המצאה של התקנים פוטו ננו אורגניים לגמרי פתרון מעובד
Summary
פרוטוקול זה מתאר את בתצהיר סינתזת פתרון של שכבת nanocrystals אורגנית אחר שכבה לייצר אלקטרוניקת סרט דקה על משטחים שאינם מוליכים. דיו מרכך מיוצב יכול לייצר התקנים פוטו מלאים על מצעי זכוכית באמצעות ציפוי ספין ומרסס בעקבות הדיאלוג ליגנד sintering שלאחר בתצהיר.
Abstract
אנו להדגים שיטה להכנת תאים סולריים אורגניים מעובדים במלואם פתרון מ ספין ולרסס בתצהיר ציפוי של דיו ננו. עבור שכבת בולם photoactive, CdTe קולואידים ו nanocrystals CdSe (3-5 ננומטר) מסונתזים באמצעות טכניקת הזרקה חמה אינרטי וניקה עם משקעים להסיר ריאגנטים המוצא עודפים. באופן דומה, nanocrystals זהב (3-5 ננומטר) מסונתז בתנאי סביבה ופזר בממסים אורגניים. בנוסף, פתרונות מבשרים על תחמוצת אינדיום בדיל מוליכים שקופים (איטו) סרטים ערוכים מפתרונות של מלחים אינדיום ובדיל זיווג עם מחמצן תגובתי. שכבה אחר שכבה, פתרונות אלה מופקדים על מצע זכוכית הבא חישול (200-400 מעלות צלזיוס) כדי לבנות את התא הסולארי ננו (זכוכית / איטו / CdSe / CdTe / Au). החילופי ליגנד טרום חישול נדרש עבור nanocrystals CdSe ו CdTe שבו סרטים טבולים NH 4 Cl: מתנול להחליף Liga יליד-שרשרת ארוכהnds עם אורגניים Cl קטן – אניונים. 4 NH Cl (ים) נמצא לפעול כזרז תגובת sintering (כחלופה רעילה לטיפול הקונבנציונלי CdCl 2 (s)) שיוביל לצמיחת תבואה (136 ± 39 ננומטר) במהלך חימום. העובי והחספוס של הסרטים המוכנים מאופיינים עם SEM ו profilometry האופטי. FTIR משמש כדי לקבוע את מידת חילופי ליגנד לפני sintering, ו XRD משמש כדי לאמת את crystallinity והפאזה של כל חומר. UV / Vis ספקטרה להראות גבוה הילוכים האור הנראה דרך שכבת איטו ומעבר אדום ספיגת של nanocrystals chalcogenide קדמיום לאחר חישול תרמית. עקומות נוכחית במתח של התקנים הושלמו נמדדות תחת תאורה אחד שמש מדומה. הבדלים קטנים בטכניקות בתצהיר ריאגנטים המועסקים במהלך חילופי ליגנד הוכחו להם השפעה מרחיקת לכת על מאפייני ההתקן. כאן אנו בוחנים את ההשפעות של חםקאל (סוכני sintering וחילופי ליגנד) וטיפולים פיזיים (ריכוז פתרון, בלחץ ספריי, זמן חישול חישול בטמפרטורה) על ביצועי המכשיר פוטו.
Introduction
בשל מאפייני המתעוררים הייחודיים שלהם, דיו ננו אורגני מצא יישומים במגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים כולל photovoltaics, 1 -. 6 דיודות פולט אור, 7, 8 קבלים 9 וטרנזיסטורים 10 זאת בשל השילוב של אלקטרונית מעולה תכונות אופטיות של חומרים אורגניים תאימות הפתרון שלהם על הננומטרי. חומרים אורגניים גורפים הם בדרך כלל לא מסיסים ולכן מוגבלים בטמפרטורה גבוהה, תצהירי ואקום בלחץ נמוכים. עם זאת, כאשר נערך על ננו עם פגז ליגנד אורגני, ניתן לפזר חומרים אלה בממסים אורגניים והפקידו מפתרון (drop-, דולה, spin-, spray- ציפוי). והחופש הזה משטחים גדולים ובלתי סדירים מעיילים עם מכשירים אלקטרוניים מפחית את העלות של הטכנולוגיות הללו תוך הרחבת יישומי נישה אפשריות. 6, 11 </sup>, 12
פתרון עיבוד של קדמיום (II) טלוריד (CdTe), קדמיום (II) selenide (CdSe), קדמיום (II) גופרי (CDS) ותחמוצת אבץ (ZnO) שכבות פעילות מוליכים למחצה אורגניים הוביל התקני פוטו לכת יעילות (ƞ) עבור מתכת-CdTe צומת שוטקי CdTe / אל (ƞ = 5.15%) 13, 14 ו heterojunction תקליטורים / CdTe (ƞ = 5.73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3.02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7.1 %, 12%). 18, 19 בניגוד בתצהיר ואקום של מכשירי CdTe בתפזורת, סרטים ננו אלה חייבים לעבור בתצהיר בעקבות דיאלוג ליגנד להסיר יליד בידוד הליגנדים אורגני ארוכת שרשרת אוסרות העברת אלקטרונים יעילה דרך הסרט. בנוסף, sintering CD-(S, Se, טה) חייב להתרחש במהלך החימום בנוכחות זרז מלח מתאים. לאחרונה, זה היה found כי אמוניום כלוריד רעיל (NH 4 Cl) יכול לשמש למטרה זו כתחליף כלוריד קדמיום נפוץ (II) (CdCl 2) 20 על ידי טבילת סרט ננו שהופקד NH 4 Cl:. פתרונות מתנול, תגובת החליפין ליגנד מתרחשת בו זמנית עם חשיפת זרז sintering חום מופעל NH 4 Cl. הסרטים הללו המוכנות מחוממים שכבה אחר שכבה לבנות לעובי הרצוי של שכבות פוטו-פעיל. 21
ההתפתחויות אחרונות בסרטים מוליכים שקופים (nanowires מתכת, גרפן, צינורות פחמן, תחמוצת אינדיום בדיל מעובד בעירה) ודיו ננו מוליך המתכת הובילו הייצור של אלקטרוניקה גמישה או מעוקלת הבנויה על משטחים שאינם מוליכים שרירותיים. 22, 23 במצגת זו , אנחנו מדגימים הכנה כל פתרון דיו מבשר כולל השכבות הפעילות (nanocrystals CdTe ו CdSe), את transpaלשכור ניצוח אלקטרודה תחמוצת (כלומר, תחמוצת בדיל המסומם אינדיום, איטו) ומגע המתכת האחורי לבנות תאים סולריים אורגניים הושלמו לחלוטין מתהליך פתרון. 24 כאן, אנו מדגישים את ארכיטקטורות דפוסי תרסיס התהליך ושכבת ההתקן שאינו מוליך זכוכית. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד לעזור לחוקרים מי הם בעיצוב תאים סולריים מעובד פתרון בניין; עם זאת, באותו הטכניקות המתוארות כאן החלות על מגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים.
Protocol
Representative Results
Discussion
לסיכום, פרוטוקול זה מספק הנחיות עבור השלבים העיקריים מעורבים בבניית פתרון מעובד מכשיר אלקטרוני מתוך בתצהיר spray- או ספין-ציפוי. כאן, אנו מדגישים שיטות חדשות עבור תחמוצת אינדיום בדיל מוליכים שקופים עיבוד פתרון (איטו) סרטים על גבי מצעים זכוכית שאינו מוליך. לאחר הליך תחרי…
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 |
References
- 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).
