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Wichtige Faktoren, die die Leistung von Sb-2S-3-sensibilisiert Solarzellen während einer Sb2S3 Abscheidung über SbCl3-Thioharnstoff komplexe Lösung-Verarbeitung

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DOI:

10.3791/58062

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16. Juli 2018

 ,  ,  , 
1Convergence Research Center for Solar Energy, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), 2Perovtronics Research Center, School of Energy and Chemical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Diese Arbeit liefert ein detaillierte experimentelle Verfahren für die Abscheidung von Sb-2S-3 auf einem mesoporösen TiO2 -Layer mit einem SbCl3-Thioharnstoff komplexe Lösung für Anwendungen in der Sb-2S-3-Solarzellen sensibilisiert. Dieser Artikel bestimmt auch wichtige Faktoren, welche die Abscheidung.

Zusammenfassung

SB2S3 gilt als einer der aufstrebenden leichte Absorber, die nächste Generation Solarzellen aufgrund seiner einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften angewendet werden können. Vor kurzem, wir belegen sein Potenzial als nächste Generation Solarzellen erreichen einen hohen Photovoltaik Wirkungsgrad von > 6 % im Sb-2S-3-Solarzellen mit einem einfachen Thioharnstoff (TU) sensibilisiert-komplexe Lösungsmethode basiert. Hier beschreiben wir die wichtigen experimentellen Verfahren für die Abscheidung von Sb-2S-3 auf einem mesoporösen TiO2 (mp-TiO2) Layer mit einer SbCl3- TU komplexe Lösung bei der Herstellung von Solarzellen. Erstens die SbCl3- TU-Lösung wird durch Auflösen von SbCl3 und TU in N, N- Dimethylformamid bei unterschiedlichen molaren Verhältnissen von SbCl3synthetisiert: TU Die Lösung lagert sich dann als vorbereitet Substrate bestehend aus mp-TiO2/TiO2-Schicht/F-dotierte SnO2 Glas durch Spin-Coating zu blockieren. Zu guter Letzt zu kristallinen Sb-2S-3, die Proben sind geglüht in eine N-2-gefüllten Glove-Box bei 300 ° C. Die Auswirkungen der experimentellen Parameter auf die Photovoltaik Geräteleistung werden ebenfalls behandelt.

Einleitung

Antimon-basierte chalkogeniden (Sb-Chs), einschließlich Sb-2S-3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3und CuSbS2, gelten als neue Materialien, die in der nächsten Generation Solarzellen1 verwendet werden kann ,2,3,4,5,6,7,8. Photovoltaik-Geräte basierend auf Sb-Chs-Licht-Absorber haben jedoch noch nicht die 10 % Wirkungsgrad (PCE) machbar Kommerzialisierung nachweisen erreicht.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden verschiedene Methoden und Techniken, wie ein Thioacetamide-induzierten Oberflächenbehandlung1, eine Raumtemperatur Ablagerung Methode4, ein atomic Layer Deposition Technik2, und die Verwendung von angewendet Kolloid Dot Quantum Dots6. Unter diese verschiedenen Methoden ausgestellt die Lösung-Verarbeitung anhand einer chemischen Bad Zersetzung der höchsten Leistung1. Eine präzise Steuerung der chemischen Reaktion und der Nachbehandlung sind jedoch die beste Leistung1,3zu erreichen erforderlich.

Vor kurzem, entwickelten wir eine einfache Lösung-Verarbeitung für Hochleistungs-Sb2S3-Solarzellen mit einem SbCl3sensibilisiert-Thioharnstoff (TU) komplexe Lösung3. Mit dieser Methode konnten wir eine Qualität Sb2S3 mit einem kontrollierten Sb/S-Verhältnis herzustellen, die auf eine Solarzelle, eine vergleichbares Geräteleistung von 6,4 % angewendet wurde PCE. Wir waren auch in der Lage, effektiv die Verarbeitungszeit zu reduzieren, da die Sb-2S-3 wurde durch einen einstufigen Ablagerung hergestellt.

In dieser Arbeit beschreiben wir die detaillierte experimentelle Vorgehensweise für ein Sb-2S-3 -Ablagerung auf dem Substrat bestehend aus mesoporösen TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 blockiert Schicht (TiO2- BL) / F-dotierte SnO2 () FTO) Glas zur Herstellung von Sb-2S-3-Solarzellen über SbCl3- TU komplexe Lösung-Verarbeitung3sensibilisiert. Darüber hinaus wurden drei Schlüsselfaktoren, die die Photovoltaik-Leistung im Zuge einer Sb2S3 Abscheidung identifiziert und diskutiert. Das Konzept der Methode kann leicht auf andere sensibilisierend-Typ Solarzellen basierend auf Metallsulfide angewendet werden.

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Protokoll

1. Synthese von TiO2BL - Lösung

  1. Bereiten Sie 2 transparente Fläschchen mit 50 mL Volumen.
  2. 1 Durchstechflasche (V1) 20 mL Ethanol hinzu und versiegeln Sie V1 zu.
  3. Übertragen Sie V1 auf ein N-2-Glove-Box mit einer Feuchtigkeit-gesteuerte System H2O Niveau von < 1 ppm gefüllt.
  4. Hinzufügen von 1,225 mL von Titan (IV) Isopropoxide (TTIP) v1 mit einer Spritze mit einem 0,45 µm PVDF Filter und vorsichtig rühren Sie die Mischung für mindestens 30 Minuten.
    Hinweis: Dieser Schritt muss ausgeführt werden, in einem Handschuhfach (oder unter sehr niedrigen Luftfeuchtigkeit) Da TTIP sehr empfindlich auf Feuchtigkeit reagiert. Wenn die TTIP Lösung nicht transparente oder weiße Ausscheidungen sind im Inneren die Lösung beobachtet, sollte es nicht verwendet werden da eine unerwünschte Reaktion innerhalb der Lösung bereits stattgefunden hat.
  5. In der anderen vorbereiteten Durchstechflasche (V2), fügen Sie 18 μl Druckaufschluss3 (70 %) und 138 μL von H2O, 20 mL Ethanol mit einer Mikropipette und vorsichtig rühren Sie die Mischung für mindestens 30 Minuten.
    Hinweis: Dieser Schritt muss nicht in einem Handschuhfach ausgeführt werden, da H2O verwendet wird.
  6. Die 2 Lösungen durch Gießen die V2-Lösung in die V1-Lösung verrühren Sie und für mehr als 2 h, transparente 0,1 M TiO2- BL Lösung zu synthetisieren.
    Hinweis: Die endgültige Lösung muss transparent sein. Wenn die Lösung nicht transparent ist, Analyse es bis eine transparente Lösung erreicht ist. Erfolgreich vorbereitete TiO2BL - Lösungen sind über mehrere Tage bei Feuchtebedingungen < 50 % stabil.

(2) Synthese der SbCl3- TU Lösungen mit verschiedenen SbCl3/TU molaren Verhältnissen

Hinweis: Die Synthese muss wegen der sehr hohen Empfindlichkeit von SbCl3 gegen Feuchtigkeit im Handschuhfach durchgeführt werden.

  1. Bereiten Sie die SbCl3 -Stammlösung [1 Mmol SbCl3 in 1 mL N, N- Dimethylformamid (DMF)] in das Handschuhfach. Fügen Sie 6,486 g von SbCl3 z. B. 30 mL DMF für eine 32,2 mL Stammlösung hinzu.
  2. Fügen Sie eine angemessene Menge an Vorratslösung zu einem Fläschchen mit einer bestimmten Menge an TU die SbCl3- TU-Lösung mit der gewünschten Molverhältnis von SbCl3/TU. synthetisieren Nehmen wir beispielsweise an die 2 Fläschchen enthalten 0,1 g 0,9394 mL der Stammlösung zu einem Fläschchen und 0,5637 mL hinzufügen der TU, die andere Lösungen mit SbCl3/TU Verhältnissen von 1/1.5 und 1/2.5, bzw. zu synthetisieren.

3. Vorbereitung des Untergrunds bestehend aus mp-TiO2/TiO2- BL/FTO Glas

  1. Gewaschen Sie die FTO-beschichtete Glas (FTO) 25 mm x 25 mm in ein Ultraschallbad mit Aceton für 10 min, gefolgt von Ethanol werden.
    Hinweis: Um die Photovoltaik Gerät herzustellen, verwenden Sie FTO Pre Ornamentglas, wo ist die 5-10 mm x 25 mm FTO Oberfläche komplett gebeizt.
  2. Trocknen Sie sofort das FTO-Glas durch Einblasen von Druckluft über die Probe.
  3. Das FTO-Glas mit einem UV/O3 Reiniger 20 min beschallen.
  4. Spin-Mantel Ethanol auf die FTO Glas bei 5.000 u/min für 60 s.
  5. Sofort Drehen Sie Mantel wieder mit der vorbereiteten TiO2- BL-Lösung unter den gleichen Bedingungen der Schritt 3.4.
  6. Trocknen der FTO-Glas für 2 min, indem es auf einer vorgeheizten Heizplatte bei 200 ° C.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 3.5 und 3.6, die gewünschte TiO2- BL Dicke zu erhalten.
  8. Zahlen Sie die mp-TiO-2 -Schicht auf dem TiO2- BL/FTO Glas TiO2 Paste (50 nm TiO2 Partikel) und eine aus Polyester Maske des Siebdruckverfahrens mit ein.
  9. Glühen Sie das mp-TiO2/TiO2- BL/FTO Glas bei 500 ° C für 30 min.
  10. Tauchen Sie die geglühten Substrate in einer transparenten wässrigen 40 mM TiCl4 -Lösung nach dem sie auf Raumtemperatur abkühlen.
    Hinweis: Die 40 mM TiCl4 Lösung muss transparent sein. Wenn die Substrate in der TiCl4 Lösung getaucht werden, bevor sie abgekühlt sind, können sie wegen der großen Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und die Lösung leicht brechen.
  11. Übertragen Sie der Substrate zu einem Ofen bei 60 ° C und für 1 h aufbewahren.
  12. Spülen Sie die Substrate mehrmals mit warmem Wasser und trocknen Sie sie sofort durch Blowingcompressed Luft auf sie.
    Hinweis: Um keine Rissbildung der Substrate zu verhindern, verwenden Sie warmes Wasser (ca. 60 ° C) beim spülen.
  13. Glühen Sie die Substrate wieder bei 500 ° C für 30 min.

(4) Ablagerung von Sb-2S-3 auf dem Substrat des mp-TiO2/TiO2- BL/FTO Glas

  1. Behandeln Sie die Substrate mit einem UV/O3 Reiniger für 20 min, um die Oberfläche zu reinigen, und übertragen Sie sie auf das Handschuhfach.
  2. Spin-Mantel DMF Lösungsmittel auf den Substraten bei 3.000 u/min für 60 s vor dem Beschichten sie mit SbCl3- TU Lösung zu spinnen.
  3. Erhitzen Sie die als beschichtete Substrate für 5 min, indem sie auf eine heiße Platte bei 150 ° C für eine partielle thermische Zersetzung und die Bildung der amorphen Phase.
  4. Legen Sie die Proben auf einer vorgeheizten Herdplatte bei 300 ° C für 10 min für die kristalline Phase Bildung.
  5. Nach dem die Proben auf Raumtemperatur abkühlen, entfernen Sie sie aus dem Handschuhfach.

5. Herstellung von Sb-2S-3-Solarzellen sensibilisiert

  1. 1 mL der Chlorobenzene 15 mg poly(3-hexylthiophene) (P3HT) hinzu und rühren Sie sie sanft, bis eine klare rötliche Lösung erreicht ist.
  2. Mantel Chlorobenzene auf der Sb-2S-3Spin-Substrat abgeschieden, bei 3.000 u/min für 60 s.
  3. Sofort Drehen Sie Mantel wieder mit der vorbereiteten P3HT-Lösung unter den gleichen Bedingungen wie im Schritt 5.2 verwendet.
  4. Übertragen Sie die Proben in einer Vakuumkammer des Verdampfers.
  5. Kaution 100 nm gold mit einer Rate von 1,0 Å / s.

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Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung für die Sb-2S-3 -Abscheidung auf dem Substrat des mp-TiO2/TiO2- BL/FTO Glas. Abbildung 1 d zeigt die grundlegenden Eigenschaften und Aufbau des ein typisches Produkt von der hier beschriebenen Methode hergestellt. Die wichtigsten Röntgendiffraktometrie (XRD) Muster ist gut aufeinander abgestimmt, damit ein Stibnite Sb...

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Diskussion

TiO2- BL ist weithin als ein Loch blockiert Schicht in Solarzellen verwendet. Wie in Abbildung 2gezeigt, war ein großer Unterschied in der Geräteleistung abhängig von TiO2- BL Dicke beobachtet. Daher sollte ihre Dicke optimiert werden um eine optimale Leistung der gesamtvorrichtung zu erhalten weil es kritisch wirkt als Loch blockierende Schicht keinen direkten Kontakt zwischen FTO und Loch-der Transport von Materialien11zu verhindern. Es sei dar...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt von der Daegu Gyeongbuk Institute of Science und Technology (DGIST) R & D-Programmen des Ministeriums für Wissenschaft und IKT, Republik Korea (Grants Nr. 18-ET-01 und 18-01-HRSS-04).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ethylalkohol, rein, >99,5 %Sigma-Aldrich459836
Titan(IV)-isopropoxid 97 %Aldrich205273
Nitinsäure, ACS-Reagenz, 70 %Sigma-Aldrich438073
Antimon(III)-chloridSigma-Aldrich311375
ThioharnstoffSigma-AldrichT7875
N, N-Dimethylformamid, wasserfrei, 99,8 %Sigma-Aldrich227056
TiO2-Paste mit 50 nmPartikeln ShareChemSC-HT040
Poly(3-hexylthiophen)1-MaterialPH0148
ChlorbenzolSigma-Aldrich284513
FTO/Glas (8 Ohmos/sq)Pilkington
Spin CoaterDONG AH TRADE CORPACE-200
HeizplatteAS ONE CorporationHHP-411
HandschuhfachKIYONKK-021AS
UV OZON ReinigerAHTECH LTSAC-6
OfenWiseThermFP-14
UV/Vis AbsorptionsspektroskopiePerkinElmerLambda 750
Multifunktionaler Verdampfer mit HandschuhfachDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Referenzen

  1. Choi, Y. C., Lee, D. U., Noh, J. H., Kim, E. K., Seok, S. I. Highly Improved Sb2S3 Sensitized-Inorganic-Organic Heterojunction Solar Cells and Quantification of Traps by Deep-Level Transient Spectroscopy. Advanced Functional Materials. 24 (23), 3587-3592 (2014).
  2. Kim, D. -H., et al. Highly reproducible planar Sb2S3-sensitized solar cells based on atomic layer deposition. Nanoscale. 6 (23), 14549-14554 (2014).
  3. Choi, Y. C., Seok, S. I. Efficient Sb2S3-Sensitized Solar Cells Via Single-Step Deposition of Sb2S3 Using S/Sb-Ratio-Controlled SbCl3-Thiourea Complex Solution. Advanced Functional Materials. 25 (19), 2892-2898 (2015).
  4. Godel, K. C., et al. Efficient room temperature aqueous Sb2S3 synthesis for inorganic-organic sensitized solar cells with 5.1% efficiencies. Chemical Communications. 51 (41), 8640-8643 (2015).
  5. Choi, Y. C., et al. Sb2Se3-Sensitized Inorganic-Organic Heterojunction Solar Cells Fabricated Using a Single-Source Precursor. Angewandte Chemie International Edition. 53 (5), 1329-1333 (2014).
  6. Chen, C., et al. 6.5% Certified Efficiency Sb2Se3 Solar Cells Using PbS Colloidal Quantum Dot Film as Hole-Transporting Layer. ACS Energy Letters. 2 (9), 2125-2132 (2017).
  7. Choi, Y. C., et al. Efficient Inorganic-Organic Heterojunction Solar Cells Employing Sb2(Sx/Se1-x)3 Graded-Composition Sensitizers. Advanced Energy Materials. 4 (7), 1301680(2014).
  8. Choi, Y. C., Yeom, E. J., Ahn, T. K., Seok, S. I. CuSbS2-Sensitized Inorganic-Organic Heterojunction Solar Cells Fabricated Using a Metal-Thiourea Complex Solution. Angewandte Chemie International Edition. 54 (13), 4005-4009 (2015).
  9. Versavel, M. Y., Haber, J. A. Structural and optical properties of amorphous and crystalline antimony sulfide thin-films. Thin Solid Films. 515 (18), 7171-7176 (2007).
  10. Yang, B., et al. Hydrazine solution processed Sb2S3, Sb2Se3 and Sb2(S1-xSex)3 film: molecular precursor identification, film fabrication and band gap tuning. Scientific Reports. 5, 10978(2015).
  11. Peng, B., et al. Systematic investigation of the role of compact TiO2 layer in solid state dye-sensitized TiO2 solar cells. Coordination Chemistry Reviews. 248 (13-14), 1479-1489 (2004).
  12. Chen, C., et al. Accelerated Optimization of TiO2/Sb2Se3 Thin Film Solar Cells by High-Throughput Combinatorial Approach. Advanced Energy Materials. 7 (20), 1700866(2017).
  13. Sung, S. -J., et al. Systematic control of nanostructured interfaces of planar Sb2S3 solar cells by simple spin-coating process and its effect on photovoltaic properties. Journals of Industrial and Engineering Chemistry. 56, 196-202 (2017).
  14. Gong, J., Liang, J., Sumathy, K. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renewable & Sustainable Energery Reviews. 16 (8), 5848-5860 (2012).
  15. Jeon, N. J., et al. Solvent engineering for high-performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells. Nature Materials. 13 (9), 897-903 (2014).
  16. Choi, Y. C., Lee, S. W., Jo, H. J., Kim, D. -H., Sung, S. -J. Controlled growth of organic-inorganic hybrid CH3NH3PbI3 perovskite thin films from phase-controlled crystalline powders. RSC Advances. 6 (106), 104359-104365 (2016).
  17. Choi, Y. C., Lee, S. W., Kim, D. -H. Antisolvent-assisted powder engineering for controlled growth of hybrid CH3NH3PbI3 perovskite thin films. APL Materials. 5 (2), 026101(2017).

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