Fabricage van Fully Solution Verwerkte Anorganische Nanocrystal Fotovoltaïsche apparaten
Summary
Dit protocol beschrijft de synthese en afzetting van oplossing anorganische nanokristallen laag voor laag op dunne film elektronica op niet-geleidende oppervlakken te produceren. Solvent-gestabiliseerde inkten kunnen volledige fotovoltaïsche apparaten op glassubstraten via spin en neveldeklaag volgende post-depositie ligand uitwisseling en sinteren produceren.
Abstract
We tonen een werkwijze voor de bereiding van oplossing volledig verwerkte anorganische zonnecellen van een spin en spray coating opbrengsten van nanokristal inkten. Voor de foto-actieve absorberende laag, colloïdale CdTe en CdSe nanokristallen (3-5 nm) worden gesynthetiseerd met behulp van een inert hot injectietechniek en gereinigd met neerslag om overtollig uitgangspunt reagentia te verwijderen. Ook gold nanokristallen (3-5 nm) gesynthetiseerd onder omgevingsomstandigheden en opgelost in organische oplosmiddelen. Daarnaast worden voorloperoplossingen transparante geleidende indium tin oxide (ITO) films bereid uit oplossingen van indium en tin zouten gecombineerd met een reactief oxidatiemiddel. Laag-voor-laag worden deze oplossingen aangebracht op een glazen substraat na annealing (200-400 ° C) om het nanokristal zonnecel (glas / ITO / CdSe / CdTe / Au) bouwen. Pre-gloeien ligand uitwisseling is nodig voor CdSe en CdTe nanokristallen, waar films worden gedoopt in NH 4 Cl: methanol aan lange-keten inheemse liga vervangennds met kleine anorganische Cl – anionen. NH4 Cl (s) bleek als katalysator voor de reactie sinteren (als niet-toxisch alternatief voor de conventionele CdCl2 (s) behandeling) leidt tot korrelgroei (136 ± 39 nm) tijdens het verwarmen. De dikte en ruwheid van de bereide folies worden gekarakteriseerd met SEM en optische profilometrie. FTIR gebruikt om de mate van ligand uitwisseling vóór sinteren bepalen en XRD wordt gebruikt om de kristalliniteit en de fase van elk materiaal te controleren. UV / Vis spectra vertonen een hoge zichtbaar lichttransmissie door de ITO-laag en een roodverschuiving van de absorptie van cadmium chalcogenide nanokristallen na thermisch gloeien. Stroom-voltage curves van de voltooide apparaten worden gemeten onder gesimuleerde één zon verlichting. is aangetoond dat kleine verschillen in depositie technieken en reagentia tijdens ligand uitwisseling een grote invloed op het apparaat eigenschappen hebben. Hier onderzoeken we de effecten van Chemical (sinteren en ligand uitwisseling agenten) en fysieke behandelingen (oplossing concentratie spray druk, gloeien tijd en gloeien temperatuur) op fotovoltaïsche prestaties van het apparaat.
Introduction
Vanwege hun unieke nieuwe eigenschappen hebben anorganische nanokristal inkten toepassingen in uiteenlopende elektronische apparatuur, zoals fotovoltaïsche 1 gevonden -. 6 light emitting diodes, 7, 8 condensatoren 9 en transistors 10 Dit komt door de combinatie van de uitstekende elektronische en optische eigenschappen van anorganische materialen en hun oplossing compatibiliteit op de nanoschaal. Bulk anorganische materialen zijn meestal niet oplosbaar en zijn dus beperkt tot hoge temperatuur, lage druk vacuüm depositie. Echter, bij bereiding op nanoschaal met een organisch ligand schaal, kunnen deze materialen worden gedispergeerd in organische oplosmiddelen en neergeslagen uit de oplossing (drop, dip, spin-, sproei- coating). Deze vrijheid te coaten grote en onregelmatige oppervlakken elektronica vermindert de kosten van deze technologieën en om andere mogelijke toepassingen niche. 6, 11 </sup>, 12
Oplossing verwerking van cadmium (II) telluride (CdTe), cadmium (II) (CdSe), cadmium (II) sulfide (CdS) en zinkoxide (ZnO) anorganische halfgeleider actieve lagen heeft geleid tot zonnecellen bereiken efficiënties (ƞ) voor metaal-CdTe Schottky overgang CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 en hetero CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18 19 Anders dan in vacuum depositie van bulk CdTe inrichtingen, moeten deze nanokristal films liganduitwisseling volgende afzetting ondergaan natieve en isolerende langketenige organische liganden die efficiënte elektronentransport verbieden door de film te verwijderen. Bovendien sinteren Cd- (S, Se, Te) moet plaatsvinden tijdens verwarmen in aanwezigheid van een geschikt zout katalysator. Onlangs werd found dat niet-toxisch ammoniumchloride (NH4Cl) kunnen worden gebruikt voor dit doel als een vervanging voor de gebruikelijke cadmium (II) chloride (CdCl2) 20 Door het dompelen van het afgezette nanokristal film NH4Cl. methanol oplossingen, het ligand uitwisselingsreactie plaatsvindt gelijktijdig met de blootstelling aan de warmte geactiveerde NH4Cl sinteren katalysator. Deze bereide films worden verwarmd laag voor laag op de gewenste dikte van de fotoactieve lagen op te bouwen. 21
Recente ontwikkelingen in transparante geleidende films (metaal nanodraden, grafeen, koolstofnanobuizen, verbranding verwerkt indium tin oxide) en geleidende metalen nanokristal inkten hebben geleid tot de vervaardiging van flexibele of gebogen electronica op willekeurige niet-geleidende oppervlakken. 22, 23 In deze presentatie tonen we de bereiding van elke precursor inkt oplossing die de actieve lagen (CdTe en CdSe nanokristallen), de Transpahuren geleidende oxide elektrode (dat wil zeggen, indium gedoteerd tinoxide, ITO) en de achterkant metalen contact naar een voltooide anorganische zonnecel geheel te construeren uit een oplossing proces. 24 Hier hebben we aandacht voor de spray proces en het apparaat laag patroonvorming architecturen op niet-geleidende glas. Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld voor onderzoekers die het ontwerpen en bouwen oplossing verwerkt zonnecellen te helpen; echter, dezelfde technieken die hier beschreven zijn toepasbaar op een breed scala van elektronische apparaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kortom, dit protocol geeft richtlijnen voor de belangrijkste stappen die betrokken zijn bij het bouwen van een oplossing verwerkt elektronisch apparaat uit een spuit- of spin-coating depositie. Hier hebben we aandacht voor nieuwe methoden voor oplossing verwerking transparante geleidende indiumtinoxide (ITO) films op niet-geleidende glassubstraten. Na een gemakkelijke etsprocedure kunnen individuele elektroden worden gevormd voordat gesproeidroogde afzetten van de fotoactieve lagen. Met een laag-voor-laag techniek kunne…
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).
