Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Synthese und die Lösungsabscheidung von anorganischen Nanokristalle Schicht für Schicht-Dünnfilm-Elektronik auf nichtleitenden Oberflächen zu erzeugen. Solvent-stabilisierten Tinten können folgende nach der Abscheidung Ligandenaustausch und Sintern komplette Photovoltaik-Anlagen auf Glassubstraten durch Spin und Spritzbeschichtung erzeugen.
Abstract
Wir zeigen, ein Verfahren zur Herstellung der Lösung vollständig verarbeitet anorganischen Solarzellen aus einer Spin-Beschichtung und Abscheidung von Nanokristall Tinten sprühen. Für die photoaktiven Absorberschicht werden kolloidale CdTe und CdSe-Nanokristalle (3-5 nm) synthetisiert eine inerte heiße Injektionstechnik unter Verwendung von und mit Fällungen gereinigt, um überschüssige Ausgangs Reagenzien zu entfernen. In ähnlicher Weise Gold-Nanokristalle (3-5 nm) werden unter Umgebungsbedingungen synthetisiert und in organischen Lösungsmitteln gelöst. Zusätzlich Vorläuferlösungen für transparente leitende Indium-Zinn-Oxid (ITO) Filme aus Lösungen von Indium- und Zinn-Salze mit einem reaktiven Oxidationsmittel gepaart hergestellt. Schicht-für-Schicht werden diese Lösungen auf einem Glassubstrat abgeschieden folgenden Annealing (200-400 ° C), um die Nanokristallsolarzelle (Glas / ITO / CdSe / CdTe / Au) zu bauen. Vorglühen Ligandenaustausch ist für CdSe und CdTe – Nanokristalle erforderlich , wenn Filme eingetaucht werden in NH 4 Cl: Methanol langkettiger , nativer liga zu ersetzennds mit kleinen anorganischen Cl – Anionen. NH 4 Cl (s) wurde als Katalysator zu wirken für die Sinterreaktion gefunden (als nicht-toxische Alternative zu dem herkömmlichen CdCl 2 (s) Behandlung) , was zu Kornwachstum (136 ± 39 nm) bei der Erwärmung. Die Dicke und die Rauheit der hergestellten Filme werden mit SEM und optische Profilometrie gekennzeichnet. FTIR verwendet, um den Grad der Ligandenaustausch vor dem Sintern zu bestimmen und XRD verwendet wird, um die Kristallinität und die Phase jedes Material zu verifizieren. UV / Vis-Spektren zeigen eine hohe Transmission für sichtbares Licht durch die ITO-Schicht und einer Rotverschiebung in der Absorption der Cadmium-Nanokristallen nach dem Tempern. Strom-Spannungs-Kurven der abgeschlossenen Geräte werden unter simulierten eine Sonnenbeleuchtung gemessen. Kleine Unterschiede in Abscheidungstechniken und Reagenzien während der Ligandenaustausch verwendet wurden, einen starken Einfluss auf die Eigenschaften der Vorrichtung zu haben, gezeigt. Hier untersuchen wir die Wirkung von chemocal (Sintern und Ligandenaustauschmittel) und physikalische Behandlungen (Lösungskonzentration, Spritzdruck, Glühzeit und Glühtemperatur) auf Photovoltaik-Leistung der Vorrichtung.
Introduction
Aufgrund ihrer einzigartigen Schwelleneigenschaften haben anorganische Nanokristall Tinten – Anwendungen in einer Vielzahl von elektronischen Geräten , einschließlich Photovoltaik gefunden . 1 – 6 Leuchtdioden, 7, 8 Kondensatoren 9 und die Transistoren 10 Dies ist auf die Kombination der hervorragenden elektronischen fällig ist und optischen Eigenschaften von anorganischen Materialien und deren Lösung die Kompatibilität auf der Nanoskala. Bulk anorganische Materialien sind typischerweise nicht löslich und werden daher auf eine hohe Temperatur, Niederdruck-Vakuumabscheidungen begrenzt. Wenn sie jedoch auf der Nanoskala mit einem organischen Ligandenhülle hergestellt, können diese Materialien in organischen Lösungsmitteln und aus der Lösung (Drop-, Tauch-, Spin-, Sprüh- Beschichtung) aufgebracht dispergiert werden. Diese Freiheit zu beschichten große und unregelmäßige Oberflächen mit elektronischen Geräten reduziert die Kosten dieser Technologien , während auch möglich Nischenanwendungen zu erweitern. 6, 11 </sup>, 12
Lösungsverarbeitung von Cadmium (II) Tellurid (CdTe), Cadmium (II) Elenid (CdSe), Cadmium (II) sulfid (CdS) und Zinkoxid (ZnO) anorganische aktive Halbleiterschichten hat , um photovoltaische Bauelemente geführt Effizienzen (Ƞ) erreichen für Metall-CdTe Schottky – Übergang CdTe / Al (Ƞ = 5,15%) 13, 14 und mit Hetero CdS / CdTe (Ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (Ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (Ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 im Gegensatz zur Vakuumabscheidung von CdTe bulk Geräte müssen diese Nanokristallfilme Ligandenaustausch nach der Abscheidung zu unterziehen langkettigen organischen Liganden zu entfernen nativer und isolierende , die eine effiziente Elektronentransport durch die Folie zu verbieten. Zusätzlich Sintern Cd- (S, Se, Te) während Erhitzen in Gegenwart eines geeigneten Salzkatalysators auftreten. Vor kurzem wurde es found daß nicht toxische Ammoniumchlorid (NH 4 Cl) kann zu diesem Zweck als Ersatz für die üblicherweise verwendeten Cadmium (II) -chlorid (CdCl 2) verwendet werden , 20 , um den abgelagerten Nanokristall – Film in NH 4 Cl Durch Eintauchen. Methanollösungen, die Ligandenaustauschreaktion tritt bei Exposition gegenüber der wärmeaktivierbaren NH 4 Cl Sinter Katalysators gleichzeitig. Diese Folien werden hergestellt erhitzt Schicht- für -Schicht die gewünschte Dicke der photoaktiven Schichten zu bauen. 21
Jüngste Fortschritte in der transparenten leitfähigen Filmen (Metall – Nanodrähte, Graphen, Kohlenstoff – Nanoröhren, die Verbrennung verarbeitet Indium – Zinn – Oxid) und leitfähigen Metall – Nanokristall – Tinten haben gebaut , um die Herstellung von flexiblen oder gebogenen Elektronik auf beliebige nichtleitenden Oberflächen geführt. 22, 23 In dieser Präsentation wir die Herstellung jeder Vorläufer Tintenlösung einschließlich der aktiven Schichten (CdTe und CdSe-Nanokristalle) demonstrieren, die Transpaleitende Oxid – Elektrode mieten (dh Indium dotiertes Zinnoxid, ITO) und der Rückmetallkontakt eine abgeschlossene anorganischen Solarzelle vollständig aus einem Lösungsverfahren. 24 Hier stellen wir das Sprühverfahren und die Bauteilschicht Strukturierungs Architekturen auf nichtleitenden zu konstruieren Glas. Diese detaillierte Video-Protokoll soll Forschern zu helfen, die entwerfen und Gebäudelösung verarbeitet Solarzellen; jedoch sind die gleichen hier beschriebenen Techniken anwendbar auf einen weiten Bereich von elektronischen Geräten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zusammengefasst stellt dieses Protokoll Richtlinien für die wichtigsten Schritte, die mit einer Lösung verarbeitet elektronische Gerät von einem Sprüh- oder Spin-Coating-Abscheidung zu bauen. Hier stellen wir neue Methoden für die Verarbeitung in Lösung transparenten leitfähigen Indiumzinnoxid (ITO) Schichten auf nicht leitenden Glassubstraten. Nach einer facile Ätzvorgang können einzelne Elektroden vor der Sprüht Abscheiden der photoaktiven Schichten gebildet werden. Mit Hilfe einer Layer-by-Layer-Technik, Cd…
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
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