JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Ingénierie

Fremstilling af Fully Løsning Forarbejdede Uorganiske nanocrystal fotovoltaiske Devices

Published: July 08, 2016
doi:
10.3791/54154
, , , , ,
1Department of Chemistry and Biochemistry,St. Mary’s College of Maryland, 2Department of Chemistry,U.S. Naval Academy, 3NSWC Indian Head EOD Technology Division, 4Electronics and Devices Division,Naval Research Laboratory

Summary

Denne protokol beskriver syntesen og opløsning aflejring af uorganisk nanokrystaller lag på lag for at fremstille tyndfilm elektronik på ikke-ledende overflader. Solvent-stabiliserede trykfarver kan producere komplette fotoelektromotoriske anordninger på glassubstrater via spin og sprøjtebelægning følgende post-deposition ligandbytning og sintring.

Abstract

Vi viser en fremgangsmåde til fremstilling af fuldt opløsning forarbejdede uorganiske solceller fra et spin og spray coating aflejring af nanocrystal trykfarver. For den fotoaktive absorberlag, kolloid CdTe og CdSe nanokrystaller (3-5 nm) syntetiseres ved anvendelse af et indifferent hot injektionsteknik og rengøres med udfældninger for at fjerne overskud udgangsmaterialer reagenser. Tilsvarende er guld nanokrystaller (3-5 nm) syntetiseret under omgivelsesbetingelser og opløst i organiske opløsningsmidler. Desuden er precursor-opløsningerne for transparente ledende indiumtinoxid (ITO) film fremstillet ud fra opløsninger af indium og tinsalte parret med en reaktiv oxidationsmiddel. Lag-på-lag, er disse løsninger afsættes på et glasunderlag efter annealing (200-400 ° C) for at bygge nanokrystallen solcelle (glas / ITO / CdSe / CdTe / Au). Pre-annealing ligandudveksling er påkrævet for CdSe og CdTe nanokrystaller hvor film dyppes i NH4Cl: methanol for at erstatte langkædede native ligands med små uorganiske CL – anioner. NH4CI (er) viste sig at fungere som katalysator for sintringen reaktion (som en ikke-toksisk alternativ til den konventionelle CdCI2 (s) behandling), der fører til kornvækst (136 ± 39 nm) under opvarmning. Tykkelsen og ruhed af de fremstillede film er kendetegnet med SEM og optisk profilometri. FTIR anvendes til at bestemme graden af ​​ligandudveksling før sintring, og XRD anvendes til at verificere krystalliniteten og fasen af ​​hvert materiale. UV / Vis spektra viser høj transmission synligt lys gennem ITO lag og et rødt skift i absorbans cadmium chalcogenid nanokrystaller efter termisk udglødning. Aktuel spænding kurver af afsluttede enheder måles under simulerede en sol belysning. Små forskelle i deposition teknikker og reagenser under ligandudveksling har vist sig at have en stor indflydelse på enhedens egenskaber. Her undersøger vi effekten af ​​kemiskcal (sintring og ligand udveksle agenter) og fysiske behandlinger (løsning koncentration, spray tryk, annealing tid og udglødning temperatur) på solceller enhedens ydeevne.

Introduction

På grund af deres unikke nye egenskaber, har uorganiske nanocrystal trykfarver fundet anvendelser i en lang række elektroniske apparater, herunder solceller, 1 -. 6 lysdioder, 7, 8 kondensatorer 9 og transistorer 10 Dette skyldes kombinationen af den fremragende elektroniske og optiske egenskaber af uorganiske materialer og deres løsning kompatibilitet på nanoskala. Bulk uorganiske materialer er typisk ikke er opløselige og er derfor begrænset til høj temperatur, lavtryk vakuum nedlægninger. Men når de er tilberedt på nanoskala med en organisk ligand shell, disse materialer kan spredes i organiske opløsningsmidler og deponeret fra opløsningen (drop-, dip, spin-, spray coating). Denne frihed til at belægge store og uregelmæssige overflader med elektronisk udstyr reducerer omkostningerne til disse teknologier samtidig udvider mulige niche applikationer. 6, 11 </sup>, 12

Løsning behandling af cadmium (II) (CdTe), cadmium (II) selenid (CdSe), cadmium (II) sulfid (CDS) og zinkoxid er (ZnO) uorganiske halvleder aktive lag førte til fotovoltaiske enheder nå effektivitetsgevinster (ƞ) for metal-CdTe Schottky krydset CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 og heterojunction CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 i modsætning til vakuumaflejring af bulk CdTe enheder, skal disse nanocrystal film undergår ligandudveksling efter aflejring for at fjerne native og isolerende langkædede organiske ligander, som forbyder effektiv elektrontransport gennem filmen. Derudover sintring Cd- (S, Se, Te) skal ske under opvarmning i nærvær af et egnet salt katalysator. For nylig blev det found at ikke-toksisk ammoniumchlorid (NH4Cl) kan anvendes til dette formål som erstatning for den almindeligt anvendte cadmium (II) chlorid (CdCI2) 20 Ved at dyppe den deponerede nanokrystal film i NH4CI:. methanolopløsninger, liganden udbytningsreaktion forekommer samtidig med udsættelse for varme-aktiverede NH4Cl sintring katalysator. Disse fremstillede film er opvarmet lag-på-lag for at opbygge den ønskede tykkelse af de fotoaktive lag. 21

Nylige fremskridt i transparente, ledende film (metal nanowires, graphene, kulstofnanorør, forbrænding forarbejdet indiumtinoxid) og ledende metal nanocrystal trykfarver har ført til fremstillingen af fleksible eller buede elektronik bygget på vilkårlige ikke-ledende overflader. 22, 23 I denne præsentation udviser vi udarbejdelsen af ​​hver forløber blæk løsning, herunder de aktive lag (CdTe og CdSe nanokrystaller), den transleje ledende oxid elektrode (dvs. indium dopet tinoxid, ITO) og bagsiden metal kontakt til at konstruere en færdig uorganisk solcelle helt fra en opløsning proces. 24. Her fremhæver vi spray proces og enheden lag mønsterruller arkitekturer på ikke-ledende glas. Denne detaljerede video protokol er beregnet til at hjælpe forskere, der designe og bygge løsning forarbejdede solceller; imidlertid de samme teknikker beskrevet her kan anvendes til en lang række elektroniske apparater.

Protocol

Bemærk: Kontakt venligst alle relevante materialer sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Mange af de prækursorer løsninger og produkter er farlige eller kræftfremkaldende. Man bør rettes til nanomaterialer grundet unikke sikkerhedsproblemer, der opstår i forhold til deres bulk-modstykker. Korrekt beskyttelsesudstyr skal bæres (beskyttelsesbriller, ansigtsskærm, handsker, kittel, lange bukser og lukkede-tåede sko) på alle tidspunkter i løbet af denne procedure. 1. Syntese af nanokrys…

Representative Results

Lille vinkel røntgen diffraktionsmønstre bruges til at verificere krystalliniteten og fasen af udglødet nanocrystal film (figur 1A). Hvis krystallitstørrelser er under 100 nm, kan deres krystal diameter estimeres med Scherrer-ligningen (ækv. 1) og verificeres med Scanning Electron Microscopy (SEM), hvor d er den gennemsnitlige krystallitstørrelse diameter, K er den dimensionsløse formfaktoren for materialet, ?…

Discussion

Sammenfattende denne protokol indeholder retningslinjer for de vigtigste skridt, der er involveret med at bygge en løsning behandlet elektronisk enhed fra en spray- eller spin-coating deposition. Her fremhæver vi nye metoder til løsning behandling gennemsigtige ledende indiumtinoxid (ITO) film over på ikke-ledende glas substrater. Efter en letkøbt ætsning procedure, kan de enkelte elektroder dannes før spray-deponering foto-aktive lag. Ved hjælp af en lag-på-lag-teknik, kan CdSe og CdTe nanokrystaller deponeres…

Divulgations

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Debnath, R., Bakr, O., Sargent, E. H. Solution-processed colloidal quantum dot photovoltaics: A perspective. Energy Environ. Sci. 4, 4870-4881 (2011).
  2. Tang, J., Sargent, E. H. Infrared Colloidal Quantum Dots for Photovoltaics: Fundamentals and Recent Progress. Adv. Mater. 23, 12-29 (2011).
  3. 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).
  4. Yoon, W., et al. Enhanced Open-Circuit Voltage of PbS Nanocrystal Quantum Dot Solar Cells. Sci. Rep. 3, (2013).
  5. 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).
  6. Kramer, I. J., et al. Efficient Spray-Coated Colloidal Quantum Dot Solar Cells. Adv. Mater. 27, 116-121 (2015).
  7. Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulovic, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics. 7, 13-23 (2013).
  8. Demir, H. V., et al. Quantum dot integrated LEDs using photonic and excitonic color conversion. Nano Today. 6, 632-647 (2011).
  9. Yu, G., et al. Solution-Processed Graphene/MnO2 Nanostructured Textiles for High-Performance Electrochemical Capacitors. Nano Lett. 11, 2905-2911 (2011).
  10. Ridley, B. A., Nivi, B., Jacobson, J. M. All-Inorganic Field Effect Transistors Fabricated by Printing. Science. 286, 746-749 (1999).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Chen, Z., et al. Efficient inorganic solar cells from aqueous nanocrystals: the impact of composition on carrier dynamics. RSC Adv. 5, 74263-74269 (2015).
  16. 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).
  17. 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).
  18. MacDonald, B. I., et al. Layer-by-Layer Assembly of Sintered CdSexTe1-x Nanocrystal Solar Cells. ACS Nano. 6, 5995-6004 (2012).
  19. Crisp, R. W., et al. Nanocrystal Grain Growth and Device Architectures for High-Efficiency CdTe Ink-Based Photovoltaics. ACS Nano. 8, 9063-9072 (2014).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Townsend, T. K., Foos, E. E. Fully solution processed all inorganic nanocrystal solar cells. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16458-16464 (2014).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Smits, F. M. Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe. Bell Sys. Tech. J. 37, 711-718 (1958).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Panthani, M. G., et al. High Efficiency Solution Processed Sintered CdTe Nanocrystal Solar Cells: The Role of Interfaces. Nano Lett. 14, 670-675 (2014).

Tags

Inorganic NanocrystalsSolution ProcessingPhotovoltaic DevicesSpin CoatingSpray CoatingLigand ExchangeAnnealingCadmium SelenideCadmium TellurideGold NanoparticlesIndium Tin OxideThin FilmsSolar CellsDevice FabricationMaterials Science
check_url/fr/54154?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Townsend, T. K., Durastanti, D., Heuer, W. B., Foos, E. E., Yoon, W., Tischler, J. G. Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices. J. Vis. Exp. (113), e54154, doi:10.3791/54154 (2016).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image