Fabbricazione di inorganici nanocristalli fotovoltaici dispositivi completamente Soluzione Processing
Summary
Questo protocollo descrive la deposizione sintesi e soluzione inorganica strato dopo strato nanocristalli per produrre elettronica film sottile su superfici non conduttive. inchiostri a solvente stabilizzato in grado di produrre dispositivi fotovoltaici completi su substrati di vetro tramite rotazione e spruzzo rivestimento seguenti scambio ligando post-deposizione e sinterizzazione.
Abstract
Abbiamo dimostrato un metodo per la preparazione di celle solari inorganiche completamente soluzione trasformati a base di un giro e spruzzare la deposizione del rivestimento di inchiostri nanocristalli. Per lo strato assorbente fotoattivo, CdTe colloidale e nanocristalli CdSe (3-5 nm) sono sintetizzati utilizzando una tecnica di iniezione a caldo inerte e puliti con precipitazioni per rimuovere i reagenti di partenza in eccesso. Analogamente, nanocristalli oro (3-5 nm) sono sintetizzati in condizioni ambiente e disciolti in solventi organici. Inoltre, le soluzioni precursori per film trasparenti conduttivo ossido di indio e stagno (ITO) sono preparati da soluzioni di indio e stagno sali accoppiati con un ossidante reattiva. Strato dopo strato, queste soluzioni sono depositati su un substrato di vetro dopo ricottura (200-400 ° C) per costruire la cella solare nanocristalli (vetro / ITO / CdSe / CdTe / Au). Scambio ligando pre-ricottura è necessario per CdSe e CdTe nanocristalli dove i film sono immersi in NH 4 Cl: metanolo in sostituzione a catena lunga liga nativoNDS con piccole inorganici Cl – anioni. NH 4 Cl (s) è stato trovato per agire come catalizzatore per la reazione di sinterizzazione (come alternativa non tossico per la (s) trattamento convenzionale CdCl 2) che porta alla crescita dei grani (136 ± 39 nm) durante il riscaldamento. Lo spessore e la rugosità delle pellicole preparate sono caratterizzati con SEM e profilometria ottica. FTIR viene utilizzato per determinare il grado di conversione legante prima della sinterizzazione, e XRD viene utilizzato per verificare la cristallinità e la fase di ciascun materiale. UV / Vis spettri di spettacolo di alta trasmissione della luce visibile attraverso lo strato di ITO e uno spostamento rosso nel assorbanza dei nanocristalli cadmio calcogenuri dopo ricottura termica. curve corrente-tensione dei dispositivi realizzati sono stati misurati nelle simulato una illuminazione solare. Piccole differenze nelle tecniche di deposizione e reattivi utilizzati durante lo scambio di ligando hanno dimostrato di avere una profonda influenza sulle proprietà del dispositivo. Qui, esaminiamo gli effetti della ChemiCAL (sinterizzazione e di scambio ligando agenti) e trattamenti fisici (concentrazione della soluzione, spray-pressione, il tempo di ricottura e temperatura di ricottura) sulle prestazioni del dispositivo fotovoltaico.
Introduction
Grazie alle loro proprietà emergenti uniche, inchiostri nanocristalli inorganici hanno trovato applicazioni in una vasta gamma di dispositivi elettronici compresi fotovoltaico, 1 -. 6 diodi emettitori di luce, 7, 8 condensatori 9 e transistori 10 Ciò è dovuto alla combinazione dell'eccellente elettronica e proprietà ottiche dei materiali inorganici e loro compatibilità soluzione sul nanoscala. materiali inorganici sfusi sono tipicamente non solubili e sono quindi limitati ad alta temperatura, deposizioni sottovuoto bassa pressione. Tuttavia, se preparato su scala nanometrica con un guscio legante organico, questi materiali possono essere disperse in solventi organici e depositati dalla soluzione (a caduta, dip, scissione, a spruzzo di rivestimento). Questa libertà per rivestire grandi superfici irregolari con dispositivi elettronici riduce il costo di queste tecnologie mentre espandendo anche possibili applicazioni di nicchia. 6, 11 </sup> 12
La lavorazione in soluzione di cadmio (II) Telluride (CdTe), cadmio (II) seleniuro (CdSe), cadmio (II) solfuro (CdS) e ossido di zinco (ZnO) strati attivi inorganici semiconduttori ha portato a dispositivi fotovoltaici che raggiungono efficienze (ƞ) per metal-CdTe Schottky giunzione CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 e eterogiunzione CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7.1 %, 12%). 18, 19 In contrasto deposizione sotto vuoto di dispositivi CdTe rinfusa, questi film nanocristalli deve subire scambio ligando seguente deposizione per rimuovere nativa ed isolante a lunga catena organica ligandi che vietano trasporto degli elettroni efficiente attraverso la pellicola. Inoltre, sinterizzazione CD (S, Se, Te) deve verificarsi durante il riscaldamento in presenza di un catalizzatore adatto sale. Recentemente, è stato found che il cloruro di ammonio non tossico (NH 4 Cl) può essere utilizzato per questo scopo come una sostituzione per il cadmio comunemente usato cloruro (II) (CdCl 2) 20 Immergendo il film nanocristalli depositato in NH 4 Cl. soluzioni metanolo, la reazione di scambio ligando avviene simultaneamente con l'esposizione al NH 4 Cl catalizzatore sinterizzazione calore attivato. Questi film preparati vengono riscaldati layer-by-layer per costruire il desiderato spessore degli strati foto-attivi. 21
I recenti progressi nella pellicole conduttive trasparenti (nanofili metallici, grafene, nanotubi di carbonio, di combustione trattati indio ossido di stagno) e conduttivo inchiostri metallici nanocristalli hanno portato alla fabbricazione di elettronica flessibile o curve costruite su superfici non conduttive arbitrari. 22, 23 In questa presentazione , dimostriamo la preparazione di ogni soluzione d'inchiostro precursore compresi gli strati attivi (CdTe e CdSe nanocristalli), il Transpaaffitto conduzione elettrodo di ossido (vale a dire, l'ossido di indio e stagno drogato, ITO) e il contatto metallico di nuovo per costruire una cella solare inorganico completato interamente da un processo di soluzione. 24 Qui, si evidenzia il processo di spruzzatura e lo strato dispositivo architetture patterning sulla non-conduttivo bicchiere. Questo protocollo video dettagliato ha lo scopo di aiutare i ricercatori che progettano ed elaborati celle solari soluzione edilizia; tuttavia, le stesse tecniche qui descritte sono applicabili ad una vasta gamma di dispositivi elettronici.
Protocol
Representative Results
Discussion
In sintesi, questo protocollo fornisce le linee guida per le fasi chiave coinvolti con la costruzione di una soluzione elaborata dispositivo elettronico da una deposizione a spruzzo o spin-coating. Qui, si segnalano nuovi metodi per la soluzione di elaborazione pellicole trasparenti conduttrice di ossido di indio e stagno (ITO) su substrati di vetro non conduttivi. Dopo una procedura di incisione facile, singoli elettrodi possono essere formati prima di spray depositare gli strati foto-attivi. Utilizzando una tecnica la…
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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