La fabricación de dispositivos fotovoltaicos Nanocrystal inorgánicos solución totalmente elaborados
Summary
Este protocolo describe la síntesis y la solución de deposición de la capa de nanocristales inorgánicos por capa para producir la electrónica de película delgada sobre las superficies no conductoras. tintas de solvente estabilizado pueden producir dispositivos fotovoltaicos completos sobre sustratos de vidrio a través de recubrimiento por centrifugación y pulverización siguientes intercambio de ligandos posterior a la deposición y la sinterización.
Abstract
Se demuestra un método para la preparación de células solares inorgánicos totalmente solución transformados a base de una vuelta y rociar deposición del revestimiento de las tintas de nanocristales. Para la capa absorbente fotoactivo, CdTe coloidal y nanocristales de CdSe (3-5 nm) se sintetizan utilizando una técnica de inyección caliente inerte y limpiado con precipitaciones para eliminar el exceso de reactivos de partida. Del mismo modo, los nanocristales de oro (3-5 nm) se sintetizan en condiciones ambiente y se disuelven en disolventes orgánicos. Además, las soluciones precursoras de películas transparentes de óxido de indio y estaño conductora (ITO) se preparan a partir de soluciones de sales de indio y estaño combinados con un oxidante reactivo. Capa por capa, estas soluciones se depositan sobre un sustrato de vidrio recocido siguiente (200-400 ° C) para construir la célula solar nanocristal (vidrio / ITO / CdSe / CdTe / Au). Se requiere un intercambio ligando pre-recocido de nanocristales de CdSe y CdTe donde las películas se sumergen en NH4Cl: metanol para sustituir de cadena larga liga nativaNDS con pequeñas inorgánicos Cl – aniones. Se encontró NH 4 Cl (s) para actuar como un catalizador para la reacción de sinterización (como una alternativa no tóxica a la (s) de tratamiento convencional CdCl 2) que conduce a crecimiento de grano (136 ± 39 nm) durante el calentamiento. El espesor y la rugosidad de las películas preparadas se caracterizan con SEM y perfilometría óptica. FTIR se utiliza para determinar el grado de intercambio de ligando antes de la sinterización, y XRD se utiliza para verificar la cristalinidad y la fase de cada material. UV de alta transmisión / Vis espectáculo de luz visible a través de la capa de ITO y un desplazamiento hacia el rojo de la absorbancia de los nanocristales de cadmio calcogenuros después del recocido térmico. curvas corriente-tensión de los dispositivos completados se miden en las simulado una iluminación solar. Las pequeñas diferencias en las técnicas de deposición y los reactivos empleados durante el intercambio de ligando se ha demostrado que tienen una profunda influencia en las propiedades del dispositivo. Aquí, examinamos los efectos de la quimioCal (agentes de sinterización y de intercambio de ligandos) y tratamientos físicos (concentración de la solución, pulverizador de presión, tiempo de recocido y temperatura de recocido) sobre el rendimiento del dispositivo fotovoltaico.
Introduction
Debido a sus propiedades emergentes únicas, las tintas de nanocristales inorgánicos han encontrado aplicaciones en una amplia gama de dispositivos electrónicos, incluyendo la energía fotovoltaica, 1 -. Diodos emisores 6 de luz, 7, 8 condensadores 9 y transistores 10 Esto es debido a la combinación de la excelente electrónica y propiedades ópticas de materiales inorgánicos y su compatibilidad solución en la nanoescala. materiales inorgánicos a granel no son normalmente solubles y por lo tanto se limitan a alta temperatura, las deposiciones de vacío de baja presión. Sin embargo, cuando se prepara a escala nanométrica con una cáscara de ligando orgánico, estos materiales pueden dispersarse en disolventes orgánicos y depositados de la solución (desplegable, dip, spin, pulverización de recubrimiento). Esta libertad para recubrir grandes e irregulares superficies con dispositivos electrónicos reduce el costo de estas tecnologías y al mismo tiempo la ampliación de posibles aplicaciones de nicho. 6, 11 </sup>, 12
Procesamiento de soluciones de cadmio (II) telururo (CdTe), cadmio (II) seleniuro (CdSe), cadmio (II) sulfuro (CdS) y óxido de zinc (ZnO) capas activas semiconductoras inorgánico ha llevado a dispositivos fotovoltaicos que alcanzan eficiencias (ƞ) para de metal-CdTe Schottky unión CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 y heterounión CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7.1 %, 12%). 18, 19 En contraste con la deposición en vacío de los dispositivos de CdTe a granel, estas películas de nanocristales debe someterse a intercambio de ligando después de la deposición para eliminar nativo y aislante ligandos de cadena larga orgánico que prohíben el transporte de electrones eficiente a través de la película. Además, la sinterización-ROM (S, Se, Te) debe ocurrir durante el calentamiento en presencia de un catalizador de sal adecuada. Recientemente, se found que el cloruro de amonio no tóxico (NH 4 Cl) se puede utilizar para este propósito como un reemplazo para el cloruro de cadmio utilizado comúnmente (II) (CdCl 2) 20 por inmersión de la película nanocristal depositado en NH 4 Cl:. soluciones de metanol, la reacción de intercambio de ligando se produce simultáneamente con la exposición a la NH 4 catalizador sinterización Cl activado por calor. Estas películas preparadas se calientan capa por capa para construir el espesor deseado de las capas foto-activa. 21
Los recientes avances en películas conductoras transparentes (nanocables de metal, de grafeno, nanotubos de carbono, óxido de indio y estaño de combustión procesado) y tintas de nanocristales de metal conductoras han dado lugar a la fabricación de la electrónica flexible o curvas construidas sobre superficies no conductoras arbitrarias. 22, 23 En esta presentación , que demuestran la preparación de cada solución de tinta incluyendo precursor de las capas activas (CdTe y CdSe nanocristales), la transpaalquiler la realización de electrodo de óxido (es decir, óxido de indio y de estaño dopado, ITO) y el contacto de metal de nuevo a construir una célula solar inorgánico completado totalmente de un proceso de solución. 24 Aquí, destacamos el proceso de pulverización y la capa de dispositivo de arquitecturas de modelado en no conductora vaso. Este protocolo de vídeo detallada está destinada a ayudar a los investigadores que están diseñando y células solares procesados solución constructiva; sin embargo, las mismas técnicas descritas aquí son aplicables a una amplia gama de dispositivos electrónicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
En resumen, este protocolo proporciona directrices para los pasos clave que participan en la construcción de una solución de procesado dispositivo electrónico de una pulverización o recubrimiento por rotación deposición. A continuación, destacamos los nuevos métodos para el procesamiento de películas transparentes solución de óxido de indio y estaño conductora (ITO) sobre sustratos de vidrio no conductores. Después de un procedimiento de ataque químico superficial, electrodos individuales se pueden formar …
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 |
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