स्वरित्र बैंड गैप Pinhole-फ्री Methylammonium लीड Halide Perovskite फिल्मों के लिए कम दबाव वाष्प-सहायता समाधान प्रक्रिया
Summary
यहां, हम ch3nh3मैं और ch3एनएच3बीआर पुरोगामी और pinhole के बाद के गठन के संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल मौजूद-free, निरंतर CH3NH3PbI3-xBrx पतली फिल्मों के लिए उच्च दक्षता सौर कोशिकाओं और अन्य optoelectronic उपकरणों में आवेदन ।
Abstract
Organo-सीसा halide perovskites हाल ही में पतली फिल्म photovoltaics और optoelectronics में संभावित अनुप्रयोगों के लिए बहुत रुचि आकर्षित किया है । इस के साथ साथ, हम इस सामग्री के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल वर्तमान के माध्यम से कम दबाव भाप सहायता समाधान प्रक्रिया (एल. पी.-वीएएसपी) विधि, जो पैदावार ~ 19% planar heterojunction perovskite सौर कोशिकाओं में बिजली रूपांतरण दक्षता । सबसे पहले, हम methylamine और इसी halide एसिड (हाय या HBr) से methylammonium आयोडाइड (ch3एनएच3मैं) और methylammonium ब्रोमाइड (ch3nh3Br) के संश्लेषण की रिपोर्ट । फिर, हम pinhole के निर्माण का वर्णन मुक्त, सतत methylammonium-सीसा halide perovskite (CH3NH3PbX3 साथ X = I, Br, Cl और उनके मिश्रण) LP-वीएएसपी के साथ फिल्ंस । यह प्रक्रिया दो चरणों पर आधारित है: i) स्पिन-एक सब्सट्रेट पर सीसा halide अग्रदूत की एक समरूप परत की कोटिंग, और द्वितीय) ch3NH3PbI3-xBrx के लिए इस परत के रूपांतरण ch के एक मिश्रण की वाष्प के लिए सब्सट्रेट को उजागर करके 3 एनएच3मैं और CH3nh3बीआर कम दबाव और १२० डिग्री सेल्सियस पर । नेतृत्व halide अग्रदूत में methylammonium halide भाप के धीमी प्रसार के माध्यम से, हम एक सतत, pinhole मुक्त perovskite फिल्म की धीमी और नियंत्रित वृद्धि प्राप्त करते हैं । एल. पी. एस.-वीएएसपी 0 ≤ एक्स ≤ 3 के साथ CH3NH3PbI3-xBrx में पूर्ण halide संरचना अंतरिक्ष के लिए सिंथेटिक का उपयोग की अनुमति देता है । वाष्प चरण की संरचना के आधार पर, bandgap १.६ ev ≤ Eg ≤ २.३ ev के बीच ट्यून किया जा सकता है । इसके अलावा, halide अग्रदूत और वाष्प चरण की संरचना अलग करके, हम भी CH3NH3PbI3-xClxप्राप्त कर सकते हैं । एल. पी.-वीएएसपी से प्राप्त फिल्मों प्रतिलिपि, चरण शुद्ध के रूप में एक्स-रे विवर्तन माप द्वारा की पुष्टि कर रहे हैं, और उच्च photoluminescence क्वांटम उपज दिखाओ । प्रक्रिया एक glovebox के उपयोग की आवश्यकता नहीं है ।
Introduction
संकर कार्बनिक-अकार्बनिक सीसा halide perovskites (CH3NH3PbX3, X = मैं, Br, Cl) अर्धचालक कि पिछले कुछ वर्षों के भीतर तेजी से उभरा है की एक नई श्रेणी के हैं । इस सामग्री वर्ग उच्च अवशोषण गुणांक1, स्वरित्र bandgap2, लंबे समय चार्ज वाहक प्रसार लंबाई3, उच्च दोष सहिष्णुता4, और उच्च photoluminescence के रूप में उत्कृष्ट अर्धचालक गुण, दिखाता है क्वांटम उपज5,6। इन विशेषताओं का अनूठा संयोजन optoelectronic उपकरणों में आवेदन के लिए सीसा halide perovskites बहुत आकर्षक बनाता है, जैसे एकल जंक्शन7,8 और multijunction photovoltaics9, 10, पराबैंगनीकिरण11,12, और13एल ई डी ।
CH3NH3PbX3 फिल्मों सिंथेटिक तरीकों14की एक किस्म है, जो ऊर्जा अनुप्रयोगों15के लिए इस semiconducting सामग्री की दक्षता में सुधार लाने के उद्देश्य से गढ़े जा सकता है । हालांकि, फोटोवोल्टिक उपकरणों के अनुकूलन halide perovskite सक्रिय परत की गुणवत्ता पर निर्भर करता है, साथ ही साथ अपने इंटरफेस के साथ साथ साथ (यानी इलेक्ट्रॉन और होल परिवहन परतें) चार्ज चयनात्मक संपर्क, जो इन में photocarrier संग्रह की सुविधा उपकरणों. विशेष रूप से, सतत, pinhole मुक्त सक्रिय परतों अलग धकेलना प्रतिरोध को कम करने के लिए आवश्यक हैं, जिससे डिवाइस के प्रदर्शन में सुधार.
organo-सीसा halide perovskite पतली फिल्मों के निर्माण के लिए सबसे व्यापक तरीकों में से एक है समाधान आधारित है और निर्वात आधारित प्रक्रियाओं । सबसे आम समाधान प्रक्रिया सीसा halide और methylammonium halide भंग dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), या γ-butyrolactone (GBL), या इन सॉल्वैंट्स के मिश्रण के equimolar अनुपात का उपयोग करता है । 2 , 16 , 17 अग्रदूत molarity और विलायक प्रकार, साथ ही एनीलिंग तापमान, समय और वातावरण, ठीक सतत और pinhole मुक्त फिल्मों को प्राप्त करने के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए । 16 उदाहरण के लिए, सतह कवरेज में सुधार करने के लिए, एक विलायक इंजीनियरिंग तकनीक को घने और बेहद समान फिल्मों उपज का प्रदर्शन किया गया । 17 इस तकनीक में, एक गैर विलायक (टोल्यूनि) perovskite समाधान के कताई के दौरान perovskite परत पर dripped है । 17 इन दृष्टिकोण आमतौर पर अच्छी तरह से mesoscopic heterojunctions, जो वृद्धि हुई संपर्क क्षेत्र और कम वाहक परिवहन लंबाई के साथ एक इलेक्ट्रॉन चयनात्मक संपर्क के रूप में mesoporous TiO2 रोजगार के लिए अनुकूल हैं ।
हालांकि, planar heterojunctions, जो चुनिंदा संपर्कों का उपयोग पतली के आधार पर (आमतौर पर TiO2) फिल्मों, और अधिक वांछनीय है क्योंकि वे एक सरल और स्केलेबल विंयास कि अधिक आसानी से सौर सेल प्रौद्योगिकी के रूप में अपनाया जा सकता है प्रदान करते हैं । इसलिए, organo-सीसा halide perovskite सक्रिय परतों है कि उच्च दक्षता और planar heterojunctions के लिए आपरेशन के तहत स्थिरता दिखाने के विकास के इस क्षेत्र में तकनीकी प्रगति के लिए नेतृत्व कर सकते हैं । हालांकि, मुख्य चुनौतियों में से एक planar heterojunctions बनाना अभी भी सक्रिय परत की एकरूपता द्वारा प्रतिनिधित्व किया है । कुछ प्रयास, वैक्यूम प्रक्रियाओं के आधार पर, पतली TiO2 फिल्मों पर वर्दी परतों को तैयार करने के लिए किया गया है । उदाहरण के लिए, Snaith और सहयोगियों के एक दोहरे वाष्पीकरण की प्रक्रिया है, जो उच्च शक्ति के साथ फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए रूपांतरण क्षमता समरूप perovskite परतों उपज का प्रदर्शन किया है । 18 जबकि यह काम क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण उंनति का प्रतिनिधित्व करता है, उच्च वैक्यूम प्रणालियों के उपयोग और सक्रिय परत की संरचना की tunability की कमी इस विधि की प्रयोज्यता सीमा । दिलचस्प है, अत्यंत उच्च एकरूपता वाष्प सहायता समाधान प्रक्रिया (वीएएसपी)19 और संशोधित कम दबाव वीएएसपी (एल. पी.-वीएएसपी)6,20के साथ हासिल किया गया है । जबकि वीएएसपी, यांग और सहयोगियों द्वारा प्रस्तावित19, उच्च तापमान और एक दस्ताने बॉक्स के उपयोग की आवश्यकता है, एल. पी.-वीएएसपी methylammonium halide वाष्प की उपस्थिति में एक सीसा halide अग्रदूत परत के एनीलिंग पर आधारित है, कम दबाव में और एक fumehood में अपेक्षाकृत कम तापमान । इन विशिष्ट स्थितियों का उपयोग मिश्रित perovskite रचनाएं सक्षम करें, और शुद्ध ch3एनएच3PbI3, ch3nh3PbI3-xसीएलएक्स, ch3nh3PbI3- xBrx, और CH3NH3PbBr3 आसानी से प्राप्त किया जा सकता है । विशेष रूप से, CH3NH3PbI3-xBrx फ़िल्में पूर्ण रचना स्थान पर उच्च optoelectronic गुणवत्ता और reproducibility6,20के साथ संश्लेषित किया जा सकता है ।
इस के साथ साथ, हम एल. पी.-वीएएसपी के माध्यम से कार्बनिक अकार्बनिक सीसा halide perovskite परतों के संश्लेषण के लिए प्रोटोकॉल का विस्तृत विवरण प्रदान करते हैं, synthesizing methylammonium halide पुरोगामी के लिए प्रक्रिया भी शामिल है । एक बार अग्रदूतों संश्लेषित कर रहे हैं, CH3NH3PbX3 फिल्मों के गठन एक दो कदम प्रक्रिया है कि मैं शामिल है) PbI के स्पिन-कोटिंग2/PbBr2 (PbI2, या PbI2/PbCl 2) कांच सब्सट्रेट या फ्लोरीन-मैगनीज टिन ऑक्साइड (FTO) लेपित ग्लास सब्सट्रेट planar TiO2के साथ, इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में, और द्वितीय) CH3NH3के मिश्रण में कम दबाव भाप सहायता एनीलिंग और CH3NH3Br कि पतले वांछित ऑप्टिकल bandgap (१.६ ev ≤ Eg ≤ २.३ ev) के आधार पर समायोजित किया जा सकता है । इन स्थितियों के तहत, वाष्प चरण में मौजूद methylammonium halide अणुओं को धीरे से सीसा halide तनु फिल्म उपज सतत, pinhole-मुक्त halide perovskite फिल्मों में फैलाना । इस प्रक्रिया को दो गुना खंड विस्तार प्रारंभिक लीड halide के प्रणेता परत से पूरा कार्बनिक-अकार्बनिक सीसा halide perovskite के लिए पैदावार । perovskite फिल्म की मानक मोटाई लगभग ४०० एनएम है । यह दूसरी स्पिन कोटिंग कदम की गति को बदलकर 100-500 एनएम के बीच इस मोटाई बदलती संभव है । उच्च optoelectronic गुणवत्ता की फिल्मों में प्रस्तुत तकनीक परिणाम है, जो की शक्ति रूपांतरण क्षमता के साथ फोटोवोल्टिक उपकरणों के लिए 19% का उपयोग कर एक Au/spiro-OMeTAD/CH3NH3PbI3-xBrx/ कॉंपैक्ट TiO2/FTO/ग्लास सौर सेल वास्तुकला । 21
Protocol
सावधानी: कृपया उपयोग करने से पहले सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) देखें । इन syntheses में इस्तेमाल रसायनों के कई तीव्रता से विषाक्त कर रहे हैं, यलो, और प्रजनन के लिए विषाक्त । विविधता और विस्फोट ज…
Representative Results
Discussion
आदेश में अत्यधिक कुशल organo-सीसा planar perovskite heterojunctions बनाना, सक्रिय परत की एकरूपता एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है । मौजूदा समाधान के लिए संमान के साथ2,16,17 और निर्वात आधारित18<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Perovskite प्रक्रिया विकास, पतली फिल्म संश्लेषण, संरचनात्मक और रूपात्मक लक्षण वर्णन कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण, एक डो ऊर्जा नवाचार हब, अमेरिका के विभाग के विज्ञान के कार्यालय के माध्यम से समर्थित के लिए संयुक्त केंद्र में प्रदर्शन किया गया ऊर्जा के तहत पुरस्कार संख्या DE-SC0004993 । C.M.S.-एफ. स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (P2EZP2_155586) से वित्तीय सहायता स्वीकार करता है ।
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
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