Proceso de solución asistida por Vapor de baja presión para banda sintonizables hueco agujero de alfiler-libre Methylammonium plomo haluro perovskita películas
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la síntesis de CH3NH3I y precursores de Br CH3NH3y la posterior formación de agujero de alfiler-libre, continuadas CH3NH3PbIx 3Brx películas delgadas para el aplicación en células solares de alta eficiencia y otros dispositivos optoelectrónicos.
Abstract
Organo-plomo haluro perovskitas recientemente han atraído gran interés para posibles aplicaciones en energía solar fotovoltaica de película delgada y optoelectrónica. Adjunto, presentamos un protocolo para la fabricación de este material mediante el método de proceso (LP-VASP) de vapor de baja presión asistido por solución, que da ~ 19% eficiencia de conversión de energía en heterojunction planar perovskita de células solares. En primer lugar, se presenta la síntesis de yoduro methylammonium (CH3NH3I) y el bromuro de methylammonium (CH3NH3Br) de la metilamina y el correspondiente ácido halogenuros (HI o HBr). A continuación, se describe la fabricación del agujero de alfiler-libre, continuo methylammonium plomo haluro perovskita (CH3NH3PbX3 con X = I, Br, Cl y su mezcla) películas con la LP-VASP. Este proceso se basa en dos pasos: i) spin-recubrimiento de una capa homogénea de precursor de haluro de plomo sobre un sustrato y ii) la conversión de esta capa CH3NH3PbIx 3Brx exponiendo el sustrato a los vapores de una mezcla de CH 3 NH3y CH3NH3Br a menor presión y 120 ° C. A través de la lenta difusión del vapor de halogenuros methylammonium en el precursor de haluro de plomo, logramos un crecimiento lento y controlado de una película continua, agujero de alfiler-libre de la perovskita. LP-VASP permite acceso sintético para el espacio de la composición de haluro completo en CH3NH3PbIx 3Brx con 0 ≤ x ≤ 3. Dependiendo de la composición de la fase de vapor, la energía de salto puede ajustarse entre 1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV. Además, al variar la composición del precursor del haluro y de la fase de vapor, también podemos obtener CH3NH3PbI3 xClx. Películas obtenidas de la VASP LP son reproducibles, puro según lo confirmado por mediciones de difracción de rayos x y mostrar photoluminescence alto producción de quántum de fase. El proceso no requiere el uso de una guantera.
Introduction
Híbrido orgánico-inorgánico plomo haluro perovskitas (CH3NH3PbX3, X = I, Br, Cl) son una nueva clase de semiconductores que ha surgido rápidamente en los últimos años. Esta clase de material muestra características del semiconductor excelente, tales como alta absorción coeficiente1tunable bandgap2, portador de carga larga difusión longitud3, defecto alta tolerancia4y alta fotoluminiscencia producción de Quantum de5,6. La combinación única de estas características hace conducir haluro perovskitas muy atractivo para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos, como cruce solo7,8 y fotovoltaicas multiunión9, 10, láseres11,12y LED13.
CH3NH3PbX3 films pueden ser fabricados por una variedad de métodos de síntesis14, que tienen como objetivo mejorar la eficiencia de este material semiconductor para aplicaciones de energía15. Sin embargo, optimización de los dispositivos fotovoltaicos depende de la calidad de la capa activa de la perovskita de halogenuros, así como sus interfaces con selectivo contactos de carga (electrón y agujero de capas de transporte), que facilitan la recogida de photocarrier en estos dispositivos. Específicamente, continuas, agujero de alfiler-libre capas activas son necesarias para reducir al mínimo la resistencia de desviación, mejorando el rendimiento.
Entre los métodos más extendidos para la fabricación de plomo organo haluro perovskita de películas delgadas son procesos basados en la solución y vacío. El proceso de solución más común utiliza proporciones equimolares de haluro de plomo y haluro methylammonium disuelto en dimetilformamida (DMF), dimetilsulfóxido (DMSO), γ-butirolactona (GBL) o mezclas de estos solventes. 2 , 16 , Molaridad del precursor de 17 tipo solvente, como recocido temperatura, tiempo y ambiente, debe ser precisamente controlado para obtener películas continuas y agujero de alfiler-libre. 16 por ejemplo, para mejorar la cobertura de superficie, una técnica de ingeniería de solvente fue demostrada para rendimiento denso y muy uniforme de películas. 17 en esta técnica, un no-disolvente (tolueno) se gotee sobre la capa de Perovskita durante el centrifugado de la solución de la perovskita. 17 estos enfoques generalmente están bien adaptados para mesoscópica heterojunctions, que emplean mesoporosos TiO2 como un contacto selectivo de electrón con mayor área de contacto y reduce la longitud de transporte del transportista.
Sin embargo, heterojunctions planares, que utilizan contactos selectivos en base fina (generalmente de TiO2) películas, son más deseables porque proporcionan una configuración simple y escalable que se puede adoptar más fácilmente en la tecnología de células solares. Por lo tanto, el desarrollo de capas activas de organo-plomo haluro perovskita que muestran alta eficiencia y estabilidad bajo operación de heterojunctions planar puede conducir a los avances tecnológicos en este campo. Sin embargo, uno de los principales retos para la fabricación heterojunctions planar está todavía representado por la homogeneidad de la capa activa. Se hicieron algunos intentos, basados en procesos de vacío, para preparar capas uniformes en películas delgadas de TiO2 . Por ejemplo, Snaith y colaboradores han demostrado un proceso de evaporación doble que producir capas de Perovskita muy homogéneo con eficiencias de conversión de alta potencia para aplicaciones fotovoltaicas. 18 mientras que este trabajo representa un avance significativo en el campo, el uso de sistemas de alto vacío y la falta de afinabilidad de la composición de la capa activa limitar la aplicabilidad de este método. Interesante, extremadamente alta uniformidad se ha logrado con la solución asistida de vapor de proceso (VASP)19 y baja presión modificada VASP (LP-VASP)6,20. Mientras que la VASP, propuesto por Yang y colaboradores19, requiere temperaturas más altas y el uso de una caja de guante, la LP-VASP se basa en el recocido de una capa de precursor del haluro de plomo en presencia de vapor de halogenuros methylammonium, al disminuir la presión y temperatura relativamente baja en una fumehood. Estas condiciones permiten el acceso mezclado composiciones de Perovskita y fabricación de pura CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI3 xClx, CH3NH3PbI3- xBrxy CH3NH3PbBr3 pueden lograrse fácilmente. Específicamente, CH3NH3PbIx 3Brx films sobre el espacio de composición completo pueden sintetizarse con optoelectrónicos alta calidad y reproducibilidad de6,20.
Aquí, ofrecemos una descripción detallada del protocolo para la síntesis de halogenuros orgánicos inorgánicos plomo perovskite capas via LP-VASP, incluyendo el procedimiento para la síntesis de los precursores de haluro methylammonium. Una vez que los precursores son sintetizados, formación de CH3NH3PbX3 películas consiste en un procedimiento de dos etapas que comprende i) la capa de la vuelta del PbI2/PbBr2 (PbI2o PbI2/PbCl 2) precursor en sustrato de vidrio o de óxido de estaño dopado de flúor (OFT) revestido en sustrato de vidrio con TiO planar2como capa de transporte de electrones y ii) la baja presión recocido en mezclas de CH3NH3I asistidos por vapor y CH3NH3Br que se puede ajustar finamente dependiendo el bandgap óptico deseado (1,6 eV ≤ Eg ≤ 2,3 eV). Bajo estas condiciones, las moléculas de halogenuro methylammonium actualmente en la fase de vapor lentamente difusa en la capa delgada de plomo haluro, produciendo películas de Perovskita haluro continua, agujero de alfiler-libre. Este proceso produce una expansión de doble volumen de la capa de precursor de haluro de plomo a partir de la perovskita de haluro terminado plomo orgánico inorgánico. El espesor estándar de la película de Perovskita es cerca de 400 nm. Es posible variar esta grueso entre 100-500 nm cambiando la velocidad de la segunda etapa de la capa de spin. Resultados de la técnica presentada en películas de optoelectrónicos alta calidad, que se traduce en dispositivos fotovoltaicos con eficiencias de conversión de energía de hasta un 19% utilizando un spiro/Au-OMeTAD /CH3NH3PbIx 3Brx/ compacto de TiO2/ FTO/vidrio solar cell arquitectura. 21
Protocol
Representative Results
Discussion
Con el fin de fabricar heterojunctions eficientes organo-plomo plana perovskita, la homogeneidad de la capa activa es un requisito clave. Existente solución2,16,17 y19 metodologías de base de vacío18,, nuestro proceso es notablemente favorable a la afinabilidad de composición de la capa activa que se puede sintetizada sobre el completo CH3NH3PbI…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Desarrollo de procesos de perovskita, síntesis de película delgada, caracterización estructural y morfológica se realizaron en el centro conjunto para la fotosíntesis Artificial, un centro de innovación de energía DOE, apoyado a través de la oficina de ciencia del Departamento de Estados Unidos de Energía bajo la concesión número DE-SC0004993. C.M.S.-F. reconoce el apoyo financiero de la Fundación Nacional Suiza de ciencia (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
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