Fabrication de nanocristaux dispositifs photovoltaïques inorganiques entièrement Solution transformés
Summary
Ce protocole décrit la synthèse et de la solution de dépôt inorganique couche de nanocristaux par couche pour produire minces électroniques de films sur des surfaces non-conductrices. encres à solvant stabilisé peuvent produire des dispositifs photovoltaïques complets sur des substrats de verre par rotation et revêtement par pulvérisation après l'échange de ligand post-dépôt et le frittage.
Abstract
Nous démontrons une méthode pour la préparation de cellules solaires inorganiques solution entièrement traitées d'une vrille et un vaporisateur dépôt de revêtement d'encres de nanocristaux. Pour la couche absorbante photoactif, CdTe colloïdale et de nanocristaux de CdSe (3-5 nm) sont synthétisés en utilisant une technique d'injection à chaud inerte et nettoyé avec de précipitation pour éliminer les réactifs de départ en excès. De même, les nanocristaux d'or (3-5 nm) sont synthétisés dans des conditions ambiantes et on les dissout dans des solvants organiques. En outre, les solutions de précurseur pour conductrice transparente d'oxyde d'indium-étain (ITO), les films sont préparés à partir de solutions de sels d'indium et d'étain couplé avec un réactif oxydant. Couche par couche, ces solutions sont déposées sur un substrat de verre suivant recuit (200-400 ° C) pour construire la cellule solaire nanocristal (verre / ITO / CdSe / CdTe / Au). Pré-recuit échange de ligand est nécessaire pour CdSe et CdTe nanocristaux où les films sont trempés dans NH 4 Cl: méthanol pour remplacer longue chaîne native ligands avec de petits inorganiques Cl – anions. NH 4 Cl (s) a été trouvée pour agir comme catalyseur pour la réaction de frittage (comme une alternative non toxique pour le CdCl2 (s) à un traitement conventionnel) conduisant à la croissance des grains (136 ± 39 nm) pendant le chauffage. L'épaisseur et la rugosité des films préparés sont caractérisés par SEM et profilométrie optique. FTIR est utilisé pour déterminer le degré d'échange de ligand avant le frittage et diffraction des rayons X est utilisée pour vérifier la cristallinité et la phase de chaque matériau. UV Vis spectres montrent une transmission de lumière / haute visible à travers la couche d'ITO et un décalage vers le rouge de l'absorbance des nanocristaux cadmium chalcogénures après un recuit thermique. courbes courant-tension des appareils remplis sont mesurés dans une simulation d'éclairage solaire. De petites différences dans les techniques de dépôt et des réactifs utilisés lors de l'échange de ligand se sont révélés avoir une profonde influence sur les propriétés du dispositif. Ici, nous examinons les effets de chemical (frittage et d'échange de ligand agents) et des traitements physiques (concentration de la solution, spray-pression, le temps de recuit et de la température de recuit) sur les performances du dispositif photovoltaïque.
Introduction
En raison de leurs propriétés émergentes uniques, encres de nanocristaux inorganiques ont trouvé des applications dans une large gamme d'appareils électroniques , y compris l' énergie photovoltaïque, 1 -. Diodes électroluminescentes 6 légers, 7, 8 condensateurs 9 et transistors 10 Ceci est dû à la combinaison de l'excellente électronique et les propriétés optiques des matériaux inorganiques et de leur compatibilité avec la solution à l'échelle nanométrique. matériaux inorganiques en vrac ne sont généralement pas solubles et sont donc limités à haute température, les dépôts sous vide à basse pression. Cependant, quand il est préparé à l'échelle nanométrique avec une enveloppe de ligand organique, ces matériaux peuvent être dispersés dans des solvants organiques et déposés de la solution (goutte, dip, spin-, revêtement par pulvérisation). Cette liberté de revêtir de grandes surfaces et irrégulières avec des dispositifs électroniques réduit le coût de ces technologies tout en élargissant les applications de niche possibles. 6, 11 </sup> 12
Traitement de la solution de cadmium (II) tellurure (CdTe), le cadmium (II) séléniure (CdSe), le cadmium (II) sulfure (CdS) et de l' oxyde de zinc (ZnO) semi – conducteurs inorganiques couches actives a conduit à des dispositifs photovoltaïques atteignent des rendements (ƞ) pour métal-CdTe jonction Schottky CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 et hétérojonction CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7.1 %, 12%). 18, 19 contrairement à un dépôt sous vide de dispositifs de CdTe en vrac, ces films de nanocristaux doit subir un échange de ligand dépôt comme suit pour retirer natif et isolant à longue chaîne organique ligands qui interdisent le transport d'électrons efficace à travers le film. En outre, le frittage Cd- (S, Se, Te) ne doit se produire pendant le chauffage en présence d'un catalyseur à base de sel approprié. Récemment, on a folide que le chlorure d'ammonium non toxique (NH 4 Cl) peut être utilisé à cet effet comme un remplacement pour le cadmium couramment utilisé (II) , le chlorure (CdCl 2) 20 par trempage du film de nanocristal déposé NH 4 Cl.: des solutions de méthanol, la réaction d'échange de ligands se produit simultanément avec l' exposition au catalyseur de NH 4 Cl au frittage activé par la chaleur. Ces films préparés sont chauffés couche par couche , pour construire l'épaisseur désirée des couches photo-actif. 21
Des progrès récents dans des films conducteurs transparents (les nanofils métalliques, graphène, nanotubes de carbone, la combustion traitée oxyde d' indium et d'étain) et des conducteurs d' encres de nanocristaux métalliques ont conduit à la fabrication de produits électroniques flexibles ou courbes construites sur des surfaces non conductrices quelconques. 22 23 Dans cette présentation , nous démontrons la préparation de chaque solution d'encre de précurseur comprenant les couches actives (CdTe et de nanocristaux de CdSe), le transpalouer électrode conductrice d'oxyde ( par exemple, l' oxyde d' indium et d'étain dopé, ITO) et le contact métallique arrière pour construire une cellule solaire inorganique achevé entièrement à partir d' un processus de solution. 24 Ici, nous mettons en évidence le processus de pulvérisation et la couche de dispositif patterning architectures sur la non-conductrice verre. Ce protocole vidéo détaillé est destiné à aider les chercheurs qui conçoivent et cellules solaires traitées de solutions de construction; Cependant, les mêmes techniques décrites ici sont applicables à une large gamme d'appareils électroniques.
Protocol
Representative Results
Discussion
En résumé, ce protocole fournit des directives pour les étapes clés impliqués dans la construction d'une solution traitée dispositif électronique à partir d'un dépôt de pulvérisation ou spin-coating. Ici, nous mettons en évidence de nouvelles méthodes de traitement de la solution transparente conductrice d'oxyde d'indium-étain (ITO) films sur des substrats de verre non conducteurs. Après une procédure de gravure aisée, les électrodes individuelles peuvent être formées par pulvérisati…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
