Fabrikasjon av Fully Løsning Behandlet uorganiske nanocrystal photovoltaic enheter

Summary

Denne protokollen beskriver syntesen og oppløsningen avsetning av uorganiske nanokrystaller lag på lag for å fremstille tynnfilmelektronikk på ikke-ledende overflater. Løsemiddel stabilisert blekk kan produsere komplette fotovoltaiske enheter på glass underlag via spin og spraymaling følgende etter avsetningen ligand utveksling og sintring.

Abstract

Vi vise en metode for fremstilling av fullstendig oppløsning behandlede uorganiske solceller fra et spinn og spray coating avsetning av nanocrystal blekk. For fotoaktive absorber lag, kolloidalt CdTe og CdSe nanokrystaller (3-5 nm) blir syntetisert ved hjelp av en inert varmt injeksjonsteknikk og rengjøres med utfellinger å fjerne overflødig start reagenser. Tilsvarende er gullholdige nanorør (3-5 nm) syntetisert under omgivelsesbetingelser og oppløst i organiske oppløsningsmidler. I tillegg er forløper-løsninger for transparente ledende indium tinnoksid (ITO) filmer fremstilt fra oppløsninger av indium og tinn-salter forbundet med et reaktivt oksidant. Lag-for-lag, er disse oppløsninger avsatt på et glass-substrat etter gløding (200-400 ° C) for å bygge den nanokrystallaget solcelle (glass / ITO / CdSe / CdTe / Au). Pre-annealing ligandutveksling er nødvendig for CdSe og CdTe nanokrystaller hvor filmene er dyppet i _NH4Cl: metanol for å erstatte langkjedede innfødt ligaNDS med små uorganiske Cl ^– anioner. _{NH4CI (er)} ble funnet å virke som en katalysator for sintring reaksjon (som et ikke-toksisk alternativ til den konvensjonelle CdCl _{2 (e)} behandling) som fører til kornvekst (136 ± 39 nm) under oppvarming. Tykkelsen og grovheten av de fremstilte filmene er preget med SEM og optisk profilometri. FTIR blir brukt til å bestemme graden av liganden utveksling før sintring, og XRD blir brukt til å bekrefte krystalliniteten og fase av hvert materiale. UV / Vis-spektra viser høy synlig lystransmisjon gjennom ITO lag og et rødt forskyvning i absorbans av kadmium chalcogenide nanokrystaller etter termisk gløding. Nåværende spenning kurver av ferdige enheter er målt under simulerte en sol belysning. Små forskjeller i deponering teknikker og reagenser som benyttes under ligand utveksling har vist seg å ha stor innflytelse på enhetens egenskaper. Her undersøker vi effekten av kjemical (sintring og ligand utveksling agenter) og fysiske behandlinger (løsning konsentrasjon, spray-press, annealing tid og avspenning temperatur) på photovoltaic enhetens ytelse.

Introduction

På grunn av deres unike nye egenskaper, har uorganiske nanocrystal blekk funnet programmer i et bredt spekter av elektroniske enheter, inkludert solceller, ^{1 -. 6} lysdioder, ^{7, 8} kondensatorer ⁹ og transistorer ¹⁰ Dette skyldes en kombinasjon av gode elektroniske og optiske egenskapene til uorganiske materialer og deres løsning kompatibilitet på nanoskala. Bulk uorganiske materialer er vanligvis ikke løselig og er derfor begrenset til høy temperatur, lavt trykk vakuum avsetninger. Men når forberedt på nanoskala med en organisk ligand skall, disse materialene kan spres i organiske løsemidler og avsatt fra oppløsning (rulle, dukkert, spin, sprøytemaling). Denne friheten til å belegge store og ujevne overflater med elektroniske enheter reduserer kostnadene ved disse teknologiene samtidig utvide mulige nisje applikasjoner. ^{6, 11} </su^{p>, 12}

Løsning behandling av kadmium (II) telluride (CdTe), kadmium (II) selen (CdSe), kadmium (II) sulfid (CDS) og sinkoksid (ZnO) uorganisk halvleder aktive lagene har ført til photovoltaic enheter rekk effektivitet (ƞ) for metall-CdTe Schottky krysset CdTe / Al (ƞ = 5,15%) ^{13, 14} og hetero CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), ¹⁵ CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), ^{16, 17} ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). ^{18, 19} i motsetning til vakuumavsetning av bulk CdTe-enheter, må disse nanocrystal filmene gjennomgå ligandutveksling følgende avsetning for å fjerne naturlig og isolerende langkjedede organiske ligander som forbyr effektiv elektrontransport gjennom filmen. I tillegg sintring CD (S, Se, Te), må skje under oppvarming i nærvær av et egnet salt-katalysator. Nylig ble det found at ikke-toksisk ammoniumklorid _(NH4CI) kan brukes for dette formål som en erstatning for den vanlige brukte kadmium (II) klorid (CdCl ₂₎ ²⁰ Ved å dyppe den avsatte nanokrystallaget filmen i _NH4CI. metanol løsninger liganden utvekslingsreaksjon finner sted samtidig med eksponering for den varmeaktiverte _NH4CI sintringskatalysator. Disse fremstilles filmer er oppvarmet lag-for-lag for å bygge opp den ønskede tykkelse av det fotoaktive lag. ²¹

Nylige fremskritt innen transparente ledende filmer (metall nanotråder, graphene, karbon nanorør, forbrenning behandlet indium tinn oksid) og ledende metall nanocrystal blekk har ført til fabrikasjon av fleksible eller buede elektronikk bygget på vilkårlige ikke-ledende overflater. ^{22, 23} I denne presentasjonen viser vi utarbeidelsen av hver forløper blekk løsning som inkluderer de aktive lagene (CdTe og CdSe nanokrystaller), den gjennoleie gjennomføre oksid elektrode (dvs. indium dopet tinn oksid, ITO) og tilbake metall kontakt for å konstruere et ferdig uorganisk solcelle helt fra en løsning prosess. ²⁴ Her viser vi sprøyteprosessen og enhets lag på mønstrings arkitekturer på ikke-ledende glass. Denne detaljerte video-protokollen er ment å hjelpe forskere som utformer og bygge løsning behandlet solceller; Men de samme teknikkene som er beskrevet her kan anvendes på et bredt utvalg av elektroniske enheter.

Protocol

Merk: Sjå alle relevante materialer sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk. Mange av forløper-løsninger og produktene er farlig eller kreftfremkallende. Man bør være spesielt rettet mot nanomaterialer på grunn av unike sikkerhetsproblemer som oppstår i forhold til sine bulk kolleger. Riktig verneutstyr må brukes (vernebriller, ansiktsskjerm, hansker, frakk, lange bukser og lukkede toed sko) til enhver tid i løpet av denne prosedyren. 1. Syntese av nanocrystal Forløperceller blekk …

Representative Results

Small angle x-ray Diffraction Patterns brukes for å bekrefte krystalliniteten og fasen av den glødede nanokrystallaget film (figur 1A). Hvis krystallittstørrelser er under 100 nm, kan deres krystall diameter anslås med Scherrer ligningen (Eq. 1) og verifisert med Scanning elektronmikroskopi (SEM), hvor d er den midlere krystallittstørrelse diameter, er K den dimensjonsløse formfaktoren for materialet, er β den…

Discussion

Oppsummert gir dette protokollen retningslinjer for de viktigste trinnene som er involvert med å bygge en løsning behandlet elektronisk enhet fra en spray eller spin-belegg deponering. Her viser vi nye metoder for løsning behandling gjennomsiktige ledende indium tinn oksid (ITO) filmene på ikke-ledende glass underlag. Etter en lettvinte etsing prosedyren, kan enkelte elektroder dannes før spray-deponering fotoaktive lag. Ved hjelp av en lag-på-lag teknikken, kan CdSe og CdTe nanokrystaller deponeres i luften under…

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