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Ingénierie

완전 해결 가공 된 무기 나노 결정 태양 광 발전 장치의 제작

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

이 프로토콜은 비전 도성 표면 상에 박막 전자 장치를 생성하는 층으로 무기 나노 결정 층의 합성 용액 증착을 설명한다. 용매 안정화 잉크는 증착 후 리간드 교환 및 소결 다음 스핀 및 스프레이 코팅을 통해 유리 기판에 대한 전체 PV 소자를 제조 할 수있다.

Abstract

우리는 스핀에서 완전 용액 처리의 무기 태양 전지의 제조 방법을 설명하고 나노 잉크의 코팅 증착을 스프레이. 광활성 흡수층, CdTe 및 콜로이드의 CdSe 나노 결정 (3-5 ㎚) 불활성 핫 주입 기술을 사용하여 합성 및 과도한 출발 시약을 제거하기 위해 세정 침전. 마찬가지로, 금 나노 입자 (3-5 나노 미터)를 주위 조건 하에서 합성 유기 용매에 용해시킨다. 또한, 투명 전도성 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름을위한 전구체 용액은 반응성 산화제와 결합 인듐 주석 염 용액으로부터 제조된다. 층별, 이러한 솔루션은 나노 결정 태양 전지 (유리 / ITO / 한 CdSe / CdTe / Au로)를 구축하는 소둔 (200 내지 400 ℃로) 다음의 유리 기판 상에 증착된다. 사전 어닐링 리간드 교환은 영화 NH 4 CL에 침지 한 CdSe와 CdTe 나노 결정이 필요합니다 : 긴 사슬 네이티브 리그를 대체 할 메탄올음이온 – 작은 무기 (CL)와 NDS. NH 4 (CL)는 난방시에 입자 성장 (136 ± 39 ㎚)로 이어지는 (종래을 CDCl3이 발 치료 무독성 대안으로) 소결 반응을위한 촉매로서 작용하는 것으로 확인되었다. 제조 된 필름의 두께와 거칠기는 SEM 및 광학 프로필 로메 특성화된다. FTIR 소결 전에 배위자 교환의 정도를 결정하는데 이용되며, 각각의 XRD는 물질의 결정 및 위상을 확인하기 위해 사용된다. ITO 층 및 열처리 후 카드뮴 칼 코게 나이드 나노 결정의 흡광도의 적색 편이를 통해 자외선 / 마주 스펙트럼을 보여 높은 가시 광선 투과율. 완성 된 소자의 전류 – 전압 곡선을 시뮬레이션 한 태양 조명 하에서 측정된다. 증착 기술 및 리간드 교환시 사용되는 시약의 작은 차이는 기기 특성에 지대한 영향을 미칠 것으로 나타났다. 여기서는 CHEMI의 효과를 검토CAL (소결 및 리간드 교환 제) 및 광 소자 성능에 물리적 처리 (용액 농도, 분사 압, 어닐링 시간과 어닐링 온도).

Introduction

그들의 고유 한 새로운 속성, 무기 나노 잉크는 태양 전지 1을 포함한 전자 장치의 넓은 범위의 애플리케이션을 발견 -. (6) 발광 다이오드, 7, 8 커패시터 (9) 및 트랜지스터들 (10)이 우수한 전자의 결합에 기인하고 무기 재료 및 나노 그들의 솔루션 호환성의 광학 특성. 대량의 무기 재료는 일반적으로 용해하지 않으며, 따라서 높은 온도, 낮은 압력의 진공 증착에 한정된다. 유기 리간드 쉘 나노에 준비 할 때 그러나, 이러한 물질은 유기 용매에 분산 용액으로부터 증착 될 수있다 (드롭, 위해 DIP, 스핀, 분무 코팅). 또한 가능한 틈새 응용 프로그램을 확대하면서 전자 장치와 코트 크고 불규칙한 표면이 자유는 이러한 기술의 비용을 줄일 수 있습니다. 6, 11 </suP> (12)

카드뮴 (II) 텔루 라이드 (CdTe), 카드뮴 (II) 셀렌 (CdSe로), 카드뮴 (II), 황화 (CDS) 및 산화 아연 용액 처리 (ZnO)을 무기 반도체 활성층은 효율 (ƞ)에 도달하는 태양 광 장치에 주도 금속 CdTe 쇼트 키 접합 CdTe / 알 (ƞ = 5.15 %) (13), (14)와 이종 접합 CdS와 / CdTe (ƞ = 5.73 %), 15의 CdSe / CdTe (ƞ = 3.02 %), 16, 17의 ZnO / CdTe (ƞ는 = 7.1 %, 12 %). (18), 벌크 CdTe 장치의 진공 증착에 대비 19은 이러한 나노 필름은 기본 필름을 효율적으로 전자 수송층을 금지 장쇄 유기 리간드 절연막 제거 리간드 교환 다음 증착을 거쳐야한다. 또한, CD – (S, Se를, 테)를 소결하는 적합한 염 촉매의 존재하에 가열시에 발생한다. 최근에는 f를했다메탄올 용액 :. 운드, 그 비 독성 암모늄 (NH 4 CL)는 NH 4 CL에 증착 된 나노 결정의 필름을 침지함으로써 일반적으로 사용되는 카드뮴 (II) 클로라이드의 대체로 이러한 목적 (을 CDCl3 2) (20)를 사용할 수있다 리간드 교환 반응은 열 활성화 NH 4 CL 소결 촉매에의 노출과 동시에 발생한다. 이러한 필름은 제조 광 액티브 층의 원하는 두께를 구축 층별로 가열한다. 21

투명 도전 막에서의 최근 발전 (금속 나노 와이어, 그래 핀, 탄소 나노 튜브, 연소 처리 된 인듐 주석 산화물) 및 도전성 금속 나노 잉크는 임의의 비도 전성 표면에 내장 된가요 성 또는 곡선 전자의 제조 주도하고있다. (22) (23)이 프레젠테이션 우리는 활성층 (CdTe 및 CdSe로 나노 결정들)을 포함하여 각 전구체 잉크 용액의 제조를 입증 상기 따라 투여기서 산화 전극 (즉, 인듐 도핑 된 주석 산화물, ITO) 및 용액 공정에서 완전히 완료된 무기 태양 전지를 구성하는 후면 금속 접촉. 24 실시 대여, 우리는 비도 전성의 분무 공정 및 장치 층 패턴 구조를 강조 유리. 이 상세한 비디오 프로토콜 설계 및 구축 솔루션 처리 태양 전지하는 연구자를 지원하기위한 것입니다; 그러나, 여기에서 설명 된 것과 동일한 기술은 광범위한 전자 장치에 적용 가능하다.

Protocol

참고 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하십시오. 전구체 솔루션 및 제품의 대부분은 위험하거나 발암 있습니다. 특별 고려 사항은 대량의 대응에 비해 인해 발생할 고유의 안전 문제로 인해 나노 물질에 문의해야합니다. 적절한 보호 장비는이 절차를 수행하는 동안 항상 (보안경, 얼굴 가리개, 장갑, 실험실 코트, 긴 바지와 폐쇄 발가락 신발)을 착용해야합니다. <p cla…

Representative Results

소각 X 선 회절 패턴은 어닐링 된 나노 결정 막 (도 1a)의 결정 및 위상을 확인하기 위해 사용된다. 결정자 크기가 100 나노 미터 미만인 경우에는, 그 결정 입경은 쉐러 방정식 (식. 1)을 추정하고 주사 전자 현미경 (SEM)으로 확인할 수있다, d는 평균 결정자 직경이고, K는 물질에 대한 무 차원 형상 계수이고, β는 브래그 각?…

Discussion

요약하면,이 프로토콜은 분무 또는 스핀 코팅 증착에서 전자 장치 처리 솔루션을 구축과 관련된 주요 단계에 대한 지침을 제공합니다. 여기서, 우리는 비도 전성의 유리 기판 상에 액 처리 투명 전도성 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름을위한 새로운 방법을 강조. 손쉬운 에칭 절차 후에, 개별 전극은 스프레이 증착하는 광 활성층 전에 형성 될 수있다. 레이어 – 바이 – 레이어 기술을 사용하여, CdTe 및 CdS…

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
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References

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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).
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