצע עם מישורי TiO2, כמו שכבת התעבורה אלקטרון, ו- ii) הלחץ הנמוך בסיוע vapor עבור חישול ב תערובות של CH3NH3ו CH3NH3Br שניתן לכוונן דק בהתאם bandgap אופטי הרצוי (1.6 eV ≤ Eg ≤ 2.3 eV). בתנאים אלה מולקולות הלידי methylammonium מציגים שלב אדי לאט ‘ מאטום לשקוף ‘ לתוך סרט דק הליד עופרת מניב הליד רציפה, ללא נקב פרוביסקיט סרטים. תהליך זה מניב של התרחבות האחסון כפולה מן השכבה קודמן החל להוביל הליד perovskite הליד שהושלמו עופרת אורגני-אורגניים. עובי סטנדרטי של הסרט פרוביסקיט הוא בערך 400 nm. זה אפשרי לשנות את עובי בין 100-500 ננומטר על-ידי שינוי המהירות של השלב השני של ציפוי ספין. הטכניקה הציג תוצאות סרטים באיכות גבוהה מעגל, המתרגמת למכשירים פוטו בעזרת כוח יעילות ההמרה של עד 19% באמצעות3NH Au/ספירו-OMeTAD /CH3מפ ל-3-x-Br-x/ קומפקטי TiO2/ FTO/זכוכית סולארית נייד אדריכלות. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
על מנת לפברק יעילים ביותר פרוביסקיט מישורי אורגניות-עופרת heterojunctions, ההומוגניות של השכבה הפעילה יש דרישה מרכזית. קיים פתרון2,16,17 , מתודולוגיות19 מבוססי וואקום18,, התהליך שלנו הוא נוטה להפליא קומפוזיציה tunability ש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרוביסקיט תהליך פיתוח, סינתזה סרט דק, אפיון מורפולוגי מבניים נערכו במרכז מפרק פוטוסינתזה מלאכותית, רכזת חדשנות אנרגיה DOE, הנתמכים על-ידי משרד המדע של ארה ב. משרד האנרגיה תחת פרס מספר דה-SC0004993. C.M.S.-F. מאשר תמיכה כספית נדיבה של קרן המדע הלאומית השוויצרית (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).
