Summary
이 프로토콜은 비전 도성 표면 상에 박막 전자 장치를 생성하는 층으로 무기 나노 결정 층의 합성 용액 증착을 설명한다. 용매 안정화 잉크는 증착 후 리간드 교환 및 소결 다음 스핀 및 스프레이 코팅을 통해 유리 기판에 대한 전체 PV 소자를 제조 할 수있다.
Abstract
우리는 스핀에서 완전 용액 처리의 무기 태양 전지의 제조 방법을 설명하고 나노 잉크의 코팅 증착을 스프레이. 광활성 흡수층, CdTe 및 콜로이드의 CdSe 나노 결정 (3-5 ㎚) 불활성 핫 주입 기술을 사용하여 합성 및 과도한 출발 시약을 제거하기 위해 세정 침전. 마찬가지로, 금 나노 입자 (3-5 나노 미터)를 주위 조건 하에서 합성 유기 용매에 용해시킨다. 또한, 투명 전도성 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름을위한 전구체 용액은 반응성 산화제와 결합 인듐 주석 염 용액으로부터 제조된다. 층별, 이러한 솔루션은 나노 결정 태양 전지 (유리 / ITO / 한 CdSe / CdTe / Au로)를 구축하는 소둔 (200 내지 400 ℃로) 다음의 유리 기판 상에 증착된다. 사전 어닐링 리간드 교환은 영화 NH 4 CL에 침지 한 CdSe와 CdTe 나노 결정이 필요합니다 : 긴 사슬 네이티브 리그를 대체 할 메탄올음이온 - 작은 무기 (CL)와 NDS. NH 4 (CL)는 난방시에 입자 성장 (136 ± 39 ㎚)로 이어지는 (종래을 CDCl3이 발 치료 무독성 대안으로) 소결 반응을위한 촉매로서 작용하는 것으로 확인되었다. 제조 된 필름의 두께와 거칠기는 SEM 및 광학 프로필 로메 특성화된다. FTIR 소결 전에 배위자 교환의 정도를 결정하는데 이용되며, 각각의 XRD는 물질의 결정 및 위상을 확인하기 위해 사용된다. ITO 층 및 열처리 후 카드뮴 칼 코게 나이드 나노 결정의 흡광도의 적색 편이를 통해 자외선 / 마주 스펙트럼을 보여 높은 가시 광선 투과율. 완성 된 소자의 전류 - 전압 곡선을 시뮬레이션 한 태양 조명 하에서 측정된다. 증착 기술 및 리간드 교환시 사용되는 시약의 작은 차이는 기기 특성에 지대한 영향을 미칠 것으로 나타났다. 여기서는 CHEMI의 효과를 검토CAL (소결 및 리간드 교환 제) 및 광 소자 성능에 물리적 처리 (용액 농도, 분사 압, 어닐링 시간과 어닐링 온도).
Introduction
그들의 고유 한 새로운 속성, 무기 나노 잉크는 태양 전지 1을 포함한 전자 장치의 넓은 범위의 애플리케이션을 발견 -. (6) 발광 다이오드, 7, 8 커패시터 (9) 및 트랜지스터들 (10)이 우수한 전자의 결합에 기인하고 무기 재료 및 나노 그들의 솔루션 호환성의 광학 특성. 대량의 무기 재료는 일반적으로 용해하지 않으며, 따라서 높은 온도, 낮은 압력의 진공 증착에 한정된다. 유기 리간드 쉘 나노에 준비 할 때 그러나, 이러한 물질은 유기 용매에 분산 용액으로부터 증착 될 수있다 (드롭, 위해 DIP, 스핀, 분무 코팅). 또한 가능한 틈새 응용 프로그램을 확대하면서 전자 장치와 코트 크고 불규칙한 표면이 자유는 이러한 기술의 비용을 줄일 수 있습니다. 6, 11 P> (12)
카드뮴 (II) 텔루 라이드 (CdTe), 카드뮴 (II) 셀렌 (CdSe로), 카드뮴 (II), 황화 (CDS) 및 산화 아연 용액 처리 (ZnO)을 무기 반도체 활성층은 효율 (ƞ)에 도달하는 태양 광 장치에 주도 금속 CdTe 쇼트 키 접합 CdTe / 알 (ƞ = 5.15 %) (13), (14)와 이종 접합 CdS와 / CdTe (ƞ = 5.73 %), 15의 CdSe / CdTe (ƞ = 3.02 %), 16, 17의 ZnO / CdTe (ƞ는 = 7.1 %, 12 %). (18), 벌크 CdTe 장치의 진공 증착에 대비 19은 이러한 나노 필름은 기본 필름을 효율적으로 전자 수송층을 금지 장쇄 유기 리간드 절연막 제거 리간드 교환 다음 증착을 거쳐야한다. 또한, CD - (S, Se를, 테)를 소결하는 적합한 염 촉매의 존재하에 가열시에 발생한다. 최근에는 f를했다메탄올 용액 :. 운드, 그 비 독성 암모늄 (NH 4 CL)는 NH 4 CL에 증착 된 나노 결정의 필름을 침지함으로써 일반적으로 사용되는 카드뮴 (II) 클로라이드의 대체로 이러한 목적 (을 CDCl3 2) (20)를 사용할 수있다 리간드 교환 반응은 열 활성화 NH 4 CL 소결 촉매에의 노출과 동시에 발생한다. 이러한 필름은 제조 광 액티브 층의 원하는 두께를 구축 층별로 가열한다. 21
투명 도전 막에서의 최근 발전 (금속 나노 와이어, 그래 핀, 탄소 나노 튜브, 연소 처리 된 인듐 주석 산화물) 및 도전성 금속 나노 잉크는 임의의 비도 전성 표면에 내장 된가요 성 또는 곡선 전자의 제조 주도하고있다. (22) (23)이 프레젠테이션 우리는 활성층 (CdTe 및 CdSe로 나노 결정들)을 포함하여 각 전구체 잉크 용액의 제조를 입증 상기 따라 투여기서 산화 전극 (즉, 인듐 도핑 된 주석 산화물, ITO) 및 용액 공정에서 완전히 완료된 무기 태양 전지를 구성하는 후면 금속 접촉. 24 실시 대여, 우리는 비도 전성의 분무 공정 및 장치 층 패턴 구조를 강조 유리. 이 상세한 비디오 프로토콜 설계 및 구축 솔루션 처리 태양 전지하는 연구자를 지원하기위한 것입니다; 그러나, 여기에서 설명 된 것과 동일한 기술은 광범위한 전자 장치에 적용 가능하다.
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Protocol
참고 : 사용하기 전에 모든 관련 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하십시오. 전구체 솔루션 및 제품의 대부분은 위험하거나 발암 있습니다. 특별 고려 사항은 대량의 대응에 비해 인해 발생할 고유의 안전 문제로 인해 나노 물질에 문의해야합니다. 적절한 보호 장비는이 절차를 수행하는 동안 항상 (보안경, 얼굴 가리개, 장갑, 실험실 코트, 긴 바지와 폐쇄 발가락 신발)을 착용해야합니다.
나노 결정 전구체 잉크 1. 합성
- 의 CdSe와 CdTe 잉크 (18), (25)
- 불활성 분위기 장갑 상자에서 CdTe (또는 0.1527 g (0.0019 몰) 셀레늄의 CdSe에 대한 (SE)) 5에 4.39 g (0.012 몰), 트리 옥틸 포스 핀 (TOP)과 파우더 0.24 g (0.0019 몰) 텔루르 (테)를 결합 ml의 둥근 바닥 플라스크 (RBF).
- 고무 격막이 플라스크를 밀봉 및 가열 (60 ℃로)에서 초음파 (40 kHz에서)에 대한 글러브 박스에서 제거고체 테 또는 셀레늄의 모든 때까지 수조 (약 20 분)을 해산했다. 옆 1 옥타 (1-ODE) 5 ㎖를 설정합니다.
- 별도로, 깨끗하고 건조한 3 구에 자기 교반 막대와 250 ml의 RBF, 4.29 g (0.015 몰) 올레 산 (OA), 76 ml의 0.48 g (0.0037 몰) 카드뮴 (II) 산화물 (CDO) 분말을 결합 1 옥타 데센의. 사용하기 전에 결함 유리를 검사하고, 고온 진공 그리스와 모든 글라스 유리 관절을 조립한다.
- 상단 칼 코겐 화합물 전구체를 주입하는 RBF 무료 적어도 하나의 목을 떠나 쉬 렌크 라인 유리를 통해 플라스크에 낮은 흐름에 진공 펌프와 불활성 가스 (아르곤, 아르곤 또는 질소, N 2) 소스를 연결합니다. 직접 목 및 인감 하나의 솔루션으로 온도 프로브를 삽입합니다.
- 최고 속도로 저어 설정하고 30 분 동안 진공에서 110 ° C까지 온도를 설정합니다.
참고 : 250을 초과 무색 ° C에서 색 변화로 나타낸 올레산 성분이 저하 될노랑. - 플라스크에 약간의 긍정적 인 압력을 구축하는 불활성 가스를 진공에서 전환합니다. 낮은 압력 (~ 1의 PSI)에 가스의 흐름을 조절합니다. 거품, 오일 버블 1-5 Hz의 주파수에서 형성되어야한다.
- 별도로 고무 격막을 얹어 유리 목 확장을 준비합니다. 쉬 렌크 라인에 튜브 위해 주사기 바늘을 연결합니다.
- 압력을 해제 할 수 있도록 격막에 주사기 바늘을 관통. 가볍게 진공 그리스와 공동으로 그리스를해야합니다.
- 이 때, 신속하게 반응 플라스크에서 상단 유리 마개를 제거하고 유리 확장자로 교체합니다. 과잉의 불활성 가스를 플라스크를 통해 흐르고, 이는 오일 버블 나오는 기포로 표시한다.
- 원래의 불활성 가스 공급원을 닫고 합성의 나머지 동안 플라스크의 상부에 불활성 가스의 저속 제어 흐름을 허용하는 제 벤트를 연다.
- (26) 용액의 온도를 상승0 ° CdTe에 대한 C (의 CdSe 250 ° C) 및 용액이 완전히 무색 투명 약간의 갈색에서 바뀔 때까지 기다립니다.
- 원하는 반응 온도에 도달하면 상부 칼 코겐 전구체 및 추가 5 ㎖ -1- ODE 추출하여 주입 주사기를 준비한다.
- 교반 빠르게 상위 칼 코겐 / 1- ODE 혼합물을 주입하는 동안 계속 한 단계에서, 가열 맨틀을 제거한다.
- 솔루션은 RT (~ 30 분)으로 냉각 및 양자 국한 입자 씨앗의 형태로 색상 변경을 모니터링하고 더 큰 나노 결정으로 성장하도록 허용합니다. 의 CdSe 깊은 붉은 색이며, CdTe는 어두운 갈색이다.
- 직접 플라스크에, 생성물을 침전 헵탄 25 ㎖, 100 ㎖의 에탄올을 추가한다. 전송 40 ML의 50 ml의 원심 분리 관에 분취하고 침전을 완료하는 데 5 ml의 톨루엔 5 ml의 에탄올을 추가합니다.
- 2 분 또는 상층 액이 투명해질 때까지 1722 XG에서 제품을 원심 분리기. 뜨는을 가만히 따르다 및 고체 페이지를 결합0.5 ㎖의 톨루엔 및 나노 결정이 분산 피리딘을 증류수 5 mL를 첨가하여 5 ㎖의 RBF로는 roduct. 주의 : 흄 후드 아래에있는 모든 피리딘 실험을 실시한다.
- 불활성 가스로 RBF를 세척 한 후 고무 격막으로 밀봉. 가열 맨틀을 장착하고 85 ° C에 가져다. 고무 격막에 간단히 삽입 된 바늘을 사용하는 모든 압력을 해제합니다. 가열하고 18 시간 동안 부드럽게 교반을 계속합니다.
- 피리딘 교환 후, 2 분 또는 상층 액이 무색이 될 때까지 1,722 XG에서 CdTe 또는 한 CdSe 제품 40 ML의 헥산과 원심 분리기를 결합합니다. 뜨는을 가만히 따르다 5 ml의를 증류 한 피리딘 5 ml의 1 프로판올을 추가합니다. 불활성 가스 및 초음파 처리 (40 kHz에서) 30 분 동안이 혼합물을 세척 플라스크. 상층 액을 수집하고 견고한 제품을 폐기.
- 또는 큰 응집 입자를 제거하기 위해 1 ㎛ 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 주사기 필터를 통해 상기 잉크 필터. 건조 및 1 ml의 무게에 의해, 잉크의 농도를 측정한다. 전형적인 농도는 아칸소전자 CdTe 40 밀리그램 ml의 -1, 16 mg의 ml의 -1의 CdSe합니다.
- 필요에 따라 피리딘 / 1- 프로판올로 잉크를 희석. 불활성 기체에서 보관 잉크를 사용하지 않는 동안.
- 금 잉크 (26)
- 500㎖의 삼각 플라스크에 금 (III) 클로라이드 트리 히드 레이트 1.518 g (0.00385 몰), HAuCl 4 결합 교반. 3H 2 O, 126 ML의 H 2 O를 황색 용액을 생성한다.
- 9.52 g (0.0174 mol)을 334 ml의 톨루엔 tetraoctylammonium 브로마이드 미리 혼합 용액을 추가합니다.
- 다음 리간드, 2 ml의 톨루엔 0.452 g (0.00382 몰) 헥산 티올을 추가합니다.
- 마지막으로, 별도로 105 ML의 H 2 O와 1.58 g (0.0418 mol)의 수소화 붕소 나트륨 (을 NaBH 4)을 결합하고 즉시 솔루션 드롭 현명한 반응 플라스크에 절감이 버블을 추가합니다.
- 3 시간 동안 공기 중에서 실온에서 교반 한 후, 분액 깔때기로 유기상을 분리한다.
- 줄이고, 회전 증발기를 사용하여20 ml의 부피와 50 ML의 헥산 200 ml의 메탄올이 잉크를 씻는다. 2 분 동안 1,722 XG에서 원심 분리와 고체 침전물과 무색 뜨는을 가만히 따르다.
- 공기 고체를 건조 및 70 mg의 ml의 -1의 농도로 클로로포름에 다시 분산.
- ITO 잉크 (23)
- 및 주석 (II) 클로라이드 디 하이드레이트 (SnCl 2. 2H 2 O, 0.357 g, 0.00158 몰 ((NO 3) 3. 2.85H 2 O 2.93 g, 0.00974 몰에서), 인듐 (III) 질산염 수화물 고체 염 수확기 )를 50 ㎖ 폴리 프로필렌 원심 분리 튜브에 10 mL의 2- 메 톡시 에탄올과.
- 여기에, 산화제로는 pH 안정제로 14.5 M 수산화 암모늄 (NH 4 OH, 0.0024 몰) 및 0.83 g (0.0104 몰) 질산 암모늄 (3 NH 4 NO)의 167 μl를 추가합니다.
- 가열 (60 ° C)와 40 kHz에서 20 분간 초음파 처리 또는 무색 트란에 흐릿한 흰색에서 잉크 변경까지sparent.
2. ITO 패터닝
- 잘라 에탄올과 아세톤에서 초음파 처리하여 (25mm × 25 mm X 1.1 mm) 유리 슬라이드를 청소합니다.
- 1 분 동안 집중 (> 5 M) 수산화 나트륨 (NaOH를) 유리 기판을 만끽하고 간단히 물로 씻어.
- 스핀 코터에 유리 기판을 놓고 ITO 잉크와 슬라이드를 입력합니다. 20 초 동안 3,228 XG에 스핀.
- 즉시 10 분 동안 핫 플레이트에서 400 ° C로 설정 열에서 기판을 배치합니다. 세라믹 접시에 실온에서 천천히 냉각.
- 시트 저항은 평방 당 1000 옴 (약 10 층) 이하가 될 때까지 -이 프로세스 (2.4 2.3)를 반복합니다. 안정된 표면에 ITO / 유리 필름을 배치하고, 저항을 기록 약 0.5 cm 떨어진 멀티 프로브를 누르면서 4 점 프로브 또는 멀티 미터 단위와 시트 저항 근사. 4 점 탐침 장치를 사용할 수있는 경우, 시트 (R)을 기록 필름 상에 프로브 팁을 누르는설립 방법에 따라 esistance. (27)
- 마지막으로, 간단히 딥 (~ 2 초) 묽은 왕수의 영화와는 평방 당 500 옴 이하의 저항을 줄이기 위해 건조하여 증류수로 씻어.
- 테이프의 스트립을 절단하여 디바이스 패턴을 구축 (즉, 폴리 아미드 열처리 또는 산 에칭 셀로판 테이프 테이프)와 미리 디자인 된 격자에 따라이를 준수. 예를 들어, 0.10 cm의 폭을 갖는 수직 스트립은 0.10 cm 2 소자 영역을 생성 할 것이다.
- 문서 편집 소프트웨어와 디자인 그리드, 투명 유리 슬라이드에 테이프를 장착하기위한 가이드 역할을 기판에서 종이와 위치에 인쇄 할 수 있습니다.
주 : 애플리케이션 및 잉크의 특성에 따라,이 그리드는 정사각형, 직사각형 또는 측정 영역이 임의의 형상의 형상으로 상부 전극과 하부 전극과 중첩하는 장치를 제조하기 위해 사용될 수있다. 예를 들어, ITO의 두 개의 평행 한 스트립 교류에 의한활성층 (CdTe 및 CdSe로)을 증착 한 다음, 각 폭 0.10 cm은, 금 층이 0.10 cm 2 디바이스를 형성하기 위해 단지 90도 회전 된 동일한 패턴을 이용하여 증착 될 수있다.
- 문서 편집 소프트웨어와 디자인 그리드, 투명 유리 슬라이드에 테이프를 장착하기위한 가이드 역할을 기판에서 종이와 위치에 인쇄 할 수 있습니다.
- (60)에 묽은 왕수에 접착 테이프 스트립 유리 / ITO 필름을 적시 노출 된 ITO까지 ° C 베어 유리 기판 뒤에 남겨두고, 용해.
- 테이프를 제거하고 테이프 접착제에서 모든 잔류 물을 제거하기 위해 아세톤, 에탄올로 필름을 씻는다.
- 이토 유리 기판의 한쪽에 스트립 실버 에폭시 작은 방울을 놓는다. (150)에서 핫 플레이트에이를 가열 2 분 동안 ° C를 실온으로 냉각 하였다. 이 소둔 후의 CdTe / CdSe로 활성층을 제거하기 어렵 기 때문에 이러한 디바이스 측정 접촉 지점의 역할을 할 것이다.
의 CdSe, CdTe 및 금 필름 3. 솔루션 처리
- 스핀 코팅 (28)
- 패턴 화 된 ITO-GLAS 배치S 스핀 코터에 기판 드롭 코팅 한 CdSe 나노 결정에 의해 상면을 채운다.
- 30 초 동안 610 XG에 스핀 (150)에서 핫 플레이트에서 건조하여 2 분 동안 C를 °. 25 ° C까지 차가운.
- NH 4 CL에 필름을 찍어 메탄 : 메탄올 (25 포화 ° C) 60 솔루션 세트 기음. 이소프로판올 별도의 용기에 필름을 찍어 다음 15 초 동안 누르고 있습니다.
- (380)에서 핫 플레이트에 다음 불활성 가스 하에서 건조 및 열 25 초 동안 C를 °. 실온으로 냉각 및 불활성 가스 하에서 건조되기 전에 증류수로 여분의 염분을 씻어.
- 원하는 두께에 도달 할 때까지 -이 프로세스 (3.1.4 3.1.1)를 반복합니다. 일반적으로, 한 CdSe의 3 층은 60 나노 필름 및 CdTe의 6 층은 400 nm의 CdTe 필름을 생산하는 생산하고 있습니다.
- 코팅 (12), (29) 스프레이
- 평평한 고체 뒷면에 테이프 또는 클립을 수직으로 ITO 유리 기판을 탑재합니다.
- DIL클로로포름 1 잉크의 0.25 mL를 (0.5 mm 바늘 장착) 중력 공급 에어 브러쉬를로드 - UTE 4 밀리그램 ml의에 CdTe와의 CdSe 잉크.
- 도 10 및 40 PSI의 캐리어 가스의 압력을 조정한다. 얇고 부드러운 필름에 대한 높은 압력을 사용합니다.
- 에어 브러쉬 노즐은 상기 기판으로부터 약 60mm를 유지 급격한 수직 좌우 움직임을 이용하여 기판 상에 균일하게 분무 한 다음, 기판 옆 노즐 분무 나노 잉크 우울. 멀리 장치에서 1 ml의에게 ~ 순수 클로로포름을 분사하여 에어 브러쉬를 청소합니다.
- 마운트로부터 기판을 제거하고, 스핀 코팅 (3.1.5)에 원하는 두께가 달성 될 때까지의 경우와 동일한 방법으로 증착 CdTe 또는 한 CdSe 나노 결정의 필름을 처리한다.
- 마찬가지로, 장치를 완료하는 활성층 상에 후면 금속 접촉 나노 막을 스프레이. 사용하여 ITO 전극을 위해 사용 된 동일한 절차, 패턴을 0.01 cm 두께의 스트립을 사용하여이토 스트립에 수직 활성층을 둘러 접착 테이프.
- 클로로포름에 분산 된 금 (Au) 나노 잉크의 2 ㎖ (70 밀리그램 ml의 1)과 에어 브러쉬를 넣습니다.
- 어두운 불투명 한 막을 증착 한 후, 상기 기판을 분리하고 신중 20 초 동안 250 ℃에서 열판에서 가열을하기 전에 테이프를 제거한다. 금색 나타나고 장치 RT로 냉각하고 테스트 할 수있다.
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Representative Results
소각 X 선 회절 패턴은 어닐링 된 나노 결정 막 (도 1a)의 결정 및 위상을 확인하기 위해 사용된다. 결정자 크기가 100 나노 미터 미만인 경우에는, 그 결정 입경은 쉐러 방정식 (식. 1)을 추정하고 주사 전자 현미경 (SEM)으로 확인할 수있다, 
d는 평균 결정자 직경이고, K는 물질에 대한 무 차원 형상 계수이고, β는 브래그 각도 θ에서의 X-ray 회절 (XRD) 피크의 반값 전체 폭이다.
주사 전자 현미경 (SEM)은 어닐링 된 필름 (도 2b, 및도 3c C-F)에서의 입자 성장의 정도를 모니터하는데 사용된다. NH 4 CL의 존재 또는 CdTe 및 CdSe로 가열하는 하나의 층을 증착 한 후, 입경이 경질 온도를 조정함으로써 최적화 될 수있다가열 능뿐만 아니라, 잉크의 농도는, 압력 / 시간 또는 회전 속도를 스프레이. 일반적으로 큰 입자가보다 높은 단락 회로 전류를 갖는 장치를 나타낸다. 12 프로파일 이미지를 들어, 장치의 유리 측 다이아몬드 스크라이브으로 득점과 직선 에지를 생성하기 위해 금 수직 SEM (도 1b)에 장착 될 수있다.
UV / 비스 분광학, 양자 구속 효과 (도 1C-D)와 흡광도 피크의 상관 관계에 기초하여 나노 결정의 크기를 추정하기 위해 사용된다. 결정 크기는 전구체의 농도, 반응 온도 및 잉크 합성의 기간을 변경하여 튜닝 될 수있다.
프로파일 측정 광은 막 두께 및 거칠기를 측정하는 데 사용된다. 이는 각 물질의 단일 층에 완료 장치 (도 3G-J)에서 수행 될 수있다.
푸리에 변환 적외선 (F 변환 TIR) 스펙트라는 NH 4 CL 동안 배위자 교환의 정도를 모니터링하도록 수행된다. 메탄올 처리 2924 및 2,852cm-1 (도 2A)에서 밴드 스트레칭 C-H 알킬의 소멸로 측정 한 20
전류 - 전압 (IV) 특성을 보정 솔라 시뮬레이터 (그림 2D, E)에서 어둠과 시뮬레이션 한 태양 조명 아래에서 얻을 수있다. 애노드 (금) 및 음극 (ITO)에 프로브 팁을 부착하는 광전류는 디지털 멀티 미터 / 소스 미터로 측정 할 수있다. 양전 네거티브 스캔에서 (예. -1.5 V V +1.5)가 IV 곡선을 생성하고, 0.0 A의 단락 전류 (I의 SC)에서와 같은 개방 회로 전압 (V의 OC)로 데이터를 제공한다 0.0 볼트 충전 인자 (FF 식. 2) 및 효율 (ƞ 식. 3)
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J MP MP 및 V는 각각 최대 전력 점에서의 전류 밀도와 전압 어디. 소프트웨어는 FF를 제공하지 않을 경우에 이용 효율 V.의 함수로서 J 및 V의 생성물을 플로팅하여 최대 전력 점을 찾아 
p는 태양 방사 조도 (100 mW의 / cm 2)의 단위 면적당의 전력 입력이다. 디바이스 영역 (예. 0.1 cm 2)를 차지하여, 단위는 단위없는 부분을 남겨 상쇄된다. 특별한 배려가 인접한 장치로부터 과량 광전류 기여를 피하기 위해 측정시 기판상의 다른 장치에 마스크를주의해야한다.
도 1 필름 특성화. 각 디바이스의 Laye의 X 선 회절 패턴단일 막 및 나노 잉크의 제작 장치 (B)의 단면 SEM 이미지를 포함하는 완성 된 소자 (A)와 같은 (R). UV / 마주 스펙트럼 상업 ITO (하늘색)과 함께, CdTe-졸 (갈색)과의 CdSe 졸 / CdTe-졸 필름 (검은 색)에 (빨간색)의 CdSe 졸의 유리와 흡수에 ITO 졸 (보라색)의 상업적 ITO 유리 기판 (D)과의 CdSe (적색), CdTe (갈색)의 Au (금)의 나노 결정 전구체 용액을 흡수하고, ITO (자주색) 소둔 전 (C). 심판에서 적응. 화학의 왕립 학회의 허가 24. 24 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 리간드 교환 촉매 및 장치 속성. 피리딘의 FTIR 스펙트럼은 CdTe 교환나노 필름 (A)는 NH 4 CL 침지 25 초 동안 380 ℃에서 어닐링 한 후 이들 필름 (각각 B 및 C)의 SEM 이미지 대응 포함 메탄올 용액 (녹색), 순수 메탄올 (적색)에있다. 전류 전압의 1 일 조명 (D) 및 피복 (---) 스핀의 비교에서 측정 모든 용액으로 처리 한 CdSe / CdTe 헤테로 접합 장치의 곡선 스프레이 코팅 (-) 쇼트 키 디바이스 (E) 1 태양 조명에서 (적색 )과 어둠 (검은 색). 의 허가 재판 참조. 12. 저작권 2014 미국 화학 학회 및 심판에서 적응. 화학의 왕립 학회의 허가 20, 24. 20, 24 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
X- 선 회절 패턴은 각도 명확한 회절 피크를 나타내는각 재료 및 완료 장치 (도 1A)에 결정 격자 치수에 대응. Scherrer의 크기 분석은 합성 된 나노 결정 (3-5 ㎚)에 비해 CdTe 막, 100 nm의 정도의 결정자 크기를 추정한다. 빨간색의 CdSe와 CdTe의 양자 국한 나노 결정에서이 변환은 어닐링 영화에서 대량 규모의 입자는 UV / 비스 스펙트럼 그림 1C-D의에 표시됩니다 바뀌었다. 증착 된 필름의 두께는, 잉크의 농도를 높이거나 스핀 코팅 및 분무 코팅 모두에 대한 층의 수를 증가시킴으로써 증가 될 수있다. 막 두께 및 균일 성 프로파일 로메 광 (도 3B, GJ)에 의해 모니터링된다. 이는 더 높은 전달 압력 이하 진한 잉크로 저감 할 수 있지만, 코팅 된 필름은 일반적으로 거친 (51 ± 14 nm의 스프레이 대 22 ± 12 nm의 스핀)이다 분무. 12을 목표 두께와 거칠기는 단일 막 상 획득되면유리는, 절차는 장치의 제조에 적용 할 수있다. 단면의 각 층의 표시 장치 막 두께의 이미지와 그들 사이의 인터페이스를 손상 확인 (도 1b). 24
합성 된 나노 결정은 가열시 유기 물질을 insolating 뒤에 떠나, 필름의 품질을 방해 긴 사슬 네이티브 올 레이트 리간드의 쉘을 포함한다. 피리딘 교환 반응이 올 레이트 쉘을 제거하는 데 사용되었다; 많은 관찰로하지만,이 프로세스가 완료되지 않았습니다. 2924 및 2,852cm에서 CH 알킬 그룹의 자신의 특성 적외선 스트레칭 주파수에 의해 관찰 16,26,27은 18 시간 피리딘 교환 후, 잔류 올 레이트 리간드는 나노 결정에 부착 된 상태를 유지 -1. 도 2a에 FTIR 스펙트럼 부재 (녹색) 및 NH 4 처리 증착 된 프리 어닐링 막 중의 CdTe 나노 결정에 결합 네이티브 올레산 리간드의 존재 (적색) 표시 </ 서브> CL : 만, 각각 메탄올 리간드 교환 촉매와 메탄올. 소결 반응을 보조하면서 염 치료는 동시에, 작은 무기 염화물 음이온과 잔류 장쇄 올 레이트 리간드를 대체한다. 또 표면에 과잉 소결 적절한 촉매를 제공하면서 나노 고유 이러한 상황에서, 리간드 교환 제는 천연 리간드를 제거한다. 이들 방법은 모두 성공적 CdTe 장치의 주요 구성 요소이다. 이전 연구을 CDCl3 2의 일반적인 사용은 이러한 목적으로 비 독성 NH4Cl 등으로 대체 될 수 있음을 보여 주었다. 더 성장 메탄올 제어 (도 2c)에 대해 관찰되지 않은 반면, 어닐링 후 136 ± 39 nm 인 결과로 평균 입자 성장 NH 4도 2b에 도시 CL은 CdTe 필름을 처리 하였다. 모니터링 리간드 교환 인해 일괄 규모의 진공 증착에 비해 많은 나노 전자 필름의 고유 한 구성 요소입니다이 절연막 쉘은 일반적으로 필름의 광전자 기능에 영향을주지 않지만 상향식 합성 경로의 고유 특성. 3,30 이들은 무기 코어 용액의 용해성을 제공하는 유기 리간드 쉘의 형성을 수반한다.
태양 전지 소자는 1 일 조명 (도 2d, E) 0.1 cm 2 장치에서 전류 - 전압 곡선을 보여준다에서 측정. 여기에 표시된 특징적인 장치가 V의 OC를 생산 = ± 0.02 V 0.52, J의 SC = 9.42 ± 3.2 mA의 cm -2, FF (%) = 43.3 ± 2.9 및 ƞ (%) = 모의 햇빛 아래 2.37 ± 0.23. 그러나, 입자 성장 및 처리 방법 간의 강한 연결을, 소둔 온도 및 CdTe 필름 가열 시간의 작은 변화에 이르기까지보고 된 JSC 값에 이르는 이러한 나노 필름의 개방 회로 전압 및 단락 전류에 큰 변화가 발생할 수있다 0.7 mA / cm 2-25mA / cm 2, 10 %. 12,31 높은 효율 이상의 효율은 용액 처리 광전지뿐만 아니라, 다른 전자 기기와 기능면의 재료의 품질 향상과의 조합 다음 예상된다.
나노 필름 전통적인 스핀 코팅에 비해, 스프레이 코팅으로 인해 조정 송출 압력, 기판으로부터의 거리, 분무 및 기간의 각도 에어 브러쉬를 사용하여 고유의 자유 추가적인 고려를 필요로한다. 일정한 CdTe 잉크 농도를 유지하면 (4 ㎎ / ㎖) 및 노즐 거리. 체계적 부드럽고 높은 품질의 층을 생산 막 거칠기를 감소하기 위해 발견 된 압력을 증가 (60mm) 기판 (3)은 막 상에 조정 분사 압력의 영향을 요약도 형태 및 광학 특성. 15 psi의 PSI (40)에서 압력을 증가의 결과로, CdTe 나노 결정의 필름 (높은 광 투과율을 나타내었다층당 얇은 (30 내지 95 대 내지도 3B) 물리적 존재의 결과로서도 3A). 높은 압력에서, 분무 재료는 피 처리 기판의 주위에 큰 영역에 분산되고 덜 재료를 장치 상에 증착된다. 380에서 열처리 후 리간드 분자가 방출되고, 개별 나노 결정의 표면적이 큰 통합 결정립 감소되므로 ° C는 나노 결정의 필름은 높은 패킹 밀도로 응축. 따라서, 증착 된 나노 결정의 얇은 필름은 가열 후 표시 적은 균열로 이어지는 볼륨에 작은 변화를 겪는다. 이 효과는 스핀 코팅을 통해 증착 된 것과 거의 동일하다 부드러운 필름을 생산하고 있습니다. 이것은 SEM 이미지와 해당 광 프로파일 로메 맵 (도 3C-J)에서 관찰 될 수있다. 분무 파라미터 최적화 원하는 필름 특성을 달성 한 후, 디바이스를 제조하고 시뮬에서 시험 할 수있다에드 햇빛. 그림 2E 장치의 성능 (효율 사이의 최소한의 차이를 보여는 CdTe 나노 결정 층이 솔루션은 처리 된 스핀 코팅 및 스프레이 코팅 유리 / ITO / CdTe / CA / 알 쇼트 키 디바이스 사이의 비교를 보여줍니다 = 모두 2.2 % ) 코팅 - 스핀과 스프레이 코팅 장치.
도 3 나노 결정 스프레이 압력 및 필름 형태론 15 스프레이 코팅 증착 한 후 25 초 동안 380 ℃에서 어닐링 CdTe 디바이스 필름을 통해 광 (A) 전송. (-), (20) - (-) 30 (- - - ), 40 PSI (···) 비교를 위해 스핀 코팅 장치 (블루 -)와 함께. 분무 압력 (B)의 함수로서 평균 막 두께. SEM 이미지는도 15의 (C)에 피복, 분무 CdTe 장치 필름, 20 (D), (30)의 저배율 (E 플리트 (F)의 상대 표면 거칠기 (G 나타내는 광 프로파일 로메 스캔 대응 포함 - J 참조). 심판의 허가 재판. 12. 저작권 2014 미국 화학 학회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
요약하면,이 프로토콜은 분무 또는 스핀 코팅 증착에서 전자 장치 처리 솔루션을 구축과 관련된 주요 단계에 대한 지침을 제공합니다. 여기서, 우리는 비도 전성의 유리 기판 상에 액 처리 투명 전도성 인듐 주석 산화물 (ITO) 필름을위한 새로운 방법을 강조. 손쉬운 에칭 절차 후에, 개별 전극은 스프레이 증착하는 광 활성층 전에 형성 될 수있다. 레이어 - 바이 - 레이어 기술을 사용하여, CdTe 및 CdSe로 나노 결정은 에어 브러쉬에서 주위 조건하에 공기에서 증착 될 수있다. 리간드 교환 및 열처리 후, 마지막 비 - 투명 전도성 금속 전극은 분무 - 코팅 장치로 네이티브 유기 리간드를 제거하기 위해 가열 될 수있다. 이 층은 증착시에 마스크 패턴을 이용하여 패터닝 될 수있다. 완전히 생성 된 용액은 모두 무기 디바이스 특징 및 테스트 할 수 처리된다.
특별한주의가 directe해야한다오래된 재료로 신선한 시약을 사용하는 d를 불순한 또는 바람직하지 않은 제품으로 이어질 수 있습니다. 또한, 상부 전극과 하부 전극의 전도도는 장치 제조 동안 테스트되어야한다. ITO 막 적어도 500 평방 당 옴 상부 금속 막 평방 당 20 오옴 이상이어야의 시트 저항을 가져야한다. 시트 저항이 높은 경우,이 전극의 이상의 층을 적용한다. 장치가 각 장치 간 연결 전자적 있어야으로 직렬 또는 병렬로 연결되어있는 경우에 특히 중요해진다. 층의 두께와 거칠기는 신중 공기압 및 잉크 농도를 변화의 영향을 모니터링하여 조절한다. 이 영화의 프로파일 측정 검사는 분무 또는 스핀 코팅 매개 변수에 대한 귀중한 피드백을 제공 할 수 있습니다. 일반적으로, (100 nm의 루트 평균 제곱>) 얇은 거친 필름은 장치의 단락 및 비활성 장치로 이어질 수 있습니다. 단락을 방지하기 위해, actua 닿지 않을 두꺼운 부드러운 활성층을 증착하지 않고,제조 또는 측정시 리터 장치.
단결정 물질 및 일반 리소그래피 크린룸 제조 기술의 기존의 진공 증착법에 비해, 나노 결정의 잉크 계 증착 저렴하고 큰 영역 또는 불규칙한 표면에 증착하기 위해 더 많은 자유를 제공한다. 그러나, 개별 나노 결정의 계면의 품질로 인해 천연 유기 리간드 존재 및 필름의 고유 특성 다결정 감소된다. 이 필름 따라서, 높은 정공의 재결합 율 내의 불순물 및 결함의 높은 농도로 이끈다. 이는 리간드 교환을 사용하고 (예를 들면, NH 4 CL)는 필름 전체에 결정 성을 향상시키는 제제의 소결에 의해 완화 될 수있다; 그러나,이 무기 나노 디바이스에 대한 근본적인 문제가 남아있다. 황화 납과 같은 큰-보어 엑시톤 반경 재료 시스템 PBS, (~ 20 ㎚), 소결이 요구되지 않으며, 비록나노 결정 사이의 효과적인 전하 수송합니다. 또한, 단일 소자의 면적은 마스크 패턴의 두께 및 폭 치수에 의존한다. 넓은 영역 (> 1cm 2) 디바이스는 거시적 마스킹 패턴을 달성 할 수있다; 그러나, 마이크로 또는 나노 패턴을 마이크로 혹은 양자 차원 전자 기기에 필요하다.
동영상 프로토콜 스프레이 / 스핀 코팅 공정에서 잉크 계 박막 광전 변환 장치의 제조 방법을 설명한다. 그러나, 진공 또는 제어되는 분위기의 요구없이 대기 증착, 여기 덮여 화제는 무기 장치에 잉크젯 인쇄를 위해 변형 될 수있다. 종래의 진공 증착과 같은 제조 및 설치 비용을 감소시킴으로써 태양 전지의 전력 가격을 낮출 수있는 태양 전지 모듈 패키지에 비해 잉크 계 증착 저비용. 또한,이 방법은 다른 물질에 적용 할 수있다유기 반도체를 포함한 시스템 및 아키텍처. 태양 전지 외에도, 무기 재료의 액 처리에 대해 설명하는 기술은 발광 다이오드 (LED), 커패시터와 트랜지스터와 같은 다른 전자 장치를 구성하는 데 사용될 수있다.
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Disclosures
저자는 공개 아무것도 없어.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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