全面解决方案处理的无机纳米晶体光伏器件的制造

摘要

这个协议描述无机纳米晶体层的合成和溶液沉积由层产生对非导电性表面上的薄膜电子器件。溶剂稳定的油墨能够产生在玻璃基板上通过旋涂和喷涂以下后沉积配体交换和烧结完成的光伏器件。

摘要

我们证明用于从旋制备完全溶液处理无机太阳能电池的方法和喷雾纳米油墨的涂层沉积。对于光活性吸收层，胶体CdTe和CdSe纳米晶（3-5纳米）使用的惰性热喷射技术合成和沉淀清洗以除去过量的起始试剂。同样，金的纳米晶体（3-5纳米）的环境条件下合成并溶解在有机溶剂中。另外，对于透明导电氧化铟锡（ITO）膜前体溶液是从与反应性氧化剂成对铟和锡的盐的溶液制备。层 - 层，这些解决方案被沉积到下面的退火（200-400℃），以建立所述纳米晶体的太阳能电池（玻璃/ ITO /的CdSe / CdTe的/金）的玻璃基板。预退火配体交换所需的硒化镉和碲化镉纳米晶体薄膜的地方在NH ₄氯浸:甲醇代替长链本土联赛NDS小无机氯^-阴离子。 _{氯化铵 （多个）}被发现充当烧结反应（作为无毒替代常规的CdCl _2（S）处理）的催化剂加热时导致晶粒生长（136±39纳米）。所制备的膜的厚度和粗糙度的特征在于用SEM和光学轮廓。 FTIR用于确定在烧结之前配体交换的程度，和XRD用来验证每种材料的结晶度和相。紫外/可见光谱显示高可见光透过ITO层和热退火后红移的镉硫族化合物纳米晶体的吸收传输。完成器件的电流 - 电压曲线之下模拟一个太阳照度测定。在沉积技术和配位体交换过程中所用的试剂的微小差异已显示出对器件性能产生深远的影响。在这里，我们研究CHEMI的影响卡尔（烧结和配体交换剂）和光生伏打器件的性能物理处理（溶液浓度，喷雾压力，退火时间和退火温度）。

引言

由于其独特的新兴性质，无机纳米晶体的油墨已经在广泛的电子设备，包括光电^，1找到的应用程序^{- 6}发光二极管^，7，8电容器⁹和晶体管¹⁰这是由于出色的电子的组合和无机材料和纳米级的溶液相容的光学性质。散装无机材料通常不溶于，因此仅限于高温，低气压真空沉积。然而，在用有机配位体壳的纳米制备时，这些材料可分散在有机溶剂中，并从溶液中沉积（滴，浸涂，旋，喷雾涂层）。这种自由与电子设备外套大和不规则表面减少了这些技术的成本，同时也不断扩大可能的特殊应用^{。6,11 12}

镉（II），碲化（碲化镉），镉（II）的硒化物（硒化镉），镉（II）的硫化物（CDS）和氧化锌的溶液处理（ZnO）的无机半导体的有源层，导致到达效率（ƞ）光伏器件为金属碲化镉肖特基结的CdTe /铝（ƞ= ^{5.15％）13，14}和异质结的CdS / CdTe的（ƞ= ^{5.73％），15}的CdSe / CdTe的（ƞ= ^{3.02％），16，17....}

方案

注意:使用前请咨询各相关材料安全数据表（MSDS）。许多前体的解决方案和产品都是有害或致癌。应特别注意针对由于出现的相比，他们的同行批量独特的安全担忧的纳米材料。适当的防护设备应在此过程中可以穿在任何时候（护目镜，面罩，手套，实验室外套，长裤和封闭趾鞋）。

1.前体纳米晶油墨的合成

1. 的CdSe和CdTe油墨^18，25
   1. 在惰性气氛手套箱中，为碲化镉（或0.1527克（0.0019摩尔）硒（Se）为硒化镉）粉末4.39克（0.012摩尔）三辛基膦（TOP）到5结合0.24克（0.0019摩尔）碲（Te）圆底烧瓶（RBF）。
   2. 密封此瓶用橡胶隔膜和从手套箱取出用于在加热的（60℃）声处理（40千赫）水浴，直到所有的固体Te或Se的溶解（约20分钟）。拨款50毫升1-十八（1-ODE）的。
   3. 单独地，在一个清洁干燥的3颈250毫升RBF有磁力搅拌棒的，结合0.48克（0.0037摩尔）镉（II）氧化物（CDO）粉末4.29克（0.015摩尔）油酸（OA）和76毫升的1-十八碳烯。检查是否使用前缺陷玻璃器皿，并组装所有玻璃 - 玻璃接头高温真空润滑脂。
   4. 通过在Schlenk线玻璃器皿离开RBF自由的至少一个颈部注入TOP-硫族化物的前体连接于低流量向烧瓶真空泵和惰性气体（氩，Ar或氮气N _2....

结果

小角度X射线衍射图案被用来验证退火纳米晶体膜（ 图1A）的结晶度和相位。如果微晶尺寸低于100纳米，其晶体直径可以用Scherrer公式来估算（式1）中，用扫描电子显微镜（SEM）证实，

其中，d是平均微晶直径，K是该材料的无量纲形状因子，β是在布拉格角θ的X射线衍射（XRD）峰的半峰全宽。

扫描电子显微镜（SEM）被用来监测晶粒生长的在退火膜（ 图2B，C和图3C-F）的范围内。在_氯化铵的存在下沉积的CdTe或硒化镉和加热的单层后，晶粒尺寸可通过调节温度和硬脑膜被优化加热的灰以及油墨浓度，喷雾压力/时间或旋转速度。典型地，较大的晶粒表明具有较高的短路电流的装置^。12对于信息图像，该装置的玻璃一侧可以用金刚石划线进行评分和裂化，以产生一个直边并且安装在SEM垂直（ <.......

讨论

总之，这个协议提供了涉及构建处理的电子装置从一个喷雾或旋涂沉积的溶液的关键步骤的准则。在这里，我们突出显示溶液加工的透明导电氧化铟锡（ITO）薄膜上的非导电性的玻璃基板的新方法。一个浅显蚀刻过程之后，各个电极可以前喷雾沉积光活性层而形成。使用层 - 层技术，硒化镉和碲化镉纳米晶体可以从喷枪在环境条件下被沉积在空气中。配体交换和热处理后，最后的非透明导电性金属电极可以是喷涂到设备，并加热以除去天然的有机配体。该层也可以通过在沉积过程中使用的掩蔽图案构图。完全得到的溶液进行处理，所有的无机设备可以被表征和测试。

应特别注意DIRECTEd可使用新鲜试剂作为过时的材料可导致不纯或不需要的产品。此外，该顶部和底部电极的导电性应装置制备过程中进行测试。 ITO膜应具有每平方至少为500欧姆和顶部金属膜应该是每平方至少为20欧姆的表面电阻。如果薄层电阻较高，应用此电极的多个层。如果设备是因为每个设备需要相互连接的电子被串联或并联连接，这变得特别重要。层的厚度和粗糙度应通过监测改变空气压力和墨浓度的影响来仔细控制。这些影片的轮廓扫描可以提供关于喷雾或旋涂参数的宝贵意见。通常，薄的粗膜（> .......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
油酸、90%	Sigma Aldrich	364525
1-十八烯、90%	Sigma Aldrich	O806	工业级
三辛基膦 （TOP）、90%	Sigma Aldrich	117854	空气敏感
三甲基硅烷、99.9%	Sigma Aldrich	92360	空气和水敏感
硒、99.5+%	Sigma Aldrich	209651
NH4Cl， 99%	Sigma Aldrich	9718
CdCl2， 99.9%	Sigma Aldrich	202908	剧毒
CdO， 99.99%	Strem	202894	剧毒
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	碱
NH4NO3， 99%	Sigma Aldrich	A9642
HAuCl4.3H2O，99.9%	Sigma Aldrich	520918
四辛基溴化铵 （TMA-Br）Sigma	Aldrich	294136
甲苯，99.8%	Sigma Aldrich	244511
己硫醇，95%	Sigma Aldrich	234192
NaBH4， 96%	Sigma Aldrich	71320
己烷， 98.5%	Sigma Aldrich	650544
乙醇， 99.5%	Sigma Aldrich	459844
甲醇， 无水， 99.8%	Sigma Aldrich	322415
1-丙醇， 99.5%	Sigma Aldrich	402893
2-丙醇， 99.5%	Sigma Aldrich	278475
吡啶，> 99%	Sigma Aldrich	360570	蒸馏提纯
庚烷	Sigma Aldrich	246654
氯仿 > 99%	Sigma Aldrich	372978
丙酮	Sigma Aldrich	34850
玻璃显微镜载玻片	Fisher	12-544-4	切割带玻璃切割机
重力进料喷枪	Paasche	VSR90#1
注射器针头	Fisher	CAD4075
太阳模拟器测试站	Newport	PVIV-1A
软件	Oriel	PVIV 2.0
圆底烧瓶	Sigma Aldrich	Z723134
圆底烧瓶	Sigma Aldrich
聚四氟乙烯 （PTFE） 针式过滤器	Sigma Aldrich	Z259926
聚酰胺胶带	Kapton	KPT-1/8
玻璃纸胶带	Scotch	810 胶带
聚丙烯 离心管	Sigma Aldrich	CLS430290
银环氧树脂	MG Chemicals	8331-14G