Summary
この作品は Sb2S3 SbCl3を用いたメソポーラス TiO2層の堆積のため詳細な実験手順を提供します-チオ尿素 Sb2S3のアプリケーションに複雑なソリューション-増感太陽電池。この記事は、成膜プロセスを支配する重要な要因を決定します。
Abstract
Sb2S3は、ユニークな光学および電気特性のため次世代太陽電池に適用することができます新たな光の吸収体の 1 つとして考慮されます。最近では、我々 は Sb2S3の > 6% の太陽光発電効率を達成することで次世代太陽電池としての可能性を示す-単純なチオ尿素 (TU) を用いた太陽電池の増感-複雑なソリューションの手法します。ここでは、太陽電池の作製に SbCl3TU-複雑なソリューションを使用してメソポーラス TiO2 (mp TiO2) レイヤー上 Sb2S3の沈着の重要な実験手順について述べる。N, N- ジメチルホルムアミド SbCl3モル比が異なるでに SbCl3と TU を溶解することにより、SbCl3TU - ソリューションは合成: 火Mp TiO2/TiO2から成る準備として基板上のソリューションの堆積、-スピン コーティング層/F ドープ SnO2ガラス ブロックします。最後に、結晶 Sb2S3を形成するには、サンプルは、アニールされる N2-300 ° C でグローブ ボックスをいっぱい太陽光発電デバイスの性能に及ぼす実験的パラメーターについても説明します。
Introduction
アンチモン系カルコゲナイド (Sb Chs)、Sb2S3Sb2Se3Sb2(S, Se)3CuSbS2などは次世代太陽電池1 で使用できる新たな材料と見なされます ,2,3,4,5,6,7,8。ただし、Sb Chs 光吸収に基づく太陽光発電デバイスに達していない 10% の電力変換効率 (PCE) 実現可能な実用化を実証する必要があります。
これらの制限を克服するために様々 なメソッドやテクニックを適用したチオアセトアミド表面処理1室温成膜方法4、原子層堆積法2の使用などドット コロイド量子ドット6。これらの様々 な方法のうち化学浴の分解に基づくソリューション処理は最高のパフォーマンスの1を展示しました。ただし、化学反応と治療後の正確な制御がベスト パフォーマンス1,3を達成するために必要です。
最近、我々 はパフォーマンスの高い Sb2S3の単純なソリューション処理を開発-SbCl3を用いた太陽電池の増感-チオ尿素 (TU) 複雑なソリューション3。このメソッドを使用して、6.4% の同等のデバイスのパフォーマンスを達成するために太陽電池に適用された制御の Sb/秒比の品質の Sb2S3を作製することができました PCE。また、Sb2S3は、シングル ステップ蒸着により作製したので、効果的に処理時間を短縮することができた。
この作品は、メソポーラス TiO2 (mp TiO2) から成る基板上 Sb2S3の成膜の詳細な実験手順について述べる TiO2層のブロック/(TiO2の BL)/F をドープした SnO2 (Sb2S3の作製の FTO) ガラス ・太陽電池を介してSbCl3TU-複雑なソリューション処理3増感します。さらに、Sb2S3成膜過程で太陽電池の性能に影響を与える 3 つの主要要因は識別され説明。法の考え方は、金属硫化物に基づくその他の増感型太陽電池に簡単に適用できます。
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Protocol
1. TiO2の BL ソリューションの合成
- 2 透明バイアル 50 mL ボリュームを準備します。
- 1 バイアル (V1) にエタノール 20 mL を追加し、V1 をシールします。
- N2に V1 を転送-< 1 ppm の H2O レベルの水分制御システムでグローブ ボックスをいっぱい。
- 1.225 mL を追加 (IV) チタンイソプロポキシド (TTIP) v1 の 0.45 μ m PVDF フィルターとゆっくり注射器を使用して、少なくとも 30 分間混合物をかき混ぜます。
注: グローブ ボックス (または非常に低湿度条件下で) にこの手順が実行する必要があります TTIP は水分に非常に敏感なので。Ttip は透明ではない場合、ソリューションの中白い析出物が観察されるそれされます、望ましくない反応が既にソリューション内部発生したため。 - その他準備バイアル (V2)、追加 HNO3 (70%) の 18 μ L H2O エタノール 20 mL に 138 μ L マイクロ ピペットを使用して軽く、少なくとも 30 分間混合物をかき混ぜると。
注: この手順は、H2O が使用されるため、グローブ ボックスで実行できませんする必要があります。 - V1 ソリューションに V2 ソリューションを注ぐことによって 2 ソリューションをミックスし、透明 0.1 M TiO2の BL ソリューションを合成する 2 時間以上撹拌します。
メモ: 最終的な解決策は、透明でなければなりません。ソリューションが透明でない場合は、透明の液が得られるまで再します。正常に準備 TiO2の BL ソリューションは、< 50% の湿度条件で数日間安定しています。
2. 各種 SbCl3/TU モル比 SbCl3TU - ソリューションの合成
注: 合成は、湿気に SbCl3の非常に高い感受性のためグローブ ボックスで実行する必要があります。
- グローブ ボックス内 SbCl3ストック ソリューション [SbCl3 N, N- ジメチルホルムアミド (DMF) の 1 mL 中 1 モル] を準備します。たとえば、DMF の 32.2 mL 原液 30 mL に SbCl3の 6.486 g を追加します。
- SbCl3/TU. の目的のモル比と SbCl3TU - ソリューションを合成する TU の指定された量を含むバイアルに原液の適切な量を追加します。たとえば、2 つのバイアルはそれぞれ 0.1 g を含む、TU の SbCl3/TU 比 1/1.5 と 1/2.5 でのソリューションをそれぞれ合成する他に原液バイアルと 0.5637 mL 0.9394 mL を追加。
3. mp TiO2/TiO2- BL/FTO から成る基板の作製ガラス
- アセトン エタノールに続いて、10 分間で超音波風呂で 25 mm × 25 mm の FTO コーティング ガラス (FTO ガラス) を洗浄します。
注: 太陽光発電のデバイスを作製するには、使用済みパターンの FTO ガラス 5-10 mm × 25 mm の FTO 表面を完全にエッチングします。 - 即座にサンプルを圧縮空気を吹いて乾燥 FTO ガラス。
- 20 分間掃除機 UV/O3 FTO ガラスを扱います。
- 60 5,000 rpm で FTO ガラス コート エタノールをスピン s。
- ステップ 3.4 の同じ条件の下で準備された TiO2の BL ソリューションをすぐにスピン コート。
- 200 度で予熱したホット プレート上に置くことによって 2 分の FTO ガラスを乾燥します。
- 3.5、3.6 TiO2の BL の所望の厚さを取得する手順を繰り返します。
- TiO2ペースト (50 nm TiO2粒) とポリエステル マスク スクリーン印刷法を用いた TiO2の BL/FTO ガラス上 mp TiO2層に堆積します。
- 30 分 500 ° C で mp TiO2/TiO2- BL/FTO ガラスをアニールします。
- それらを室温に冷却した後透明な水溶液 40 mM TiCl4ソリューションの焼なまし材の基板を浸します。
注: 40 mM TiCl4ソリューションは透明でなければなりません。場合は、基板は、彼らが冷却される前に TiCl4溶液浸漬は、基板とソリューションの大きな温度差のため簡単に侵入できます。 - 60 ° C でオーブンに基板を転送し、1 時間を保存します。
- 数回ぬるま湯で基板を洗浄して即座にそれらの blowingcompressed 空気で乾燥させる.
注: 基板の割れを防ぐためには、暖かい水を使用 (約 60 ° C) と洗浄します。 - 30 分 500 ° C で再度基板をアニールします。
4. Sb2S3 mp TiO2/TiO2- BL/FTO の基板上の成膜ガラス
- 20 分間、表面をきれいにするクリーナー UV/O3基板を扱い、グローブ ボックスに転送します。
- スピンコーター SbCl3TU - ソリューションとそれらをスピンコート 60 s 前の 3,000 rpm で基板上に DMF 溶媒。
- 部分の熱分解と非晶質相の形成のための 150 の ° C のホット プレートにそれらを置くことによって 5 分間としてコーティングされた基板を加熱します。
- 300 ° C 相形成のため 10 分で予熱したホット プレート上にサンプルを配置します。
- 部屋の温度に試料を冷却した後、グローブ ボックスからそれらを削除します。
5. Sb2S3の作製-太陽電池の増感
- クロロ ベンゼン 1 mL に poly(3-hexylthiophene) (P3HT) の 15 mg を追加し、明確な赤みを帯びたソリューションが得られるまで優しくそれらを攪拌します。
- Sb2S3コート クロロ ベンゼンのスピン-60 の 3,000 rpm で基板を作製した s。
- 5.2 の手順で使用したのと同じ条件下で調製した P3HT 溶液で再びコートをすぐにスピンします。
- 蒸発器の真空チャンバー内に試料を転送します。
- 率が 1.0 の金預金 100 nm Å/秒。
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Representative Results
図 1は、mp TiO2/TiO2- BL/FTO ガラス基板上 Sb2S3成膜実験手順の概略を示します。図 1 dは、基本的なプロパティと記載法により作製した代表的な製品のスキームを示しています。輝安鉱 Sb2S3構造1,3,4の主要な x 線回折 (XRD) が似合いで、Sb2O3など、不純物のフェーズが表示されません。除いて基板フェーズ (T と F として表されます)。さらに、吸収は約 730 でエッジ nm、XRD パターンのはめ込み式に示すように、Sb2S3 (1.7 eV)1,の3,4 バンド ギャップ (Eg) と一致して ,9。これらの結果は、その品質 Sb2S3することができますここに記載した方法で作製したを確認します。
高性能 Sb2S3を作製する-太陽電池 > 5% 効率のこのメソッドを使用して、最終製品の品質に大きく影響する 3 つのキーの沈着手順は Sb2Sの中に考慮すべき3蒸着。この手順は、TiO2の BL 蒸着、mp TiO2堆積と SbCl3- TU 溶液堆積法です。Sb2S3堆積時太陽光発電 (PV) のパフォーマンスに影響を与える要因を示します。
TiO2の BL 蒸着 (重要なステップ 1) の手順で TiO2の厚さ - BL によって制御できますスピン TiO2の BL ソリューションでコーティングして基板の乾燥の 2 つの手順を繰り返しします。図 2 aは、断面の電界電子放出が異なる TiO2の BL 厚みをもつ素子の電子分光 (FESEM) イメージのスキャンを示しています。TiO2の BL 厚さ線形 46 から 260 に増加図 2 aと2 bに示すように、1 から繰り返し数 nm の 6 増加する時間します。太陽光発電デバイスのパフォーマンスの面で PCE、によって測定される最高 PCE 値が観察で BL 厚さ約 130 の海里 (3 回繰り返し)。
図 3aと3b基板の断面 FESEM 画像別 mp TiO2の厚さとその電流密度-電圧 (J V) カーブ mp TiO2の厚さの関数としてそれぞれ示しています。Mp TiO2の厚さは、ポリエステルのマスクの異なるメッシュ タイプを選択することによって制御されます。460 に 250 からマスクの増加のメッシュ カウント (1 インチ) あたりで mp TiO2の厚さ 1600 からに減る 830 nm、図 3 aに示すように。太陽光発電性能に残った 830-1200 nm (図 3 b) 効率が低下につながってさらに増厚の mp TiO2厚さ範囲でと同様。
SbCl3の効果を調査するために: TU モル比 3、3TU-前駆体ソリューションを調べた SbCl のモル比が異なると、試料の吸収特性の重要なステップに。図 4 aのように、吸収は著しく増加、TU 1:2. 0; に比と共にしかし、それは徐々 にさらに TU コンテンツ増加とともに低下。Egの変化を調べるためには、吸収スペクトルから派生した Tauc プロットは,10.結果は、同じEg 1.7 ev ですが異なる (αhν)2値を示します。SbCl3のモル比の周り最高のデバイスのパフォーマンスを求めた: TU = 1:2.03表 1に示します。
図 1: Sb2S3成膜基板上に堆積工程の概略図。(、)、(b)、(c) これらのパネルは 3 つのキーの実験手順を示しています。(d) このパネルに表示されます (Sb2S3mp TiO2 ) から成る結果サンプル/TiO2の BL/FTO ガラス。XRD パターンの標準的な輝安鉱 Sb2S3構造 (JCPDS 号 42-1393) は、赤の列としてプロットされます。この図は、チェらから変更されています。3.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: キーの TiO2の BL 厚さの影響ステップ 1.(、) このパネルに表示されます異なる TiO2の BL 厚みをもつ太陽光発電素子の断面 FESEM 画像。画像は、BL # 意味 TiO2-# により作製した BL の TiO2の繰り返し、その時の BL が付いて赤い四角形。(b) 繰り返し数の関数として TiO2の BL の厚さを示しています。(c) このパネルは、TiO2の BL の厚さの関数として PCE グラフを示しています。シンボルとパネルcの誤差範囲が平均値と標準偏差, 10 台のデバイスの PCE データから得られます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: キーで mp TiO2の厚さの影響ステップ 2.(、) このパネルに表示されます異なる mp TiO2厚さの基板の断面 FESEM 画像。(b) このパネルは mp TiO2の厚さの関数として J V カーブの変化を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: SbCl3のモル比の影響重要なステップ 3 で/TU 。これらのパネルは吸収、(b)、Tauc のグラフのプロット、および (c) 異なる SbCl3で作製したサンプルの写真を見る (、): TU モル比。Tauc プロットは、Sb2S3は直接Egと仮定すると、によって得られました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| SbCl3: TU 比 | JSC (mA cm-2) | VOC (mV) | FF (%) | PCE (%) | RSH/RS (Ω cm2) |
| 1:1.4 | 12.2 | 475.4 | 61.7 | 3.8 | 582.4/7.1 |
| 1:1.6 | 12 | 487.4 | 66.4 | 4.1 | 1135.4/6.5 |
| 1:1.8 | 12.7 | 493.4 | 66.5 | 4.4 | 1217.3/6.8 |
| 1:2.0 | 13.1 | 493.4 | 61.6 | 4.2 | 644.7/7.8 |
| 1:2.2 | 13 | 487.4 | 59.4 | 3.9 | 541.8/8.9 |
SbCl3のモル比の影響表 1: 太陽光発電の性能に関する/TU 。JSC、VOCと FF を示す、短絡電流、開回路電圧、fill factor のそれぞれ。テーブルは、チェらから再現されています3。
補足図 S1: mp TiO2のプレゼンスの効果。これらのパネルは、典型的な (、) のデバイスに mp TiO2の存在によってパフォーマンスと (b) の吸収特性を示します。サンプルは、図 2のために使用されるものと同じ条件下で作製しました。1 μ m 厚で mp TiO2は比較に使われました。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。
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Discussion
TiO2の BL は、広く太陽電池におけるホールブロッ キング層として使用します。図 2のように、大きな違いは TiO2の BL 厚さに応じてデバイスのパフォーマンスで観察された.したがって、批判的に FTO と正孔輸送材料11の間の直接の接触を防止するホールブロッ キング層として機能するため最高の全体的なデバイスの性能を取得するその厚さを最適化する必要があります。最適な厚さは異なります TiO2- BL ソリューション種、FTO の型、メソッド、光吸収およびデバイス アーキテクチャに留意。TiO2の BL 厚さに加えてそれは TiO2の12の欠陥制御の面で温度を含む焼鈍条件のスキャンする必要があります。
このプロトコルによって作成されたデバイス、mp TiO2は 2 つの理由のための高パフォーマンスを達成するために重要な役割を果たしています。まず、mp TiO2デバイスが一般的にある mp TiO2で示すように、Sb2S3 mp TiO2、上から得られる高い吸収特性に起因することがなくより JSC値が高い補足図 S1。第二に、Sb2S3を経由でこのプロトコルは平面サーフェス13小型薄膜よりもむしろ島形状に形成された簡単に作製。これは HTM と TiO2の間望ましくない直接接触につながる - 平面の太陽電池で BL。したがって、ここで紹介したデバイスに mp TiO2を使用して mp TiO2の最適厚さを見つける高パフォーマンスを達成するために不可欠です。Mp TiO2により作製した太陽電池用 mp TiO2の厚さは高性能の太陽電池を取得するための重要な要因として考えられているし、mp TiO2の表面に堆積される材料の種類によって異なります。たとえば、mp TiO2 5 30 μ m と < 200 nm の厚さでは通常色素増感14とハイブリッド ペロブスカイト型太陽電池15,16,17、それぞれ適用されます達成するために良いデバイスのパフォーマンス。現在の Sb2S3-太陽電池、mp TiO2約 1 μ m の厚さはベストのパフォーマンスの3に適して最適の厚さが異なる場合があります、mp TiO2は必要ありません2方法によって異なります。
理想的な SbCl3の決定: TU モル比は、図 4に示すように、JSCに密接に関連している光増感剤の吸収特性に強く影響を与えるため非常に重要です。さらに、最適化された比高純度 Sb2S3なしで不純物や残留物を形成援助できます。TU のより高い比率で作製したサンプルは、硫黄はデバイス3電荷の流れを妨げ、表面に形成されます。したがって、改良されたデバイスを得るためには、モル比を最適化する必要があります。
本研究で我々 は 3 重要な Sb2S3の成膜と Sb2S3の PV デバイス性能に及ぼす過程で実験的要素を示している-増感太陽電池。ここで提示されたプロトコルは、Sb2Se35Sb2(S/Se)37、および CuSbS2の8に基づく他増感型の太陽光発電システムに適用できます。我々 は強くこのメソッドが太陽光発電システムの新規材料へのアクセスのガイダンスを提供することと考えています。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、大邱慶北科学研究所と技術 (DGIST) R & D プログラム科学省の ICT、韓国によって支えられた (助成金 18-エ-01 号、18-01-強-04)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ethyl alcohol, Pure, >99.5% | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| Titanium(IV) isopropoxide 97% | Aldrich | 205273 | |
| Nitic acid, ACS reagent, 70% | Sigma-Aldrich | 438073 | |
| Antimony(III) chloride | Sigma-Aldrich | 311375 | |
| Thiourea | Sigma-Aldrich | T7875 | |
| N,N-Dimethylformamide, anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 227056 | |
| TiO2 paste with 50 nm particles | ShareChem | SC-HT040 | |
| Poly(3-hexylthiophene) | 1-Material | PH0148 | |
| Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 284513 | |
| FTO/glass (8 Ohmos/sq) | Pilkington | ||
| Spin coater | DONG AH TRADE CORP | ACE-200 | |
| Hot plate | AS ONE Corporation | HHP-411 | |
| Glove box | KIYON | KK-021AS | |
| UV OZONE Cleaner | AHTECH LTS | AC-6 | |
| Furnace | WiseTherm | FP-14 | |
| UV/Vis Absorption spectroscopy | PerkinElmer | Lambda 750 | |
| Multifunctional evaporator with glove box | DAEDONG HIGH TECHNOLOGIES | DDHT-SDP007 |
References
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