ОДЕРЖАННЯ КРИСТАЛІВ ТВЕРДОГО РОЗЧИНУ (Cs3Sb2Br9)1–х(DyBr3)х
DOI:
https://doi.org/10.24144/2414-0260.2019.2.16-25Ключові слова:
вакантно-впорядковані подвійні перовскіти, тернарні галогеніди, твердий розчин, кристалічна структура, прямозонні напівпровідникиАнотація
Галогенідні вакантно-впорядковані подвійні перовскіти типу A2B1B2X6 та типу A3B2X9 можуть бути використані в якості недорогих і високоефективних фотоелектричних перетворювачів сонячних елементів. Введення до структури тернарних сполук Диспрозію (Dy), повинно приводити до покращення оптичних, особливо люмінесцентних, властивостей. Згідно літературних даних у бінарній системі CsBr–SbBr3 утворюється сполука Cs3Sb2Br9 з конгруентним характером плавлення при 864 К, в системі CsBr–DyBr3 сполуки Cs3DyBr6 (плавиться конгруентно при 1086 K) та Cs3Dy2Br9 (інконгруентний характер плавлення 891 K).
Для синтезу Cs3Sb2Br9 та (ТР) (Cs3Sb2Br9)1–х(DyBr3)х використовували стехіометричні кількості Sb, Br, Dy та додатково очищеного вакуумною переплавкою CsBr у спеціальних двохсекційних ампулах. Термічні дослідження показали, що між Cs3Sb2Br9 та DyBr3 утворюються граничні тверді розчини (до 3 мол.% DyBr3). Рентгеноструктурні дослідження показали, що сполука Cs3Sb2Br9 та ТР (Cs3Sb2Br9)0.97(DyBr3)0.03 кристалізуються у тригональній сингонії (P -3m1), параметри кристалічної гратки a=7.9061(5), c=9.7173(6) Å, V=526.02 Å3 та a=7.9150(6), с=9.7214(7) Å, V=527.43 Å3, відповідно. Твердий розчин утворюється внаслідок кратного заміщення атомів/йонів (3Cs+ + Sb3+) на атоми/йони 2Dy3+. Атоми Dy1, ймовірно, статистично розміщуються з атомами Cs2 у положеннях (1/3, 2/3, 0.6836), атоми Dy2 з атомами Sb у положеннях (1/3, 2/3, 0.1874). З позицій кристалохімічних формульних складів вивчено механізм утворення граничних твердих розчинів на основі сполуки Cs3Sb2Br9. У катіонній підгратці ТР (Cs3Sb2Br9)0.97(DyBr3)0.03 (кристалохімічний склад Cs294Sb197Dy5[.]4Br900) утворюються вакансії (4) за рахунок ізо- (3Dy®3Sb) та гетеровалентного (2Dy®6Cs) заміщення. В аніонній підгратці, яку формують іони Br–, їх кількість залишається сталою (900). Це вказує на формування твердого розчину за механізмом заміщення та віднімання (катіонна підгратка), заміщення (аніонна підгратка).
Монокристали тернарної сполуки Cs3Sb2Br9 та твердого розчину (Cs3Sb2Br9)0.97(DyBr3)0.03 (діаметром 10 мм та довжиною 50 мм) вирощено методом Бріджмена. Вивчення залежності дифузійного відбиття від довжини хвилі R=f(λ) показало, що сполука Cs3Sb2Br9 та твердий розчин (Cs3Sb2Br9)0.97(DyBr3)0.03 відносяться до прямозонних напівпровідників, ширина забороненої зони Eg = 2.55 еВ (λ = 486 нм) та Eg = 2.59 еВ (λ = 479 нм), відповідно.Посилання
Elnaggar A.M., Albassam A., Oźga K., Jеdryka J., Szota M., Myronchuk G. Рhotoinduced operation by absorption of the chalcogenide nanocrystallite containing solar cells. Arch. Metall. Mater. 2016, 61(4), 1953–1956. Doi: 10.1515/amm-2016-0314
Stoumpos C., Malliakas C., Kanatzidis M. Semiconducting Tin and Lead Iodide Perovskites with Organic Cations: Phase Transitions, High Mobilities, and Near-Infrared Photoluminescent Properties. Inorg. Chem. 2013, 52(15), 9019–9038. Doi: 10.1021/ic401215x
Bi D., Xu B., Gao P., Sun L., Grätzel M., Hagfeldt A. High-Performance Regular Perovskite Solar Cells Employing Low-Cost Poly(ethylenedioxythiophene) as a Hole-Transporting Material. Nano Energy. 2016, 23, 138−144. Doi: 10.1038/srep42564
Jeon N.J., Noh J.H., Yang W.S., Kim Y.C., Ryu S., Seo J., Seok S.I. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 2015, 517(7535), 476−480. Doi: 10.1038/nature14133
McMeekin D.P., Sadoughi G., Rehman W., Eperon G.E., Saliba M., Hörantner M.T., Haghighirad A., Sakai N., Korte L., Rech B., Johnston M.B. Herz L.M., Snaith H.J. A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science. 2016, 351(6269), 151−155. Doi: 10.1126/science.aad5845
Sutton R.J., Eperon G.E., Miranda L., Parrott E.S., Kamino B.A., Patel J.B., Hörantner M.T., Johnston M.B., Haghighirad A.A., Moore D.T., Snaith H.J. Bandgap-Tunable Cesium Lead Halide Perovskites with High Thermal Stability for Efficient Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2016, 6(8), 1502458. Doi: 10.1002/aenm.201502458
Choi H., Jeong J., Kim H.-B., Kim S., Walker B., Kim G.-H., Kim J.Y. Cesium-doped methylammonium lead iodide perovskite light absorber for hybrid solar cells. Nano Energy. 2014, 7, 80−85. Doi: 10.1016/j.nanoen.2014.04.017
Niu G., Guo X., Wang L. Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. J. Mater. Chem. A. 2015, 3(17), 8970−8980. Doi: 10.1039/C4TA04994B
Jacobsson T.J., Pazoki M., Hagfeldt, A., Edvinsson T. Goldschmidt’s Rules and Strontium Replacement in Lead Halogen Perovskite Solar Cells: Theory and Preliminary Experiments on CH3NH3SrI3. J. Phys.Chem. C. 2015, 119(46), 25673−25683. Doi: 10.1021/acs.jpcc.5b06436
Yi C., Luo J., Meloni S., Boziki A., Ashari-Astani N., Grätzel C., Zakeeruddin S. M., Röthlisberger U., Grätzel M. Entropic stabilization of mixed A-cation ABX3 metal halide perovskites for high performance perovskite solar cells. Energy Environ. Sci. 2016, 9 (2), 656−662. Doi: 10.1039/C5EE03255E
Volonakis G., Haghighirad A.A., Milot R.L., Sio W.H., Filip M.R., Wenger B., Johnston M.B., Herz L.M., Snaith H.J., Giustino F. Cs2InAgCl6: A New Lead-Free Halide Double Perovskite with Direct Band Gap. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 772−778. Doi: 10.1021/acs.jpclett.6b02682
Maughan A.E., Ganose A.M., Bordelon M.M., Miller E.M., Scanlon D.O., Neilson J.R. Defect Tolerance to Intolerance in the Vacancy-Ordered Double Perovskite Semiconductors Cs2SnI6 and Cs2TeI6. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8453−8464. Doi: 10.1021/jacs.6b03207
Arakcheva A.V., Novikova M.S., Zaytsev A.I., Lubman G.U. Perovskite-like modification of Cs3Sb2I9 as a representative of the OD-family A3B2X9. Zh. Struktur. Khim. 1999, 40(4), 705–715 (in Russ.).
Peresh E.Yu., Zubaka O.V., Kun S.V., Galagovets I.V., Barchiy I.E., Sabov M.Yu. Homogenity region of Tl2TeBr6, Cs2TeBr6 i Rb2TeBr6. Neorgan. mater. 2001, 37(8), 1000–1004 (in Russ.).
Peresh E.Yu., Lazarev V.B., Kun S.V., Barchiy I.E., Kun A.V., Sidey V.I. Complex halogenides A3B2C9 (A - Rb,Cs; B - Sb,Bi; C - Br,I) type and solid solutions based on they. Neorgan. mater. 1997, 33(4), 431–435 (in Russ.).
Stercho I.P., Zubaka O.V., Barchiy I.E., Peresh E.Yu., Kokhan O.P., Pogodin A.I. Analysis of changes chemical bonding type and interaction in the system based on perovskites compounds Cs3Sb2Br9(I9) and Cs2TeBr6(I6). Sci. Bull. Uzhh. Univ. Ser. Chem. 2017, 1(37), 48–54 (in Ukr.).
Stercho I.P., Barchii I.E., Malakhovskaya T.A., Pogodin A.I., Sidei V.I., Solomon A.M., Peresh E.Yu. Physicochemical interaction in the Cs3Sb2Br9–Cs2TeBr6 system: the state diagram and the nature of the interaction of components. Rus. J. Inorg. Chem. 2015, 60(2), 225–229. Doi: 10.1134/S0036023615020163
Kun S.V., Peresh E.Yu., Lazarev V.B., Kun A.V. Phase equilibria in CsBr Bi(Sb)Br3 system, obtaining and properties of compounds that are formed. Neorgan. mater. 1991, 27(3), 611–615 (in Russ.).
Rubikova B., Rycerz L., Chojnacka I., Gaune-Escard M. Phase Diagram and Thermodynamic and Transport Properties of the DyBr3–LiBr Binary System. J. Phase Equil. Diffus. 2009, 30(5), 502–508. Doi: 10.1007/s11669-009-9574-2
Chojnacka I., Rycerz L., Gaune-Escard M. Thermodynamic and transport properties of the DyBr3–NaBr binary system. J. Therm. Anal. Calorim. 2014, 116(2), 681–687. Doi: 10.1007/s10973-013-3608-z
Ingier-Stocka E., Rycerz L., Gadzuric S., Gaune-Escard M. Thermal and conductometric studies of the CeBr3–MBr binary systems (M = Li, Na). J. Alloys Comp. 2008, 450(1–2), 162–166. Doi: 10.1016/j.jallcom.2006.11.034
Chojnacka I., Rycerz L., Berkani M., Gaune-Escard M. Phase diagram and electrical conductivity of the DyBr3–RbBr binary system. J. Therm. Anal. Calorim. 2012, 108(2), 481–488. Doi: 10.1007/s10973-011-2017-4
Rejek J., Rycerz L., Ingier-Stocka E., GauneEscard M. Thermodynamic and transport properties of the PrBr3–MBr binary systems (M = Li, Na). J. Chem. Eng. 2010, 55, 1871-1875. Doi: 10.1021/je900891s
Chojnacka I., Rycerz L., Berkani M., Gaune-Escard M. Phase diagram and specific conductivity of the DyBr3–CsBr binary system. J. Alloys Comp. 2014, 582, 505–510. Doi: 10.1016/j.jallcom.2013.07.209
Doi: 10.1016/j.jallcom.2016.11.034
Seifert H.J. Ternary Chlorides of the Trivalent Late Lanthanides. J. Therm. Anal. Calorim. 2006, 83(2), 479–505. Doi: 10.1007/s10973-005-7132-7
Groen C.P., Cordfunke E.H.P., Huntelaar M.E. The Thermodynamic Properties of DyBr3(s) and DyI3(s) from T = 5 K to Their Melting Temperatures. J. Chem. Thermodyn. 2003, 35(3), 475–492. Doi: 10.1016/S0021-9614(02)00370-1
Giricheva N.I., Shlykov S.A., Chernova E.V., Levina Yu.S., Krasnov A.V. Molecular structure of SmBr3 and DyBr3 according to the data of simultaneous electron diffraction and mass spectrometric experiment. J. Struct. Chem. 2005, 46(6), 991–997. Doi: 10.1007/s10947-006-0233-8
Persson K. Materials Data on DyBr3 (SG:194). Materials Project. 2016. Doi: 10.17188/1310296. https://materialsproject.org/materials/mp-864982/
Akselrud L., Grin Yu. WinCSD: software package for crystallographic calculations (Ver.4). J. Appl. Crystallogr. 2014, 47, 803–805. Doi: 10.1107/S1600576714001058
Kun S.V., Lazarev V.B., Peresh E.Y., Kun A.V., Voroshilov Y.V. Phase equilibria in RbBr-Sb(Bi)Br3 systems and crystal structure of compounds of AI3BV2CVI9 type (AI= Rb, Cs; BV= Sb, Bi; CVII= Br, I). Inorg. Mater. 1993, 29, 445–450.
