Løsning-bearbeidet "Silver-Vismut-jod" trefoldig tynne filmer for blyfri Photovoltaic dempere
Summary
Her presenterer vi detaljerte protokoller for løsning-bearbeidet sølv-Vismut-jod (Ag-Bi-I) trefoldig semiconductor tynne filmer laget på TiO2-belagt gjennomsiktig elektroder og potensiell program som luft-stabilt og blyfri Optoelektronisk enheter.
Abstract
Vismut-baserte hybrid perovskites regnes som lovende Foto-aktiv halvledere for miljøvennlig og luft-stabil solcelle formål. Men har dårlig overflate morphologies og relativt høy bandgap energi begrenset sitt potensial. Sølv-Vismut-jod (Ag-Bi-I) er en lovende halvleder for Optoelektronisk enheter. Derfor viser vi fabrikasjon av Ag-Bi-jeg trefoldig tynne filmer bruke materialet løsning behandling. De resulterende tynne filmene utstilling kontrollert overflate morphologies og optisk bandgaps ifølge deres termisk annealing temperaturer. Dessuten, det har blitt rapportert at Ag-Bi-jeg trefoldig systemer utkrystallisere AgBi2jeg7, Ag2BiI5, etc. ifølge forholdet mellom prekursorer. Løsning-bearbeidet AgBi2jeg7 tynne filmer viser en kubikk-fase krystallstruktur, tett, pinhole-fri overflate morphologies med korn varierer i størrelse fra 200 til 800 nm og en indirekte bandgap av 1.87 eV. Den resulterende AgBi2jeg7 tynne filmer Vis god luft stabilitet og energi bandet diagrammer, likeledes idet overflaten morphologies og optisk bandgaps egnet for blyfri bensin og luft-stabil single-kryss solceller. Nylig, en solcelle med 4,3% konvertering strømeffektivitet ble oppnådd ved å optimalisere Ag-Bi-I crystal komposisjoner og solcellen enheten arkitekturer.
Introduction
Løsning-bearbeidet uorganiske tynn-film solenergi celler har blitt mye studert av mange forskere søker å konvertere sollys direkte til elektrisitet,1,,2,,3,,4,,5. Med utviklingen av materielle syntese og enheten arkitektur, er bly metallhalid-baserte perovskites rapportert å være de beste solcelle dempere med makt konvertering effektivitet (PCE) større enn 22%5. Men er det økende bekymring om bruken av giftige bly, samt stabilitetsproblemer av bly-metallhalid perovskite selv.
Det har nylig blitt rapportert at Vismut-baserte hybrid perovskites kan dannes ved å inkludere monovalent kasjoner en Vismut iodide kompleks enhet og at disse kan brukes som photovoltaic opptatt i Mesoskopisk solcelle arkitekturer6, 7,8. Ledelsen i perovskites kan erstattes med Vismut, som har 6s2 ytre enslig par; men har så langt bare tradisjonell bly metallhalid metoder blitt brukt for Vismut-baserte hybrid perovskites med komplekse krystall strukturer, til tross for at de har forskjellige oksidasjon stater og kjemiske egenskaper9. Dessuten, disse perovskites har dårlig overflate morphologies og produsere relativt tykk filmer i forbindelse med tynn-film enheten programmer. Derfor har de en dårlig photovoltaic ytelse med høy band-gap energi (> 2 eV)6,7,8. Dermed forsøkte vi å finne en ny metode for å produsere Vismut-baserte tynn-film halvledere, som er miljøvennlige, air-stallen, og har lav bandet-gap energi (< 2 eV), vurderer materielt design og metodikk.
Vi presenterer løsning-bearbeidet Ag-Bi-jeg trefoldig tynne filmer, som kan være krystallisert AgBi2jeg7 og Ag2BiI5, for blyfri bensin og luft-stabil halvledere10,11. I denne studien for AgBi2jeg7 komposisjon, n-butylamine brukes som et løsemiddel for å oppløse samtidig sølv iodide (AgI) og Vismut iodide (BiI3) prekursorer. Blandingen er spin-cast og glødet på 150 ° C i 30 minutter i en N2-fylt hanskerommet; deretter er filmene slukket til romtemperatur. De resulterende tynne filmene er brun-svart farge. I tillegg er overflate morfologi og krystall sammensetningen av Ag-Bi-jeg trefoldig systemene kontrollert av annealing temperaturer og forløper forholdet AgI/BiI3. Den resulterende AgBi2jeg7 tynne filmer utstillingen kubikk fase Krystalinsk struktur, kompakt og glatt overflate morphologies med store korn av 200-800 nm i størrelse, og en optisk band gap av 1.87 eV begynner å absorbere lys fra en bølgelengde på 740 nm . Det har nylig blitt rapportert at ved å optimalisere krystall komposisjoner og enheten arkitektur, Ag-Bi-jeg trefoldig tynn-film solenergi celler kan oppnå en PCE 4,3%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har gitt en detaljert protokoll for løsning fabrikasjon av Ag-Bi-jeg trefoldig halvledere, som skal hentes som blyfri photovoltaic dempere i tynn-film solenergi celler med Mesoskopisk enheten arkitekturer. c-TiO2 lag ble dannet på FTO underlag for å unngå elektron strømmer inn FTO elektrodene. m-TiO2 lag ble sekvensielt dannet på c-TiO2-belagt FTO underlag å forbedre elektron utdrag fra de fotovoltaiske dempere (dvs., Ag-Bi-I tynne filmer). Både c-TiO2 og m-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Daegu Gyeongbuk Institutt for vitenskap og teknologi (DGIST) forskning og utvikling (R & D) programmer av departementet for vitenskap, IKT og fremtid planlegger Korea (18-ET-01). Dette arbeidet ble også støttet av Korea Institute for Energy Technology evalueringen og Planning(KETEP) og handelsdepartementet, industri & Energy(MOTIE) av Republikken 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).
