Solução-processados "Prata-bismuto-iodo" ternário filmes finos para absorventes de chumbo fotovoltaicos
Summary
Neste documento, apresentamos protocolos detalhados para processados solução iodo-bismuto-prata (Ag-Bi-I) ternário semicondutor filmes finos fabricados em TiO2-revestidos eletrodos transparentes e sua potencial aplicação como estável ao ar e chumbo dispositivos optoeletrônicos.
Abstract
Perovskites híbrido baseado em bismuto são considerados promissores foto-ativo semicondutores para aplicações de ambiente e ar-stable célula solar. No entanto, pobres morfologias de superfície e energias bandgap relativamente alta limitaram seu potencial. Prata-bismuto-iodo (Ag-Bi-I) é um semicondutor promissor para dispositivos optoeletrônicos. Portanto, demonstramos a fabricação de Ag-Bi-eu ternários filmes finos usando processamento de material solução. Os filmes finos resultantes exibem morfologias superfície controladas e bandgaps óptico de acordo com suas térmicas temperaturas de recozimento. Além disso, foi relatado que Ag-Bi-eu sistemas ternários cristalizar a Cristiana2eu7, Ag2BiI5, etc. de acordo com a relação entre os precursores químicos. A solução-processado Cristiana2eu7 filmes finos apresentam uma estrutura de cristal cúbica-fase, morfologias superfície densas, livre de pinhole com grãos variando em tamanho de 200 a 800 nm e um bandgap indireto de eV 1,87. O resultante Cristiana27 filmes finos mostrar bom ar diagramas de banda de energia e estabilidade, bem como de superfície morfologias e bandgaps óptico adequado para chumbo e estável ao ar single-junção células solares. Muito recentemente, obteve-se uma célula solar com eficiência de conversão de energia de 4,3%, otimizando a composições de Ag-Bi-eu cristal e arquiteturas de dispositivo de célula solar.
Introduction
Solução-processado inorgânicas película fina células solares têm sido amplamente estudadas por muitos investigadores que pretendam converter luz solar diretamente em eletricidade1,2,3,4,5. Com o desenvolvimento da arquitetura material de síntese e dispositivo, perovskites baseados em haleto de chumbo foram relatados para ser os melhores absorventes de célula solar com uma eficiência de conversão da energia (PCE) maior que 22%5. No entanto, estão crescendo as preocupações sobre o uso de chumbo tóxico, bem como problemas de estabilidade de perovskita haleto de chumbo em si.
Recentemente foi relatado que perovskites híbrido baseado em bismuto pode ser formada pela incorporação de cátions monovalentes em uma unidade complexa de iodeto de bismuto e que estes podem ser usados como absorventes de fotovoltaicos em mesoscópica célula solar arquiteturas6, 7,8. A liderança nas perovskites pode ser substituída com bismuto, que tem o 6s2 exterior par solitário; no entanto, metodologias de haleto de chumbo até agora apenas convencionais têm sido utilizadas para perovskites híbrido baseado em bismuto com estruturas complexas de cristal, apesar do fato de que eles têm os Estados de oxidação diferentes e propriedades químicas9. Além disso, estes perovskites têm morfologias superfície pobres e produzir filmes relativamente grossas no contexto de aplicativos de dispositivo de película fina; Portanto, eles têm um mau desempenho fotovoltaico com abertura-banda alta energia (> 2 eV)6,7,8. Assim, nós procuramos encontrar um novo método para produzir a película fina semicondutores baseados em bismuto, que são ambientalmente amigável, estável ao ar, e tem baixa banda-energia (< 2 eV), considerando o projeto material e metodologia.
Apresentamos a solução-processado Ag-Bi-eu ternários filmes finos, que podem ser cristalizada a Cristiana27 e Ag2BiI5, para semicondutores de chumbo e estável ao ar10,11. No presente estudo para o Wellington27 composição, n-Butilamina é usado como um solvente para dissolver simultaneamente o iodeto de prata (AgI) e precursores de bismuto iodeto (BiI3). A mistura é spin-cast e recozido a 150 ° C por 30 min em um N2-encheu a caixa de luva; posteriormente, os filmes são extinguidos à temperatura ambiente. Os filmes finos resultantes são marrom-escura na cor. Além disso, a morfologia de superfície e composição de cristal dos sistemas ternários de Ag-Bi-eu são controladas pelas altas temperaturas do recozimento e proporção de precursor de AgI/BiI3. A resultante de Cristiana2eu7 filmes finos apresentam uma estrutura cristalina da fase cúbica, densas e lisas superfície morfologias com grandes grãos de 200-800 nm em tamanho e uma óptica de gap de energia de 1,87 eV começando a absorver a luz de um comprimento de onda de 740 nm . Recentemente foi relatado que otimizando a composições de cristal e a arquitetura do dispositivo, Ag-Bi-eu ternárias película fina células solares pode atingir uma PCE de 4,3%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nós fornecemos um protocolo detalhado para a preparação de solução de Ag-Bi-eu ternários semicondutores, que estão a ser explorados como absorventes de chumbo fotovoltaicos em células solares de película fina com arquiteturas de dispositivo mesoscópica. c-TiO2 camadas foram formadas em substratos FTO para evitar o vazamento de elétrons fluindo para os eletrodos FTO. m-TiO2 camadas foram formadas sequencialmente na c-TiO2-revestido substratos FTO para melhorar as extrações de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Daegu Gyeongbuk Instituto de ciência e tecnologia (DGIST) pesquisa e programas de desenvolvimento (R & D), do Ministério da ciência, TIC e futuro planejamento da Coreia (18-ET-01). Este trabalho também foi apoiado pelo Instituto Coreia de avaliação de tecnologia de energia e Planning(KETEP) e o Ministério do comércio, indústria & Energy(MOTIE) da República da Coreia (n º 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 |
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