تصنيع الحل بالكامل معالجتها غير العضوية النانوية الأجهزة الضوئية
Summary
يصف هذا البروتوكول التوليف وحل ترسب طبقة البلورات النانوية غير العضوية من قبل طبقة لإنتاج الالكترونيات رقيقة على الأسطح غير موصل. يمكن مذيب أحبار استقرت إنتاج الأجهزة الضوئية كاملة على ركائز الزجاج عن طريق زيادة ونقصان ورذاذ الطلاء التالية صرف يجند بعد الترسب وتلبد.
Abstract
ونحن لشرح طريقة لإعداد الخلايا الشمسية العضوية بشكل كامل حل معالجة من زيادة ونقصان ورذاذ الطلاء ترسب الأحبار النانوية. للطبقة امتصاص متفاعل، تيل كد الغروية والبلورات النانوية سيلينيد الكادميوم (3-5 نانومتر) تم تجميعها باستخدام تقنية الحقن الساخنة الخاملة وتنظيفها مع هطول الأمطار لإزالة الكواشف انطلاق الزائدة. وبالمثل، تم الجمع بين البلورات النانوية الذهب (3-5 نانومتر) في ظل الظروف المحيطة ويذوب في المذيبات العضوية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم إعداد الحلول تمهيدا للأفلام شفافة موصل أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) من حلول الإنديوم والقصدير وأملاح يقترن مؤكسد على رد الفعل. طبقة تلو طبقة، وتودع هذه الحلول على ركيزة الزجاج التالية الصلب (200-400 درجة مئوية) لبناء الخلايا الشمسية النانوية (زجاج / ايتو / سيلينيد الكادميوم / تيل كد / الاتحاد الافريقي). مطلوب قبل الصلب الصرف يجند لسيلينيد الكادميوم وتيل كد البلورات النانوية حيث انخفض الأفلام في NH 4 الكلورين: الميثانول ليحل محل سلسلة طويلة الاسباني الأصليتفاحة مع الصغيرة غير العضوية الكلور – الأنيونات. تم العثور على NH 4 الكلور (ق) ليكون بمثابة محفز للتفاعل تلبد (كبديل غير سامة إلى CdCl 2 (ق) وسائل العلاج التقليدية) مما يؤدي إلى نمو الحبوب (136 ± 39 نانومتر) أثناء التسخين. وتتميز سماكة وخشونة من الأفلام المعدة مع وزارة شؤون المرأة وprofilometry البصرية. يستخدم FTIR لتحديد درجة تبادل يجند قبل تلبد، ويستخدم حيود الأشعة السينية للتحقق من التبلور والمرحلة من كل مادة. الأشعة فوق البنفسجية / فيس أطياف عرض عالية لنقل الضوء المرئي من خلال طبقة ايتو وإزاحة حمراء في الامتصاصية من البلورات النانوية الكادميوم اعتماد chalcogenide بعد الصلب الحرارية. يتم قياس منحنيات الحالي الجهد الأجهزة المنجزة في إطار محاكاة إضاءة الشمس واحدة. وقد تبين أن الفروق الصغيرة في تقنيات الترسيب والكواشف المستخدمة خلال تبادل يجند أن يكون لها تأثير عميق على خصائص الجهاز. هنا، نحن فحص آثار كيماويةكال (تلبد وتبادل يجند عملاء) والمعالجات الفيزيائية (تركيز المحلول، رش ضغط، الساعة الصلب ودرجة الحرارة الصلب) على أداء الجهاز الضوئية.
Introduction
نظرا لخصائص الناشئة فريدة من نوعها، وقد وجدت الأحبار النانوية غير العضوية التطبيقات في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية بما في ذلك وحدات الطاقة الشمسية، 1 – 6 ضوء الثنائيات، 7، 8 المكثفات 9 و الترانزستورات 10 ويرجع ذلك إلى مزيج من ممتازة الإلكترونية و الخصائص البصرية للمواد غير العضوية والتوافق حل على مقياس النانو. المواد غير العضوية السائبة هي عادة ليست قابلة للذوبان، وبالتالي تقتصر على درجة حرارة عالية، وانخفاض ضغط ترسبات فراغ. ومع ذلك، عندما أعدت على مقياس النانو مع قذيفة يجند العضوية، ويمكن أن تفرق هذه المواد في المذيبات العضوية وأودعت من حل (drop-، dip-، تدور،، spray- الطلاء). هذه الحرية إلى معطف السطوح الكبيرة وغير النظامية مع الأجهزة الإلكترونية يقلل من تكلفة هذه التقنيات إلى توسيع التطبيقات المتخصصة الممكنة. 6، 11 </suص> 12
وقد أدت معالجة حل الكادميوم (II) تيلوريد (تيل كد)، الكادميوم (II) سيلينيد (سيلينيد الكادميوم)، الكادميوم (II) كبريتيد (CDS) وأكسيد الزنك (الزنك) طبقات أشباه الموصلات غير العضوية النشطة إلى الأجهزة الضوئية الوصول إلى الكفاءة (ƞ) ل المعادن تيل كد شوتكي تقاطع تيل كد / ص (ƞ = 5.15٪) 13 و 14 و متغاير CDS / تيل كد (ƞ = 5.73٪)، و 15 سيلينيد الكادميوم / تيل كد (ƞ = 3.02٪)، و 16، 17 أكسيد الزنك / تيل كد (ƞ = 7.1 ٪، 12٪). 18، 19 وعلى النقيض من ترسب فراغ الأجهزة تيل كد بكميات كبيرة، ويجب أن يخضع هذه الأفلام النانوية الصرف يجند ترسب التالية لإزالة مواطن وعزل طويلة سلسلة العضوية بروابط التي تحظر نقل الإلكترون كفاءة من خلال الفيلم. بالإضافة إلى ذلك، تلبد CD-(S، SE، تي) يجب أن تحدث أثناء التسخين في وجود عامل حفاز الملح مناسبة. مؤخرا، تم فهرنهيتس اوند أن كلوريد الأمونيوم غير سامة (NH 4 الكلور) يمكن استخدامها لهذا الغرض ليكون بديلا للكلوريد يشيع استخدامها الكادميوم (II) (CdCl 2) 20 بواسطة غمس فيلم النانوية المودعة في NH 4 الكلورين: حلول الميثانول، يحدث رد فعل الصرف يجند في وقت واحد مع التعرض لتنشيط حرارة NH 4 الكلورين تلبد محفز. يتم تسخين هذه الأفلام إعداد طبقة تلو طبقة لبناء سمك المطلوب من طبقات الصورة النشطة. 21
وقد أدت التطورات الحديثة في مجال الأفلام الموصلة الشفافة (أسلاك معدنية، الجرافين، أنابيب الكربون النانوية، الاحتراق معالجتها الإنديوم أكسيد القصدير) وموصل الأحبار النانوية المعدنية لتصنيع الالكترونيات مرنة أو منحنية مبنية على الأسطح غير موصلة التعسفية. 22، 23 في هذا العرض ، ونحن لشرح إعداد كل حل الحبر السلائف بما في ذلك الطبقات النشطة (تيل كد وسيلينيد الكادميوم النانوية)، وtranspaاستئجار إجراء القطب أكسيد (أي أكسيد الإنديوم مخدر القصدير، ايتو) والاتصال المعدنية الخلفي لبناء الخلايا الشمسية العضوية الانتهاء تماما من عملية الحل. 24 وهنا نسلط الضوء على عملية الرش وطبقة جهاز أبنية الزخرفة على غير موصل زجاج. ويهدف هذا البروتوكول فيديو مفصل لمساعدة الباحثين الذين تصميم وبناء الحل الخلايا الشمسية المصنعة. ومع ذلك، فإن نفس الأساليب المذكورة هنا هي التي تنطبق على مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وباختصار، يوفر هذا البروتوكول المبادئ التوجيهية للخطوات الرئيسية المشاركة في بناء حل معالجتها جهاز الكتروني من spray- أو تدور طلاء الترسيب. هنا، نحن تسليط الضوء على أساليب جديدة لمعالجة حل شفافة الأفلام موصل أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) على ركائز الزجاج غير موصل. بعد …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Office of Naval Research (ONR) is gratefully acknowledged for financial support. A portion of this work was conducted while Professor Townsend held a National Research Council (NRC) Postdoctoral Fellowship at the Naval Research Laboratory and is grateful for internal support from St. Mary’s College of Maryland.
Materials
| Oleic acid, 90% | Sigma Aldrich | 364525 | |
| 1-octadecene, 90% | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade |
| Trioctylphosphine (TOP), 90% | Sigma Aldrich | 117854 | Air sensitive |
| Trimethylsilyl chloride, 99.9% | Sigma Aldrich | 92360 | Air and water sensitive |
| Se, 99.5+% | Sigma Aldrich | 209651 | |
| NH4Cl, 99% | Sigma Aldrich | 9718 | |
| CdCl2, 99.9% | Sigma Aldrich | 202908 | Highly toxic |
| CdO, 99.99% | Strem | 202894 | Highly toxic |
| Te, 99.8% | Strem | 264865 | |
| In(NO3)3.2.85H2O, 99.99% | Sigma Aldrich | 326127-50G | |
| SnCl2.2H2O, 99.9% | Sigma Aldrich | 431508 | |
| NH4OH | Sigma Aldrich | 320145 | Caustic |
| NH4NO3, 99% | Sigma Aldrich | A9642 | |
| HAuCl4.3H2O, 99.9% | Sigma Aldrich | 520918 | |
| Tetraoctylammonium bromide (TMA-Br) | Sigma Aldrich | 294136 | |
| Toluene, 99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Hexanethiol, 95% | Sigma Aldrich | 234192 | |
| NaBH4, 96% | Sigma Aldrich | 71320 | |
| Hexanes, 98.5% | Sigma Aldrich | 650544 | |
| Ethanol, 99.5% | Sigma Aldrich | 459844 | |
| Methanol, anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 322415 | |
| 1-propanol, 99.5% | Sigma Aldrich | 402893 | |
| 2-propanol, 99.5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| Pyridine, > 99% | Sigma Aldrich | 360570 | Purified by distillation |
| Heptane | Sigma Aldrich | 246654 | |
| chloroform > 99% | Sigma Aldrich | 372978 | |
| Acetone | Sigma Aldrich | 34850 | |
| Glass microscope slides | Fisher | 12-544-4 | Cut with glass cutter |
| Gravity Fed Airbrush | Paasche | VSR90#1 | |
| Syringe needle | Fisher | CAD4075 | |
| Solar Simulator Testing Station | Newport | PVIV-1A | |
| Software | Oriel | PVIV 2.0 | |
| Round bottom flask | Sigma Aldrich | Z723134 | |
| Round bottom flask | Sigma Aldrich | Z418668 | |
| Polytetrafluoroethylene (PTFE) syringe filter | Sigma Aldrich | Z259926 | |
| Polyamide tape | Kapton | KPT-1/8 | |
| Cellophane tape | Scotch | 810 Tape | |
| Polypropylene centrifuge tube | Sigma Aldrich | CLS430290 | |
| Silver epoxy | MG Chemicals | 8331-14G |
References
- Debnath, R., Bakr, O., Sargent, E. H. Solution-processed colloidal quantum dot photovoltaics: A perspective. Energy Environ. Sci. 4, 4870-4881 (2011).
- Tang, J., Sargent, E. H. Infrared Colloidal Quantum Dots for Photovoltaics: Fundamentals and Recent Progress. Adv. Mater. 23, 12-29 (2011).
- Ning, Z., Dong, H., Zhang, Q., Voznyy, O., Sargent, E. H. Solar Cells Based on Inks of n-Type Colloidal Quantum Dots. ACS Nano. 8, 10321-10327 (2014).
- Yoon, W., et al. Enhanced Open-Circuit Voltage of PbS Nanocrystal Quantum Dot Solar Cells. Sci. Rep. 3, (2013).
- Jiaoyan, Z., et al. Enhancement of open-circuit voltage and the fill factor in CdTe nanocrystal solar cells by using interface materials. Nanotechnology. 25, 365203 (2014).
- Kramer, I. J., et al. Efficient Spray-Coated Colloidal Quantum Dot Solar Cells. Adv. Mater. 27, 116-121 (2015).
- Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulovic, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics. 7, 13-23 (2013).
- Demir, H. V., et al. Quantum dot integrated LEDs using photonic and excitonic color conversion. Nano Today. 6, 632-647 (2011).
- Yu, G., et al. Solution-Processed Graphene/MnO2 Nanostructured Textiles for High-Performance Electrochemical Capacitors. Nano Lett. 11, 2905-2911 (2011).
- Ridley, B. A., Nivi, B., Jacobson, J. M. All-Inorganic Field Effect Transistors Fabricated by Printing. Science. 286, 746-749 (1999).
- Habas, S. E., Platt, H. A. S., van Hest, M. F. A. M., Ginley, D. S. Low-Cost Inorganic Solar Cells: From Ink To Printed Device. Chem. Rev. 110, 6571-6594 (2010).
- Townsend, T. K., Yoon, W., Foos, E. E., Tischler, J. G. Impact of Nanocrystal Spray Deposition on Inorganic Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6, 7902-7909 (2014).
- Olson, J. D., Rodriguez, Y. W., Yang, L. D., Alers, G. B., Carter, S. A. CdTe Schottky diodes from colloidal nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 96, 242103 (2010).
- Sun, S., Liu, H., Gao, Y., Qin, D., Chen, J. Controlled synthesis of CdTe nanocrystals for high performanced Schottky thin film solar cells. J. Mater. Chem. 22, 19207-19212 (2012).
- Chen, Z., et al. Efficient inorganic solar cells from aqueous nanocrystals: the impact of composition on carrier dynamics. RSC Adv. 5, 74263-74269 (2015).
- Gur, I., Fromer, N. A., Geier, M. L., Alivisatos, A. P. Air-stable all-inorganic nanocrystal solar cells processed from solution. Science. 310, 462-465 (2005).
- Ju, T., Yang, L., Carter, S. Thickness dependence study of inorganic CdTe/CdSe solar cells fabricated from colloidal nanoparticle solutions. J. Appl. Phys. 107, (2010).
- MacDonald, B. I., et al. Layer-by-Layer Assembly of Sintered CdSexTe1-x Nanocrystal Solar Cells. ACS Nano. 6, 5995-6004 (2012).
- Crisp, R. W., et al. Nanocrystal Grain Growth and Device Architectures for High-Efficiency CdTe Ink-Based Photovoltaics. ACS Nano. 8, 9063-9072 (2014).
- Townsend, T. K., et al. Safer salts for CdTe nanocrystal solution processed solar cells: the dual roles of ligand exchange and grain growth. J. Mater. Chem. A. 3, 13057-13065 (2015).
- Jasieniak, J., MacDonald, B. I., Watkins, S. E., Mulvaney, P. Solution-Processed Sintered Nanocrystal Solar Cells via Layer-by-Layer Assembly. Nano Lett. 11, 2856-2864 (2011).
- Hecht, D. S., Hu, L. B., Irvin, G. Emerging Transparent Electrodes Based on Thin Films of Carbon Nanotubes, Graphene, and Metallic Nanostructures. Adv. Mater. 23, 1482-1513 (2011).
- Kim, M. G., Kanatzidis, M. G., Facchetti, A., Marks, T. J. Low-temperature fabrication of high-performance metal oxide thin-film electronics via combustion processing. Nat. Mater. 10, 382-388 (2011).
- Townsend, T. K., Foos, E. E. Fully solution processed all inorganic nanocrystal solar cells. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16458-16464 (2014).
- Yu, W. W., Peng, X. Formation of High-Quality CdS and Other II-VI Semiconductor Nanocrystals in Noncoordinating Solvents: Tunable Reactivity of Monomers. Angew. Chem. 114, 2474-2477 (2002).
- Brust, M., Walker, M., Bethell, D., Schiffrin, D. J., Whyman, R. Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase Liquid-Liquid system. J. Chem. Soc., Chem. Commun. , 801-802 (1994).
- Smits, F. M. Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe. Bell Sys. Tech. J. 37, 711-718 (1958).
- Yoon, W., Townsend, T. K., Lumb, M. P., Tischler, J. G., Foos, E. E. Sintered CdTe Nanocrystal Thin-films: Determination of Optical Constants and Application in Novel Inverted Heterojunction Solar Cells. IEEE Trans. Nanotechnol. 13, 551-556 (2014).
- Foos, E. E., Yoon, W., Lumb, M. P., Tischler, J. G., Townsend, T. K. Inorganic Photovoltaic Devices Fabricated Using Nanocrystal Spray Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5, 8828-8832 (2013).
- Nag, A., et al. Metal-free Inorganic Ligands for Colloidal Nanocrystals: S2-, HS-, Se2-, HSe-, Te2-, HTe-, TeS32-, OH-, and NH2- as Surface Ligands. J. Am. Chem. Soc. 133, 10612-10620 (2011).
- Panthani, M. G., et al. High Efficiency Solution Processed Sintered CdTe Nanocrystal Solar Cells: The Role of Interfaces. Nano Lett. 14, 670-675 (2014).
