JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

Tillverkning av helt Lösning bearbetade oorganiska nanokristall Solceller 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

Detta protokoll beskriver syntesen och lösning avsättning av oorganiska nanokristaller lager för lager för att framställa tunna film elektronik på icke-ledande ytor. Lösningsmedels stabiliserade bläck kan producera kompletta solcellsanordningar på glassubstrat via spinn och spraybeläggning efter efteravsättning ligand utbyte och sintring.

Abstract

Vi visar ett förfarande för framställning av fullt lösning bearbetade oorganiska solceller från en spin och spraya beläggnings avsättning av nanocrystal bläck. För fotoaktiva absorbentskiktet, kolloidalt CdTe och CdSe nanokristaller (3-5 nm) syntetiseras med hjälp av en inert varm injektionsteknik och rengöras med fällningar för att avlägsna överskott utgångsreagens. På liknande sätt är guldnanokristaller (3-5 nm) syntetiserad under omgivande betingelser och löstes i organiska lösningsmedel. Dessutom är prekursor-lösningar för transparenta ledande indiumtennoxid (ITO) filmer framställes ur lösningar av indium och tennsalter som paras med en reaktiv oxidator. Skikt-för-skikt, är dessa lösningar avsattes på ett glassubstrat efter glödgning (200-400 ° C) för att bygga nanokristallen solcell (glas / ITO / CdSe / CdTe / Au). Pre-glödgning ligand utbyte krävs för CdSe och CdTe nanokristaller där filmer doppas i NH4Cl: metanol för att ersätta långkedjiga infödda ligands med små oorganiska Cl – anjoner. NH4CI (s) befanns verka som en katalysator för sintringsreaktionen (som ett icke-toxiskt alternativ till den konventionella CdCl2 (er) behandling) som leder till korntillväxt (136 ± 39 nm) under upphettning. Tjockleken och råhet beredda filmer kännetecknas med SEM och optisk profilometri. FTIR användes för att bestämma graden av ligandutbyte före sintring, och XRD används för att verifiera den kristallinitet och fasen för varje material. UV / Vis-spektra visar hög transmission av synligt ljus genom det ITO-skikt och en röd förskjutning i absorbans kadmium chalcogenide nanokristaller efter termisk glödgning. Strömspänningskurvor av genomförda enheter mäts i simulerade en sol belysning. Små skillnader i deponeringstekniker och reagenser som används vid ligand utbyte har visat sig ha en djupgående inverkan på enhetsegenskaperna. Här undersöker vi effekterna av kemiskcal (sintring och ligand utbytesmedel) och fysiska behandlingar (lösningskoncentration, spraytrycket, glödgning tid och glödgningstemperatur) på fotogalvaniska anordningen prestanda.

Introduction

På grund av sina unika tillväxt egenskaper har oorganiska nanocrystal bläck funnit tillämpningar i ett brett utbud av elektroniska enheter, inklusive solceller, en -. Sex lysdioder, 7, 8 kondensatorer 9 och transistorer 10 Detta beror på en kombination av den utmärkta elektroniska och optiska egenskaper av oorganiska material och deras lösning kompatibilitet på nanonivå. Bulk oorganiska material är normalt inte lösliga och därför begränsade till hög temperatur, lågt vakuum nedfall tryck. Men när de bereds på nanoskala med en organisk ligand skal, dessa material kan dispergeras i organiska lösningsmedel och deponeras från lösning (drop-, dopp-, spinn-, spray- beläggning). Denna frihet att belägga stora och oregelbundna ytor med elektroniska apparater minskar kostnaden för denna teknik samtidigt expanderar eventuella nischapplikationer. 6, 11 </sup>, 12

Lösning bearbetning av kadmium (II) (CdTe), kadmium (II) selenid (CdSe), kadmium (II) sulfid (CdS) och zinkoxid (ZnO) oorganiska halvledar aktiva skikt har lett till solceller enheter gående effektivitet (ƞ) för metall-CdTe Schottky korsning CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 och hetero CdS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 i motsats till vakuumavsättning av bulk CdTe enheter måste dessa nanocrystal filmer genomgå ligand utbyte efter avsättningen för att avlägsna infödda och isolerande långkedjiga organiska ligander som förbjuder effektiv elektrontransport genom filmen. Dessutom måste sintring Cd- (S, Se, Te) uppträda under upphettning i närvaro av en lämplig saltkatalysator. Nyligen var det found att icke-toxisk ammoniumklorid (NH4CI) kan användas för detta ändamål som en ersättning för den vanligen använda kadmium (II) klorid (CdCl2) 20 Genom att doppa den avsatta nanokristallen filmen i NH4CI:. metanollösningar, liganden utbytesreaktionen sker samtidigt med exponering för det värmeaktiverade NH4CI sintrings katalysator. Dessa förberedda filmer värms skikt-för-skikt för att bygga den önskade tjockleken av fotoaktiva skikt. 21

Nya framsteg i transparenta ledande filmer (metallnanotrådar, grafen, kolnanorör, förbränning bearbetade indiumtennoxid) och ledande metallnanocrystal bläck har lett till tillverkning av flexibla eller böjda elektronik som bygger på godtyckliga icke-ledande ytor. 22, 23 I denna presentation visar vi framställning av varje prekursor bläck lösning inklusive aktiva skikten (CdTe och CdSe nanokristaller), den Transpahyra ledande oxid elektrod (dvs indium dopad tennoxid, ITO) och den bakre metallkontakt för att konstruera en färdig oorganisk solcell helt från ett lösningsförfarande. 24 Här markerar vi spraytorkning och enheten skiktet mönstring arkitekturer på icke-ledande glas. Denna detaljerade video protokollet är avsett att hjälpa forskare som utformar och bygga lösning bearbetade solceller; emellertid av samma tekniker som beskrivs här kan tillämpas på ett brett spektrum av elektroniska apparater.

Protocol

Obs: Kontakta alla relevanta material säkerhetsdatablad (SDB) före användning. Många av utgångs lösningar och produkter är farliga eller cancerframkallande. Särskild uppmärksamhet bör riktas till nanomaterial på grund av unika säkerhetsproblem som uppstår jämfört med deras bulk motsvarigheter. Lämplig skyddsutrustning ska bäras (skyddsglasögon, visir, handskar, skyddsrock, långbyxor och stängda rejäla skor) vid alla tidpunkter under denna procedur. 1. Syntes av nanokristal…

Representative Results

Liten vinkel X-ray Diffraction Patterns används för att verifiera den kristallinitet och fasen av det glödgade nanokristallen filmen (Figur 1A). Om kristallitstorlekar är under 100 nm, kan deras kristalldiameter uppskattas med Scherrer ekvation (ekvation. 1) och verifieras med svepelektronmikroskop (SEM), där d är den genomsnittliga kristallitstorleken diameter, K är dimensionslös formfaktorn för materialet…

Discussion

Sammanfattningsvis ger detta protokoll riktlinjer för de viktigaste stegen med att bygga en lösning behandlas elektronisk anordning från en spray- eller spin-beläggning nedfall. Här lyfter vi fram nya metoder för lösning bearbetning transparenta ledande indiumtennoxid (ITO) filmer på icke-ledande glassubstrat. Efter en enkel etsningsförfarande kan enskilda elektroder bildas före spray deponera foto aktiva skikt. Användning av ett skikt-vid-skikt-tekniken, kan CdSe och CdTe-nanokristaller deponeras i luft unde…

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