Fabricação de Solução totalmente processado inorgânicos nanocristais fotovoltaicos Devices
Summary
Este protocolo descreve a síntese e deposição de camada de solução de nanocristais inorgânico por camada para produzir electrónica de película fina sobre as superfícies não condutoras. tintas solventes estabilizada pode produzir dispositivos fotovoltaicos completos sobre substratos de vidro por meio de revestimento por rotação e pulverização seguintes troca de ligantes pós-deposição e sinterização.
Abstract
Nós demonstramos um método para a preparação de células solares inorgânicos solução totalmente transformados a partir de uma rotação e pulverização de deposição do revestimento de tintas de nanocristais. Para a camada absorvente fotoativo, CdTe coloidal e nanocristais de CdSe (3-5 nm) são sintetizados usando uma técnica de injeção quente inerte e limpos com precipitações para remover reagentes de partida em excesso. Da mesma forma, nanocristais de ouro (3-5 nm) são sintetizados sob condições de ambiente e dissolveu-se no seio de dissolventes orgânicos. Além disso, as soluções precursoras para filmes transparentes de óxido de índio e estanho condutora (ITO) são preparadas a partir de soluções de sais de estanho de índio e emparelhado com um oxidante reactivo. Camada por camada, estas soluções são depositadas sobre um substrato de vidro seguinte recozimento (200-400 ° C) para construir a célula solar nanocristais (vidro / ITO / CdSe / CdTe / Au). Permuta do ligando pré-hibridação é necessária para nanocristais CdSe e CdTe onde películas são mergulhadas em NH 4 Cl: metanol para substituir Liga nativa de cadeia longands com pequenas inorgânicos Cl – ânions. De NH 4 Cl (s) foi encontrado para agir como um catalisador para a reacção de sinterização (como uma alternativa não-tóxico para o (s) de tratamento convencional CdCl2) levando a um crescimento de grãos (136 ± 39 nm) durante o aquecimento. A espessura e a rugosidade das películas preparadas são caracterizadas com o SEM e perfilometria óptica. FTIR é usado para determinar o grau de troca de ligando antes da sinterização, e DRX é utilizada para verificar a cristalinidade e a fase de cada material. UV / Vis show de alta transmissão de luz visível através da camada de ITO e um desvio para o vermelho na absorção dos nanocristais de cádmio calcogenetos após o tratamento térmico. curvas de corrente-tensão de dispositivos concluídas são medidos sob simulado uma iluminação sol. Pequenas diferenças de técnicas de deposição e reagentes utilizados durante a troca de ligando de ter sido demonstrado que têm uma profunda influência sobre as propriedades do dispositivo. Aqui, nós examinamos os efeitos do químicocal (agentes de sinterização e cambiais ligando) e tratamentos físicos (concentração da solução, spray-pressão, tempo de recozimento e temperatura de recozimento) sobre o desempenho do dispositivo fotovoltaico.
Introduction
Devido às suas propriedades emergentes únicos, tintas de nanocristais inorgânicos têm encontrado aplicações em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, incluindo a energia fotovoltaica, 1 -. Diodos emissores de 6 luz, 7, 8 capacitores 9 e transistores 10 Isto é devido à combinação da excelente eletrônico e propriedades ópticas dos materiais inorgânicos e a sua compatibilidade solução em nanoescala. materiais inorgânicos em massa não são geralmente solúveis e, por conseguinte, estão limitados a temperatura elevada, as deposições de vácuo de baixa pressão. No entanto, quando preparado em nanoescala com um escudo ligando orgânico, estes materiais podem ser dispersos em solventes orgânicos e depositados a partir da solução (drop, DIP, cisão, spray- revestimento). Esta liberdade para revestir superfícies grandes e irregulares com dispositivos electrónicos reduz o custo dessas tecnologias ao mesmo tempo, expandindo possíveis aplicações de nicho. 6, 11 </sup>, 12
Processamento solução de cádmio (II) telureto (CdTe), cádmio (II) seleneto (CdSe), cádmio (II), sulfureto (CdS) e de óxido de zinco (ZnO), camadas activas semicondutores inorgânicos levou a dispositivos fotovoltaicos que atingem eficiências (ƞ) para metalo-CdTe Schottky junção CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 e heterojunção CDS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 Em contraste com os dispositivos de deposição a vácuo CdTe granel, estas películas de nanocristais devem ser submetidos a permuta do ligando seguinte deposição para remover nativa e isolamento de cadeia longa orgânica ligandos que proíbem o transporte de electrões eficiente através da película. Além disso, a sinterização CD- (S, Se, Te) deve ocorrer durante o aquecimento na presença de um catalisador de sal adequado. Recentemente, foi found que o cloreto de amónio não tóxico (NH 4 Cl) podem ser utilizado para este efeito, como um substituto para o cloreto de cádmio vulgarmente utilizado (II) (CdCl2) 20 mergulhando o filme nanocristais depositado em NH 4 Cl:. soluções de metanol, a reacção de permuta de ligando ocorre simultaneamente com a exposição ao NH 4 Cl sinterização catalisador activado termicamente. Estas películas preparadas são aquecidas camada-por-camada para construir a espessura desejada da camada foto-activa. 21
Os avanços recentes em películas condutoras transparentes (nanofios de metal, o grafeno, nanotubos de carbono, óxido de índio e estanho combustão processada) e tintas metálicas de nanocristais condutoras levaram à fabricação da electrónica flexíveis ou curvas desenvolvidas a superfícies não condutoras arbitrárias. 22, 23 Nesta apresentação , que demonstram a preparação de cada solução precursora de tinta incluindo as camadas activas (CdTe e CdSe nanocristais), a transpaalugar realização de eletrodo óxido (ie, óxido de índio dopado com estanho, ITO) e o metal de contato de volta para a construção de uma célula solar inorgânico inteiramente preenchida a partir de um processo de solução. 24 Aqui, destaca-se o processo de pulverização e a camada do dispositivo arquiteturas de padrões em matéria de não-condutora vidro. Este protocolo de vídeo detalhada destina-se a ajudar os investigadores que estão projetando e solução de construção de células solares processados; No entanto, as mesmas técnicas descritas aqui são aplicáveis a uma ampla variedade de dispositivos electrónicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em resumo, este protocolo prevê orientações para as principais etapas envolvidas com a construção de uma solução processados dispositivo eletrônico a partir de uma deposição de spray- ou spin-coating. Aqui, destacam-se novos métodos de processamento de filmes solução transparente de óxido de índio-estanho condutora (ITO) sobre substratos de vidro não-condutores. Depois de um procedimento de gravação fácil, eletrodos individuais podem ser formadas antes das camadas foto-activa-o depósito de pulv…
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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