Articolo metodologico

Fattori che influenzano le prestazioni di Sb2S3chiave-sensibilizzato celle solari durante un Sb2S3 deposizione via SbCl3-soluzione-elaborazione complessa di tiourea

DOI:

10.3791/58062

⸱

16 luglio 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 questo articolo

Sommario

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Questo lavoro fornisce una dettagliata procedura sperimentale per la deposizione di Sb2S3 su un layer di mesoporosi TiO2 utilizzando un SbCl3-una soluzione complessa tiourea per applicazioni in Sb2S3-sensibilizzato le celle solari. Questo articolo determina inoltre i fattori chiave che regolano il processo di deposizione.

Abstract

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SB2S3 è considerato come uno degli assorbitori luce emergenti che possono essere applicati alle celle solari di nuova generazione grazie alle sue uniche proprietà ottiche ed elettriche. Recentemente, abbiamo dimostrato il suo potenziale come celle solari di nuova generazione con la realizzazione di un'elevata efficienza fotovoltaica di > 6% in Sb2S3-sensibilizzato celle solari utilizzando una semplice tiourea (TU)-basato su metodo di soluzione complessa. Qui, descriviamo le principali procedure sperimentali per la deposizione di Sb2S3 su uno strato di mesoporosi TiO2 (mp-TiO2) utilizzando una soluzione complessa di SbCl3- TU nella fabbricazione di celle solari. In primo luogo, la soluzione di - TU3SbCl è sintetizzata dissolvendo SbCl3 e TU in N, N- dimetilformammide a diversi rapporti molari di SbCl3: tu Quindi, la soluzione è depositata su substrati come preparato composto da mp-TiO2Espanola2-blocco livello/F-drogato SnO2 vetro di spin-coating. Infine, per formare cristallina Sb2S3, i campioni vengono ricotti in un N2-riempito portaoggetti a 300 ° C. Gli effetti dei parametri sperimentali sulle prestazioni dispositivo fotovoltaico inoltre sono discussi.

Introduzione

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Calcogenuri base di antimonio (Sb-Chs), tra cui Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3e CuSbS2, sono considerati materiali emergenti che possono essere utilizzati nelle celle solari di nuova generazione1 ,2,3,4,5,6,7,8. Tuttavia, dispositivi fotovoltaici basati su Sb-Chs assorbitori di luce non hanno ancora raggiunto l'efficienza di conversione di potenza del 10% (PCE) richiesto per dimostrare la commercializzazione fattibile.

Per superare queste limitazioni, vari metodi e le tecniche sono state applicate, come un trattamento di superficie indotta thioacetamide1, un metodo di deposizione temperatura4, una tecnica di deposizione strato atomico2e l'uso di colloide dot quantum dots6. Tra questi vari metodi, il soluzione-trattamento basato su una decomposizione chimica vasca hanno esibito le più alte prestazioni1. Tuttavia, un controllo preciso della reazione chimica e il post-trattamento sono necessari per ottenere le migliori prestazioni1,3.

Recentemente, abbiamo sviluppato una soluzione-elaborazione semplice per alte prestazioni Sb2S3-sensibilizzato celle solari utilizzando un SbCl3-tiourea (TU) complessa soluzione3. Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di fabbricare una qualità Sb2S3 con un rapporto di Sb/S controllato, che è stato applicato a una cella solare per ottenere prestazioni comparabili dispositivo del 6,4% PCE. Siamo stati anche in grado di ridurre efficacemente il tempo di elaborazione, poiché il Sb2S3 fu fabbricata da una deposizione di passo singolo.

In questo lavoro, descriviamo la procedura sperimentale dettagliata per una deposizione di3 2S Sb sul substrato costituito da mesoporosi TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 blocco strato (TiO2- BL) / F-drogati SnO2 ( Vetro FTO) per la fabbricazione di Sb2S3-sensibilizzato celle solari via SbCl3- TU complessa soluzione-trattamento3. Inoltre, tre fattori chiave che influenzano le prestazioni fotovoltaica nel corso di una deposizione di Sb2S3 sono stati identificati e discussi. Il concetto del metodo può essere facilmente applicato ad altre celle solari sensibilizzatore-tipo basate su solfuri del metallo.

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Protocollo

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1. Sintesi della soluzione TiO2- BL

  1. Preparare 2 flaconi trasparenti con un volume di 50 mL.
  2. Aggiungere 20 mL di etanolo per 1 fiala (V1) e sigillare V1.
  3. Trasferire un N2V1-riempito portaoggetti con un sistema di umidità controllato di H2O livello di < 1 ppm.
  4. Aggiungere mL 1,225 di titanio (IV) isopropossido (TTIP) a V1 utilizzando una siringa con un filtro da 0,45 µm di PVDF e delicatamente mescolare l'impasto per almeno 30 min.
    Nota: Questo passaggio deve essere eseguito in un vano portaoggetti (o in condizioni di umidità molto bassa) poiché TTIP è altamente sensibile all'umidità. Se la soluzione TTIP non è trasparente o bianchi precipitati sono osservati all'interno della soluzione, è consigliabile non utilizzarla, perché una reazione indesiderabile è già verificato all'interno della soluzione.
  5. In altri preparato flaconcino (V2), aggiungere 18 μL di HNO3 (70%) e 138 μL di H2O a 20 mL di etanolo mediante una micropipetta e mescolare delicatamente il composto per almeno 30 min.
    Nota: Questo passaggio non deve essere eseguito in un vano portaoggetti, perché H2O è usato.
  6. Mescolare le 2 soluzioni versando la soluzione V2 nella soluzione V1 e mescolare per più di 2 h di sintetizzare la soluzione trasparente 0,1 M TiO2- BL.
    Nota: La soluzione finale deve essere trasparente. Se la soluzione non è trasparente, si resynthesize fino ad ottenuta una soluzione trasparente. Preparato con successo soluzioni di TiO2- BL sono stabili per diversi giorni in condizioni di umidità del < 50%.

2. sintesi delle soluzioni SbCl3- TU con vari SbCl3/TU rapporti molari

Nota: La sintesi deve essere eseguita nel vano portaoggetti a causa della sensibilità molto alta di SbCl3 all'umidità.

  1. Preparare la soluzione stock di3 [1 mmol di SbCl3 in 1 mL di N, N- dimetilformammide (DMF)] di SbCl all'interno della scatola di guanto. Ad esempio, è possibile aggiungere 6,486 g di SbCl3 a 30 mL di DMF per un 32,2 mL di soluzione madre.
  2. Aggiungere una quantità adeguata di soluzione di riserva un flaconcino contenente una determinata quantità di TU di sintetizzare la soluzione di SbCl3- TU con il desiderato rapporto molare di SbCl3/TU. Si supponga, ad esempio, i 2 flaconcini contengono 0,1 g di TU, aggiungere 0,9394 mL della soluzione madre di un flaconcino e 0,5637 mL a altro, per sintetizzare soluzioni con SbCl3/TU rapporti di 1/1,5 e 1/2.5, rispettivamente.

3. preparazione del substrato costituito da mp-TiO2Espanola2- BL/FTO vetro

  1. Lavare il FTO-rivestito vetro (FTO) di 25 mm x 25 mm in un bagno ad ultrasuoni con acetone per 10 minuti, seguito da etanolo.
    Nota: Per fabbricare il dispositivo fotovoltaico, utilizzare vetro pre-modellato FTO, dove la superficie FTO di 5-10 mm x 25 mm completamente è inciso.
  2. Asciugare immediatamente il vetro FTO soffiando aria compressa sopra il campione.
  3. Trattare il vetro FTO con un UV/O3 pulitore per 20 min.
  4. Spin cappotto etanolo sul vetro FTO a 5.000 giri/min per 60 s.
  5. Immediatamente girare cappotto nuovo con la soluzione preparata di TiO2- BL alle stesse condizioni del punto 3.4.
  6. Asciugare il vetro FTO per 2 min collocandolo su un piatto caldo preriscaldato a 200 ° C.
  7. Ripetere i passaggi da 3.5 e 3.6 per ottenere lo spessore desiderato di TiO2- BL.
  8. Depositare il mp-TiO2 strato sul vetro - BL/FTO TiO2utilizzando il metodo di stampa schermo con TiO2 pasta (50 nm TiO2 le particelle) e una maschera di poliestere.
  9. Tempri il vetro - BL/FTO mp-TiO2Espanola2a 500 ° C per 30 min.
  10. Immergere i substrati ricotti in una soluzione acquosa trasparente 40mm TiCl4 dopo il loro raffreddamento a temperatura ambiente.
    Nota: Il 40mm TiCl4 soluzione deve essere trasparente. Se i substrati sono immersi nella soluzione TiCl4 prima si sono raffreddate, possono facilmente rompersi a causa della differenza di temperatura fra il substrato e la soluzione.
  11. Trasferire i substrati di un forno a 60 ° C e memorizzarli per 1 h.
  12. Sciacquare i substrati più volte con acqua tiepida e asciugarli immediatamente blowingcompressed aereo su di loro.
    Nota: Per evitare eventuali incrinature dei substrati, usare acqua calda (circa 60 ° C) quando risciacquo.
  13. Temprare i substrati nuovamente a 500 ° C per 30 min.

4. deposizione di Sb2S3 sul substrato di mp-TiO2Espanola2- BL/FTO vetro

  1. Trattare i substrati con un UV/O3 pulitore per 20 min pulire la superficie e trasferirli al portaoggetti.
  2. Girare il cappotto un solvente DMF sui substrati a 3.000 giri/min per 60 prima della s a girare con la soluzione di SbCl3- TU.
  3. Mettendoli su un piatto caldo a 150 ° C per una parziale decomposizione termica e la formazione di fase amorfa di calore i substrati come rivestite per 5 min.
  4. Posizionare i campioni su un piatto caldo preriscaldato a 300 ° C per 10 min per la formazione della fase cristallina.
  5. Dopo il raffreddamento i campioni a temperatura ambiente, rimuoverli dalla casella di guanto.

5. fabbricazione di Sb2S3-sensitized Solar Cells

  1. Aggiungere 15 mg di poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL di clorobenzene e mescolate delicatamente fino ad ottenuta una soluzione chiaro rossastra.
  2. Spin di clorobenzene cappotto sul Sb2S3-depositato il substrato a 3.000 giri/min per 60 s.
  3. Immediatamente girare cappotto nuovo con la soluzione preparata P3HT sotto le stesse condizioni usato al punto 5.2.
  4. Trasferire i campioni in una camera a vuoto dell'evaporatore.
  5. Deposita 100 nm oro con un tasso di 1.0 Å / s.

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Risultati

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La figura 1 Mostra una rappresentazione schematica delle procedure sperimentali per la deposizione di3 2S Sb sul substrato di vetro di mp-TiO2Espanola2- BL/FTO. D Figura 1 Mostra lo schema di un tipico prodotto fabbricato con il metodo descritto nel presente documento e le proprietà di base. Il modello principale diffrazione di raggi x (XRD) è ben abbinato con quello di un stibnite Sb

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Discussione

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TiO2- BL è ampiamente utilizzato come strato foro di blocco nelle celle solari. Come illustrato nella Figura 2, le prestazioni del dispositivo a seconda dello spessore di TiO2- BL è stata osservata una grande differenza. Pertanto, lo spessore dovrebbe essere ottimizzato per ottenere le migliori prestazioni del dispositivo generale, perché criticamente agisce come strato foro di blocco per impedire il contatto diretto tra FTO e foro-trasporto materiali1...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dal Daegu Gyeongbuk Istituto di scienza e tecnologia (DGIST) R & D programmi del Ministero della scienza e ICT, Repubblica di Corea (borse di studio n. 18-ET-01 e 18-01-HRSS-04).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Alcool etilico, puro, >99,5%Sigma-Aldrich459836
Titanio(IV) isopropossido 97%Aldrich205273
acido nitico, reagente ACS, 70%Sigma-Aldrich438073
ThioureaSigma-AldrichT7875
N, N-dimetilformammide, anidra, 99,8%Sigma-Aldrich227056
TiO2 pasta con particelle da 50 nmShareChemSC-HT040
Poli(3-esiltiofene)1-MaterialePH0148
ClorobenzeneSigma-Aldrich284513
FTO/vetro (8 Ohmos/sq)Pilkington
Spin coaterDONG AH TRADE CORPACE-200
Piastra riscaldanteAS ONE CorporationHHP-411
Scatola a guantiKIYONKK-021AS
UV OZONO CleanerAHTECH LTSAC-6
FornoWiseThermFP-14
Spettroscopia di assorbimento UV/VisPerkinElmerLambda 750
Evaporatore multifunzione con scatola a guantiDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007
cloruro di antimonio(III) Sigma-Aldrich 311375

Riferimenti

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  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).
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  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).
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