Cet ouvrage fournit un procédé expérimental détaillé pour le dépôt de Sb2S3 sur une couche mésoporeux TiO2 à l’aide d’une LAPE3-solution complexe thiourée pour des applications en Sb2S3-sensibles des cellules solaires. Cet article détermine également les facteurs clés qui régissent le processus de dépôt.
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Article de méthode
Facteurs affectant la Performance des Sb2S3clés-sensibilisés cellules solaires pendant une Sb2S3 dépôts via LAPE3-thiourée Solution-traitement complexe
Dans cet article
Résumé
Résumé
SB2S3 est considéré comme l’un des absorbeurs de lumière émergentes qui peuvent s’appliquer aux cellules solaires de nouvelle génération en raison de ses propriétés optiques et électriques uniques. Récemment, nous avons démontré son potentiel comme la nouvelle génération des cellules solaires en atteignant un haut rendement photovoltaïque > 6 % Sb2S3-sensibles des cellules solaires à l’aide d’une simple thiourée (TU)-selon la méthode de solution complexe. Nous décrivons ici les principales procédures expérimentales pour la déposition de Sb2S3 sur une couche de (mp-TiO2) mésoporeux TiO2 à l’aide d’une solution complexe de LAPE3- TU dans la fabrication des cellules solaires. Tout d’abord, la solution TU -3LAPE est synthétisée en dissolvant la LAPE3 et TU dans le N, N- diméthylformamide à divers rapports molaires de LAPE3: TU. Ensuite, la solution est déposée sur des substrats de préparés comme consistant en mp-TiO2/TiO2-blocage couche/F-dopé SnO2 verre par Enduction centrifuge. Enfin, pour former le cristallin Sb2S3, les échantillons sont recuits dans un N2-remplis la boîte à gants à 300 ° C. Les effets des paramètres expérimentaux sur l’exécution du dispositif photovoltaïque sont également discutées.
Introduction
Chalcogénures axée sur l’antimoine (Sb-Chs), y compris les Sb2S3, Sb,2Se3, Sb2(S, Se)3et CuSbS2, sont considérés comme des matériaux émergents qui peuvent être utilisés dans la génération des cellules solaires1 ,2,3,4,5,6,7,8. Toutefois, les dispositifs photovoltaïques basés sur Sb-Chs amortisseurs légers n’ont pas encore atteint le rendement de conversion de 10 % de la puissance (PCE) nécessaire pour démontrer la commercialisation possible.
Pour surmonter ces limites, des méthodes et des techniques différentes ont été appliquées, comme un traitement de surface induite par la thioacétamide1, une méthode de dépôt température ambiante4, une couche atomique dépôts technique2et l’utilisation de colloïde point quantique points6. Parmi ces différents procédés, le traitement solution basé sur une décomposition de bain chimique présentait la plus haute performance1. Toutefois, un contrôle précis de la réaction chimique et le post traitement sont nécessaires pour atteindre les meilleures performances1,3.
Récemment, nous avons développé un solution simple-traitement haute performance Sb2S3-sensibles des cellules solaires à l’aide d’une LAPE3-solution complexe de la thiourée (TU)3. En utilisant cette méthode, nous avons été en mesure de fabriquer une qualité Sb2S3 , avec un ratio de Sb/S contrôlé, qui a été appliqué à une cellule solaire pour atteindre une performance de l’appareil comparable de 6,4 % PCE. Nous avons également pu effectivement réduire le temps de traitement puisque le Sb2S3 a été fabriqué par une seule étape déposition.
Dans ce travail, nous décrivons la procédure expérimentale détaillée pour un dépôt de3 Sb2S sur le substrat composé de mésoporeux TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 blocage couche (TiO2- BL) / F-dopé (SnO)2 Verre FTO) pour la fabrication de Sb2S3-sensibilisés cellules solaires par LAPE3- TU complexe traitement solution3. En outre, trois facteurs clés affectant la performance photovoltaïque dans le cadre d’une déposition Sb2S3 ont été identifiées et discutées. Le concept de la méthode peut être appliqué facilement à autres sensibilisant-type des cellules solaires basées sur les sulfures métalliques.
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Protocole
1. synthèse de la Solution BL - TiO2
- Préparer 2 flacons transparents avec un volume de 50 mL.
- Ajouter 20 mL d’éthanol dans 1 flacon (V1) et sceller V1.
- Transfert de V1 à un N2-rempli de boîte à gants d’un système contrôlé par l’humidité d’un H2O niveau de < 1 ppm.
- Ajouter 1,225 mL de titane (IV) l’isopropylate (faite) à V1 à l’aide d’une seringue avec un filtre de 0,45 µm PVDF et doucement remuer le mélange pendant au moins 30 min.
Remarque : Cette étape doit être exécutée dans une boîte à gants (ou dans des conditions de très faible taux d’humidité) faite étant très sensible à l’humidité. Si la solution faite n’est pas transparente ou blanches précipités sont observées à l’intérieur de la solution, il ne doit pas être utilisé, car une réaction indésirable a déjà eu lieu à l’intérieur de la solution. - Dans l’autre flacon préparé (V2), ajouter 18 μL de HNO3 (70 %) et 138 μL de H2O à 20 mL d’éthanol à l’aide d’une micropipette et remuer doucement le mélange pendant au moins 30 min.
Remarque : Cette étape ne doit pas être exécutée dans une boîte à gants, car H2O est utilisée. - Mélanger les 2 solutions en versant la solution V2 dans la solution de V1 et remuez pendant plus de 2 h à synthétiser la solution 0,1 M TiO2- BL transparente.
Remarque : La solution finale doit être transparente. Si la solution n’est pas transparente, il resynthétiser jusqu'à l’obtention d’une solution transparente. Préparés avec succès TiO2BL - solutions sont stables pendant plusieurs jours dans des conditions d’humidité de < 50 %.
2. synthèse des Solutions3- TU LAPE avec divers LAPE3/TU rapports molaires
NOTE : La synthèse doit être effectuée dans la boîte à gants en raison de la très grande sensibilité de LAPE3 à l’humidité.
- Préparer la LAPE3 solution [1 mmol de LAPE3 dans 1 mL de N, N- diméthylformamide (DMF)] à l’intérieur de la boîte à gants. Par exemple, ajouter g 6,486 de LAPE3 à 30 mL de DMF pour un 32,2 mL de solution.
- Ajouter une quantité appropriée de la solution dans un flacon contenant une quantité donnée de TU à synthétiser la solution TU -3LAPE avec un rapport molaire désirée de LAPE3/TU. Par exemple, supposons que les 2 flacons contenant 0,1 g de TU, ajouter 0,9394 mL de la solution dans un flacon et mL 0,5637 à l’autre, pour synthétiser des solutions avec des LAPE3/TU ratios de 1/1,5 et 2,5/1, respectivement.
3. préparation du substrat composé de mp-TiO2/TiO2- BL/FTO verre
- Laver la FTO-enduit verre (FTO) de 25 mm x 25 mm dans un bain à ultrasons avec de l’acétone pendant 10 min, suivie par l’éthanol.
Remarque : Pour fabriquer le dispositif photovoltaïque, utilisez verre préalablement modelé de FTO, où la surface FTO 5-10 x 25 mm est entièrement gravée. - Sèche instantanément le verre de la FTO en soufflant de l’air comprimé sur l’échantillon.
- Traiter le verre FTO avec un UV/O3 nettoyeur pendant 20 min.
- Essorage manteau éthanol sur la vitre de la FTO à 5 000 tr/min pendant 60 s.
- Manteau de spin immédiatement avec la solution BL - TiO2préparée dans les mêmes conditions d’étape 3.4.
- Sécher le verre FTO pendant 2 min en le plaçant sur une plaque chauffante préchauffée à 200 ° C.
- Répétez les étapes 3.5 et 3.6 pour obtenir l’épaisseur souhaitée de la BL - du2TiO.
- Dépôt de la couche2 de mp-TiO sur la TiO2- BL/FTO vitre à l’aide de la méthode d’impression écran avec TiO2 pâte (50 nm TiO2 des particules) et un masque de polyester.
- Recuire le verre mp-TiO2/TiO2- BL/FTO à 500 ° C pendant 30 min.
- Tremper les substrats recuits dans une solution transparente aqueuse 40 mM TiCl4 après leur refroidissement à température ambiante.
Remarque : Le 40 mM TiCl4 solution doivent être transparent. Si les substrats sont plongés dans la solution de4 TiCl avant qu’ils sont refroidis, ils peuvent facilement se casser à cause de la grande différence de température entre le substrat et la solution. - Transférer les substrats dans une étuve à 60 ° C et les stocker pendant 1 h.
- Rincer les substrats plusieurs fois à l’eau chaude et séchez-les instantanément par air blowingcompressed sur eux.
Remarque : Afin d’éviter toute fissuration des substrats, utilisez l’eau chaude (environ 60 ° C) quand un rinçage. - Recuire les substrats à nouveau à 500 ° C pendant 30 min.
4. dépôt de Sb2S3 sur le substrat du mp-TiO2/TiO2- BL/FTO verre
- Traiter les substrats avec un UV/O3 nettoyeur pendant 20 min nettoyer la surface et de les transférer à la boîte à gants.
- Manteau un solvant DMF sur les substrats à 3 000 tr/min pendant 60 avant de s faire tourner leur revêtement avec la solution TU -3LAPE de spin.
- Faire chauffer les substrats revêtus comme pendant 5 min en les plaçant sur une plaque de cuisson à 150 ° C pour une décomposition thermique partielle et la formation de la phase amorphe.
- Placer les échantillons sur une plaque chauffante préchauffée à 300 ° C pendant 10 min pour la formation de la phase cristalline.
- Après refroidissement les échantillons à la température ambiante, les retirer de la boîte à gants.
5. fabrication de Sb2S3-sensibles des cellules solaires
- Ajouter 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) à 1 mL de chlorobenzène et les remuer doucement jusqu'à obtention d’une solution claire rougeâtre.
- Tourner le manteau chlorobenzène sur le Sb2S3-dépôt de substrat à 3 000 tr/min pendant 60 s.
- Immédiatement tourner manteau avec la solution P3HT préparée dans les mêmes conditions que celui utilisé à l’étape 5.2.
- Transférer les échantillons dans une chambre à vide de l’évaporateur.
- Déposez 100 nm or avec un taux de 1,0 Å / s.
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Résultats
La figure 1 montre une représentation schématique de la procédure expérimentale pour les dépôts de la Sb2S3 sur le substrat du mp-TiO2/TiO2verre de - BL/FTO. D de la figure 1 montre le propriétés de base et le schéma d’un produit typique fabriqué selon la méthode décrite ci-après. Le patron de diffraction des rayons x (DRX) principal est bien comparé à celle d’une stibine Sb2...
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Discussion
TiO2- BL est largement utilisé comme une couche de blocage des trou dans les cellules solaires. Comme illustré à la Figure 2, une grande différence a été observée dans la performance de l’appareil selon l’épaisseur BL - TiO2. Par conséquent, son épaisseur doit être optimisé afin d’obtenir un meilleur rendement global appareil, parce qu’il critique agit comme une couche bloquant les trous afin d’éviter tout contact direct entre la FTO et trou-transport matériaux
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par Daegu Gyeongbuk Institut de Science et technologie (DGIST) R & D des programmes du ministère des sciences et TIC, République de Corée (subventions no 18-ET-01 et 18-01-systémique-04).
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Alcool éthylique, pur, >99,5 | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| isopropoxyde de titane(IV) 97 % | Aldrich | 205273 | |
| Acide nitique, réactif ACS, 70 % | Sigma-Aldrich | 438073 | |
| Chlorure d’antimoine(III) | Sigma-Aldrich | 311375 | |
| Thiourea | Sigma-Aldrich | T7875 | |
| N, N-Diméthylformamide, anhydre, 99,8 % | Sigma-Aldrich | 227056 | |
| Pâte de TiO2 avec des particules de 50 nm | ShareChem | SC-HT040 | |
| Poly(3-hexylthiophène) | 1-Matériau | PH0148 | |
| Chlorobenzène | Sigma-Aldrich | 284513 | |
| FTO/verre (8 Ohmos/sq) | Pilkington | ||
| Spin coater | DONG AH TRADE CORP | ACE-200 | |
| Plaque chauffante | AS ONE Corporation | HHP-411 | |
| Boîte à gants | KIYON | KK-021AS | |
| NETTOYANT À L’OZONE UV | AHTECH LTS | AC-6 | |
| Four | WiseTherm | FP-14 | |
| Spectroscopie d’absorption UV/Vis | PerkinElmer | Lambda 750 | |
| Évaporateur multifonctionnel avec boîte à gants | DAEDONG HIGH TECHNOLOGIES | DDHT-SDP007 |
Références
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- 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).
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Réimpressions et autorisations
