Artículo de método

Principales factores que afectan el rendimiento del Sb2S3-sensibiliza las células solares durante una Sb2S3 deposición via SbCl3-tiourea tratamiento de solución de complejo

DOI:

10.3791/58062

⸱

16 de julio de 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)

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo ofrece un detallado procedimiento experimental para la deposición de una capa mesoporosa TiO2 utilizando un SbCl3Sb2S3 -solución complejo tiourea para aplicaciones en Sb2S3-sensibiliza las células solares. Este artículo también determina los factores clave que rigen el proceso de deposición.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SB2S3 se considera como uno de los amortiguadores ligeros emergentes que pueden aplicarse a las células solares de última generación debido a sus propiedades ópticas y eléctricas únicas. Recientemente, hemos demostrado su potencial como las células solares de última generación logrando una alta eficiencia fotovoltaica de > 6% en Sb2S3-sensible células solares utilizando un simple tiourea (TU)-basado en el método de solución compleja. Aquí, describimos los principales procedimientos experimentales para la deposición de Sb2S3 sobre una capa de mesoporosos TiO2 (mp-TiO2) usando una solución compleja de SbCl3- TU en la fabricación de células solares. En primer lugar, se sintetiza la solución SbCl3- TU disolviendo SbCl3 y TU en N, N- dimetilformamida en diferentes relaciones molares de SbCl3: TU. Entonces, la solución se deposita en sustratos como preparado de mp TiO2/TiO2-bloqueo de capa/F-dopado SnO2 vaso por la capa de la vuelta. Por último, para formar el cristalino Sb2S3, las muestras se recuecen en un N2-lleno de guantera a 300 ° C. También se discuten los efectos de los parámetros experimentales sobre el funcionamiento del dispositivo fotovoltaico.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chalcogenides basados en antimonio (Sb-Chs), incluyendo Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3y CuSbS2, se consideran materiales emergentes que pueden ser utilizados en celdas solares de última generación1 ,2,3,4,5,6,7,8. Sin embargo, los dispositivos fotovoltaicos basados en amortiguadores luz Sb Chs no han alcanzado aún la eficiencia de conversión del 10% de energía (PCE) necesaria para demostrar la posible comercialización.

Para superar estas limitaciones, diversos métodos y técnicas se han aplicado, como un tratamiento superficial inducida por tioacetamida1, un de método de deposición de temperatura4, una deposición de capa atómica técnica2y el uso de coloide de punto cuántico puntos6. Entre estos varios métodos, el proceso de solución basado en la descomposición de un baño químico exhibe el más alto rendimiento1. Sin embargo, un control preciso de la reacción química y el tratamiento posterior es necesario para lograr el mejor rendimiento1,3.

Recientemente, hemos desarrollado un simple proceso de solución de alto rendimiento Sb2S3-sensible células solares utilizando un SbCl3-tiourea (TU) solución compleja3. Usando este método, hemos sido capaces de fabricar una calidad Sb2S3 con una controlada relación Sb/S, que fue aplicado a una celda solar para lograr un rendimiento comparable de 6.4% PCE. También fuimos capaces de reducir con eficacia el tiempo de procesamiento ya que el Sb2S3 fue fabricado por la deposición de una solo paso.

En este trabajo, describimos el procedimiento experimental detallado para un Sb2S3 la deposición en el sustrato compuesto por mesoporosos TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 bloqueo de capa (TiO2- BL) / F-dopado (SnO)2 FTO) glass para la fabricación de Sb2S3-sensible células solares via SbCl3- TU complejo procesamiento de solución3. Además, tres factores claves que afectan el rendimiento fotovoltaico en el transcurso de una deposición de Sb2S3 identificaron y discutieron. El concepto del método puede aplicarse fácilmente a otras células solares de tipo activador basados en sulfuros del metal.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. síntesis de la solución de TiO2- BL

  1. Preparar 2 frascos transparentes con un volumen de 50 mL.
  2. Añadir 20 mL de etanol al 1 frasco (V1) y sello de V1.
  3. Transferencia V1 a una N2-llena la caja de guante con un sistema de humedad controlada de H2O nivel de < 1 ppm.
  4. Añadir 1,225 mL de isopropóxido de titanio (IV) (docente) a V1 de una jeringa con un filtro de 0.45 μm PVDF y suavemente revolver la mezcla durante al menos 30 minutos.
    Nota: Este paso debe ser realizado en una caja de guante (o bajo condiciones de humedad muy bajo) ya que el docente es altamente sensible a la humedad. Si la solución del docente no es transparente o blanco precipitados se observan dentro de la solución, debe no utilizarse, porque ya ha ocurrido una reacción indeseable dentro de la solución.
  5. En lo otros preparado vial (V2), añadir 18 μL de HNO3 (70%) y 138 μL de H2O a 20 mL de etanol utilizando una micropipeta y revolver suavemente la mezcla durante al menos 30 minutos.
    Nota: Este paso debe no realizarse en una caja de guante, porque se utiliza el H2O.
  6. Mezclar las 2 soluciones vertiendo la solución V2 en la solución V1 y remover por más de 2 h para sintetizar la transparente 0.1 M TiO solución - BL2.
    Nota: La solución final debe ser transparente. Si la solución no es transparente, resynthesize hasta obtener una solución transparente. Correctamente preparado TiO2- BL soluciones son estables durante varios días en condiciones de humedad de < 50%.

2. síntesis de las SbCl3- TU soluciones con diferentes relaciones molares /TU de SbCl3

Nota: La síntesis debe realizarse en la caja de guante debido a la sensibilidad muy alta de SbCl3 a la humedad.

  1. Preparar la solución stock [1 mmol de SbCl3 en 1 mL de N, N- dimetilformamida (DMF)] de SbCl3 dentro de la caja de guante. Por ejemplo, añadir a 30 mL de DMF para una solución mL 32,2 g 6,486 de SbCl3 .
  2. Añadir una cantidad apropiada de solución a un frasco que contiene una cantidad determinada de TU para sintetizar la solución SbCl3- TU con el deseado cociente molar de SbCl3/TU. Por ejemplo, supongamos que los 2 frascos contienen 0,1 g de TU, Añadir 0,9394 mL de la solución a un frasco y mL 0,5637 al otro, para sintetizar soluciones con SbCl3/TU ratios de 1/1,5 y 1/2.5, respectivamente.

3. preparación del sustrato de mp TiO2/TiO2- BL/FTO Glass

  1. Lave el vidrio revestido de FTO (FTO glass) de 25 mm x 25 mm en un baño ultrasónico con acetona durante 10 min, seguido de etanol.
    Nota: Para fabricar el dispositivo fotovoltaico, utilice vidrio previamente modelado en FTO, donde la superficie de la FTO de 5-10 mm x 25 mm está completamente grabada.
  2. Seque inmediatamente la FTO glass soplando aire comprimido sobre la muestra.
  3. Tratar la FTO glass con un UV/O3 limpiador por 20 min.
  4. Girar la capa de etanol en la FTO glass a 5.000 rpm por 60 s.
  5. Inmediatamente capa de vuelta otra vez con la solución preparada de TiO2- BL bajo las mismas condiciones del paso 3.4.
  6. La FTO glass por 2 min en seco colocando en una placa precalentada a 200 ° C.
  7. Repita los pasos del 3.5 y 3.6 para obtener el espesor deseado TiO2- BL.
  8. Depositar la capa de2 mp-TiO en el TiO2- BL/FTO glass mediante el método de impresión de pantalla con TiO2 pasta (50 nm TiO2 las partículas) y una máscara de poliéster.
  9. Recueza la mp TiO2/TiO2- BL/FTO glass a 500 ° C por 30 min.
  10. Sumerja los sustratos recocidos en una solución acuosa transparente 40 mM TiCl4 después de enfriarse a temperatura ambiente.
    Nota: El 40 mM TiCl4 solución debe ser transparente. Si los sustratos se sumergen en la solución de TiCl4 antes de que se haya enfriado, se rompa debido a la diferencia grande de temperatura entre el sustrato y la solución.
  11. Los substratos de transferencia a un horno a 60 ° C y almacenarlas durante 1 hora.
  12. Enjuague los sustratos varias veces con agua caliente y secarlas al instante por el aire blowingcompressed sobre ellos.
    Nota: Para evitar cualquier rotura de los sustratos, utilice agua tibia (aproximadamente 60 ° C) cuando enjuague.
  13. Templar los sustratos a 500 ° C durante 30 minutos.

4. deposición de Sb2S3 en el substrato de mp TiO2/TiO2- BL/FTO Glass

  1. Tratar los sustratos con un UV/O3 limpiador por 20 min limpiar la superficie y transferirlos a la guantera.
  2. Giro de la capa un disolvente DMF en los substratos a 3.000 rpm por 60 antes de s girar la capa con la solución de SbCl3- TU.
  3. Los sustratos recubiertos como por 5 min de calor colocándolos en un plato caliente a 150 ° C para una descomposición térmica parcial y la formación de la fase amorfa.
  4. Coloque las muestras en una placa caliente precalentada a 300 ° C por 10 min para la formación de la fase cristalina.
  5. Después de enfriar las muestras a temperatura ambiente, retirar de la caja de guante.

5. fabricación de Sb2S3-sensibiliza las células solares

  1. Añadir 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL de clorobenceno y les Revuelva suavemente hasta obtener una solución clara de color rojiza.
  2. Girar la capa clorobenceno en el Sb2S3-depositar sustrato a 3.000 rpm por 60 s.
  3. Inmediatamente girar la capa otra vez con la solución preparada de P3HT bajo las mismas condiciones usadas en el paso 5.2.
  4. Transferir las muestras en una cámara de vacío del evaporador.
  5. Depósito 100 nm oro con una tasa de 1.0 Å / s.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La figura 1 muestra una representación esquemática del procedimiento experimental para la deposición de Sb2S3 en el substrato de mp TiO2/TiO2- BL/FTO glass. D de la figura 1 muestra la propiedades básicas y el esquema de un típico producto fabricado por el método descrito en este documento. El patrón principal difracción de rayos x (DRX) se empareja bien con la de un estibina Sb2

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

TiO2- BL es ampliamente utilizado como capa de agujero de bloqueo en las células solares. Como se muestra en la figura 2, se observó una gran diferencia en el rendimiento dependiendo del grosor de TiO2- BL. Por lo tanto, su espesor debe ser optimizada para obtener el mejor rendimiento general del dispositivo, porque críticamente actúa como una capa de bloqueo de orificios para evitar cualquier contacto directo entre la FTO y agujero-transportar materiales

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo fue financiado por el Instituto de ciencia de Daegu Gyeongbuk y tecnología (DGIST) R & D programas del Ministerio de ciencia y TIC, República de Corea (subvenciones no. 18-ET-01 y 18-01-HRSS-04).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Alcohol etílico, puro, >99.5%Sigma-Aldrich459836
Titanio(IV) isopropóxido 97%Aldrich205273
Ácido nítico, reactivo ACS, 70%Sigma-Aldrich438073
Cloruro de antimonio (III)Sigma-Aldrich311375
ThioureaSigma-AldrichT7875
N, N-dimetilformamida, anhidra, 99,8%Sigma-Aldrich227056
pasta de TiO2 con partículas de 50 nmShareChemSC-HT040
Poli(3-hexiltiofeno)1-MaterialPH0148
ClorobencenoSigma-Aldrich284513
FTO/vidrio (8 Ohmos/sq)Pilkington
Barnizadorgiratorio DONG AH TRADE CORPACE-200
Placa calefactoraAS ONE CorporationHHP-411
GuanteraKIYONKK-021AS
UV Limpiador de ozonoAHTECH LTSAC-6
HornoWiseThermFP-14
Espectroscopía de absorción UV/VisPerkinElmerLambda 750
Evaporador multifuncional con guanteraDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Soluci n de complejo SbCl3 TUdeposici n de TiO2 mesoporosot cnica de recubrimiento por centrifugaci n spin coatingproceso de recocido en N2an lisis de eficiencia fotovoltaicacapa bloqueadora de di xido de titaniosustrato de vidrio FTOrelaci n molar de tioureasoluci n de tricloruro de antimonio

Artículos relacionados