Изготовление Полностью Решение Переработанные Неорганические нанокристаллов фотопреобразователей
Summary
Этот протокол описывает синтез и осаждение раствора неорганического нанокристаллов слоя слоя для получения тонкой пленки электроники на непроводящих поверхностях. Не содержит растворителей стабилизировались чернила могут производить полные фотогальванических приборов на стеклянных подложках через спиновые и напыление следующие после осаждения обмена лигандов и спекания.
Abstract
Показано, предложен способ получения полностью обработанных раствором неорганических солнечных элементов из штопора и распылить нанесение покрытий нанокристаллических красок. Для получения светочувствительного слоя поглотителя, коллоидный CdTe и CdSe нанокристаллов (3-5 нм) синтезируют с использованием инертного горячего технику инъекции и очищают с осадками для удаления избытка исходных реагентов. Точно так же золотые нанокристаллы (3-5 нм) синтезируются в условиях окружающей среды и растворенных в органических растворителях. Кроме того, растворы предшественника для прозрачный проводящий оксид индия-олова (ITO) пленки получают из растворов индия и олова солей спаренных с реакционно-окислителем. Слой за слоем, эти решения наносят на стеклянную подложку следующего отжига (200-400 ° С), чтобы построить нанокристаллической солнечный элемент (стекло / ITO / CdSe / CdTe / Au). Предварительно отжиге обмен лиганд необходим для CdSe и CdTe нанокристаллов где фильмы погружают в NH 4 Cl: метанол , чтобы заменить длинноцепочечный родную LigaНСР с небольшими неорганическими анионами Cl -. Был найден раствором NH4Cl (ов) , чтобы действовать в качестве катализатора для реакции спекания ( в качестве нетоксичного альтернативы традиционным CdCl 2 (ами) обработки) , что приводит к росту зерен (136 ± 39 нм) в процессе нагрева. Толщина и шероховатость полученных пленок характеризуются SEM и оптическим профилометрией. ИК-Фурье используется для определения степени лигандом обмена перед спеканием, и ДРЛ используется для проверки степенью кристалличности и фазы каждого материала. UV / VIS спектры показывают высокую передачу видимого света через слой ITO и красное смещение оптической плотности кадмия халькогенидных нанокристаллов после термического отжига. ВАХ завершенных устройств измеряются при моделируемых одного солнечного освещения. Небольшие различия в методах осаждения и реагентов, используемых при обмене лигандов было показано, оказывают сильное влияние на свойства устройства. Здесь мы исследуем влияние ХИкал (спекание и обмена лигандами агенты) и физические методы лечения (концентрация раствора, распылением под давлением, время отжига и температуры отжига) на фотоэлектрические производительность устройства.
Introduction
Благодаря своим уникальным формирующихся свойств, неорганические краски нанокристаллические нашли применение в широком спектре электронных устройств , в том числе солнечных батарей, 1 -. 6 светодиодов, 7, 8 конденсаторов 9 и транзисторов 10 Это происходит из – за сочетания отличная электронная и оптические свойства неорганических материалов и их совместимость раствора на наноуровне. Объемные неорганические материалы, как правило, не растворимы и поэтому ограничены до высокой температуры, низкого вакуума выпадений давления. Тем не менее, когда она подготовлена на наноуровне с органической оболочкой лигандом, эти материалы могут быть распылены в органических растворителях, и осаждается из раствора (При падении, DIP-, спин-, обрызгиванием покрытие). Эта свобода для покрытия больших и неровных поверхностей с электронными устройствами снижает стоимость этих технологий в то же время расширяет возможности применения нишу. 6, 11 </suр>, 12
Обработка раствора кадмия (II) теллурида (CdTe), кадмия (II) селенида (CdSe), кадмия (II) сульфида (СДУ) и оксида цинка (ZnO) неорганические полупроводниковые активные слои привело к фотогальванических устройств , достигающих коэффициента полезного действия (ƞ) для металл-CdTe Шоттки CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 и гетероперехода CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 в отличие от вакуумного напыления наливных устройств CdTe, эти нанокристаллические пленки должны пройти обмена лигандами после осаждения для удаления нативных и изолирующие длинноцепочечные органические лиганды , которые запрещают эффективный перенос электронов через пленку. Кроме того, спекание CD- (S, Se, Te) должно происходить при нагреве в присутствии подходящего катализатора, соли. В последнее время он был Fкруглый вырез , который не токсичен хлорид аммония (NH 4 Cl) могут быть использованы для этой цели в качестве замены для часто используемых кадмия хлорида (II) (CDCl 2) 20 погружением осажденный нанокристаллической пленки в NH 4 Cl:. растворов метанола, реакция обмена лиганда происходит одновременно с воздействием катализатора спекание активированного нагреванием NH 4 Cl. Эти подготовленные пленки нагретый слой за слоем , чтобы создать желаемую толщину фотоактивного слоев. 21
Последние достижения в области прозрачных проводящих пленок (металлические нанопроволоки, графен, углеродные нанотрубки, горение обработке оксида индия олова) и проводящие краски металла нанокристаллов привели к изготовлению гибких или изогнутыми электроники , построенных на произвольных непроводящих поверхностях. 22, 23 В этой презентации , мы демонстрируем подготовку каждого раствора краски предшественника, включая активные слои (CdTe и CdSe нанокристаллов), то Transpaаренда проведение оксидного электрода (т.е. оксид индия , легированного оловом, ITO) и задний металлический контакт построить заполненный неорганический солнечный элемент полностью из процесса решения. 24 Здесь мы выделим процесса распыления и слой устройства формирования паттерна архитектуры на непроводящий стакан. Этот подробный протокол видео призвано помочь исследователям, которые проектирование и строительство решения переработанные солнечных элементов; Тем не менее, те же самые методы, описанные здесь, применимы к широкому спектру электронных устройств.
Protocol
Representative Results
Discussion
Таким образом, этот протокол содержит рекомендации для ключевых шагов, связанных с созданием раствора обработанного электронное устройство с распылением или спин-покрытия осаждением. Здесь мы выделяем новые методы прозрачного проводящего оксида индия и олова (ITO) пленок обработки ра?…
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).
