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Fabricação de Solução totalmente processado inorgânicos nanocristais fotovoltaicos 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

Este protocolo descreve a síntese e deposição de camada de solução de nanocristais inorgânico por camada para produzir electrónica de película fina sobre as superfícies não condutoras. tintas solventes estabilizada pode produzir dispositivos fotovoltaicos completos sobre substratos de vidro por meio de revestimento por rotação e pulverização seguintes troca de ligantes pós-deposição e sinterização.

Abstract

Nós demonstramos um método para a preparação de células solares inorgânicos solução totalmente transformados a partir de uma rotação e pulverização de deposição do revestimento de tintas de nanocristais. Para a camada absorvente fotoativo, CdTe coloidal e nanocristais de CdSe (3-5 nm) são sintetizados usando uma técnica de injeção quente inerte e limpos com precipitações para remover reagentes de partida em excesso. Da mesma forma, nanocristais de ouro (3-5 nm) são sintetizados sob condições de ambiente e dissolveu-se no seio de dissolventes orgânicos. Além disso, as soluções precursoras para filmes transparentes de óxido de índio e estanho condutora (ITO) são preparadas a partir de soluções de sais de estanho de índio e emparelhado com um oxidante reactivo. Camada por camada, estas soluções são depositadas sobre um substrato de vidro seguinte recozimento (200-400 ° C) para construir a célula solar nanocristais (vidro / ITO / CdSe / CdTe / Au). Permuta do ligando pré-hibridação é necessária para nanocristais CdSe e CdTe onde películas são mergulhadas em NH 4 Cl: metanol para substituir Liga nativa de cadeia longands com pequenas inorgânicos Cl – ânions. De NH 4 Cl (s) foi encontrado para agir como um catalisador para a reacção de sinterização (como uma alternativa não-tóxico para o (s) de tratamento convencional CdCl2) levando a um crescimento de grãos (136 ± 39 nm) durante o aquecimento. A espessura e a rugosidade das películas preparadas são caracterizadas com o SEM e perfilometria óptica. FTIR é usado para determinar o grau de troca de ligando antes da sinterização, e DRX é utilizada para verificar a cristalinidade e a fase de cada material. UV / Vis show de alta transmissão de luz visível através da camada de ITO e um desvio para o vermelho na absorção dos nanocristais de cádmio calcogenetos após o tratamento térmico. curvas de corrente-tensão de dispositivos concluídas são medidos sob simulado uma iluminação sol. Pequenas diferenças de técnicas de deposição e reagentes utilizados durante a troca de ligando de ter sido demonstrado que têm uma profunda influência sobre as propriedades do dispositivo. Aqui, nós examinamos os efeitos do químicocal (agentes de sinterização e cambiais ligando) e tratamentos físicos (concentração da solução, spray-pressão, tempo de recozimento e temperatura de recozimento) sobre o desempenho do dispositivo fotovoltaico.

Introduction

Devido às suas propriedades emergentes únicos, tintas de nanocristais inorgânicos têm encontrado aplicações em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, incluindo a energia fotovoltaica, 1 -. Diodos emissores de 6 luz, 7, 8 capacitores 9 e transistores 10 Isto é devido à combinação da excelente eletrônico e propriedades ópticas dos materiais inorgânicos e a sua compatibilidade solução em nanoescala. materiais inorgânicos em massa não são geralmente solúveis e, por conseguinte, estão limitados a temperatura elevada, as deposições de vácuo de baixa pressão. No entanto, quando preparado em nanoescala com um escudo ligando orgânico, estes materiais podem ser dispersos em solventes orgânicos e depositados a partir da solução (drop, DIP, cisão, spray- revestimento). Esta liberdade para revestir superfícies grandes e irregulares com dispositivos electrónicos reduz o custo dessas tecnologias ao mesmo tempo, expandindo possíveis aplicações de nicho. 6, 11 </sup>, 12

Processamento solução de cádmio (II) telureto (CdTe), cádmio (II) seleneto (CdSe), cádmio (II), sulfureto (CdS) e de óxido de zinco (ZnO), camadas activas semicondutores inorgânicos levou a dispositivos fotovoltaicos que atingem eficiências (ƞ) para metalo-CdTe Schottky junção CdTe / Al (ƞ = 5,15%) 13, 14 e heterojunção CDS / CdTe (ƞ = 5,73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ = 3,02%), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7,1 %, 12%). 18, 19 Em contraste com os dispositivos de deposição a vácuo CdTe granel, estas películas de nanocristais devem ser submetidos a permuta do ligando seguinte deposição para remover nativa e isolamento de cadeia longa orgânica ligandos que proíbem o transporte de electrões eficiente através da película. Além disso, a sinterização CD- (S, Se, Te) deve ocorrer durante o aquecimento na presença de um catalisador de sal adequado. Recentemente, foi found que o cloreto de amónio não tóxico (NH 4 Cl) podem ser utilizado para este efeito, como um substituto para o cloreto de cádmio vulgarmente utilizado (II) (CdCl2) 20 mergulhando o filme nanocristais depositado em NH 4 Cl:. soluções de metanol, a reacção de permuta de ligando ocorre simultaneamente com a exposição ao NH 4 Cl sinterização catalisador activado termicamente. Estas películas preparadas são aquecidas camada-por-camada para construir a espessura desejada da camada foto-activa. 21

Os avanços recentes em películas condutoras transparentes (nanofios de metal, o grafeno, nanotubos de carbono, óxido de índio e estanho combustão processada) e tintas metálicas de nanocristais condutoras levaram à fabricação da electrónica flexíveis ou curvas desenvolvidas a superfícies não condutoras arbitrárias. 22, 23 Nesta apresentação , que demonstram a preparação de cada solução precursora de tinta incluindo as camadas activas (CdTe e CdSe nanocristais), a transpaalugar realização de eletrodo óxido (ie, óxido de índio dopado com estanho, ITO) e o metal de contato de volta para a construção de uma célula solar inorgânico inteiramente preenchida a partir de um processo de solução. 24 Aqui, destaca-se o processo de pulverização e a camada do dispositivo arquiteturas de padrões em matéria de não-condutora vidro. Este protocolo de vídeo detalhada destina-se a ajudar os investigadores que estão projetando e solução de construção de células solares processados; No entanto, as mesmas técnicas descritas aqui são aplicáveis ​​a uma ampla variedade de dispositivos electrónicos.

Protocol

Nota: Por favor, consulte todas as fichas de dados de materiais de segurança pertinentes (MSDS) antes do uso. Muitas das soluções e dos produtos precursores são perigosos ou cancerígenas. Uma atenção especial deve ser direcionada aos nanomateriais, devido a preocupações de segurança únicas que surgem em comparação com os seus homólogos em massa. equipamento de proteção adequado deve ser usado (óculos de segurança, protetor facial, luvas, jaleco, calças compridas e sapatos fechados dedos) em todos os m…

Representative Results

Pequeno ângulo Padrões de difracção de raios-X são usados ​​para verificar a cristalinidade e a fase da película nanocristais recozido (Figura 1A). Se os tamanhos dos cristalitos são inferiores a 100 nm, o seu diâmetro de cristal pode ser calculada com a equação de Scherrer (Eq. 1) e verificou com Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM), onde d é o diâmetro médio de cristalito, K é o factor d…

Discussion

Em resumo, este protocolo prevê orientações para as principais etapas envolvidas com a construção de uma solução processados ​​dispositivo eletrônico a partir de uma deposição de spray- ou spin-coating. Aqui, destacam-se novos métodos de processamento de filmes solução transparente de óxido de índio-estanho condutora (ITO) sobre substratos de vidro não-condutores. Depois de um procedimento de gravação fácil, eletrodos individuais podem ser formadas antes das camadas foto-activa-o depósito de pulv…

Divulgazioni

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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Riferimenti

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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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