Methodenartikel

Belangrijke factoren die de prestaties van Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen tijdens een Sb2S3 afzetting via SbCl3-thioureum complexe oplossing-verwerking

7.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/58062

⸱

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 dit artikel

Samenvatting

Dit werk bevat een gedetailleerde experimentele procedure voor de afzetting van Sb2S3 op een mesoporous TiO2 laag met behulp van een SbCl3-thioureum complexe oplossing voor toepassingen in Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen. Dit artikel bepaalt ook sleutelfactoren bestuur van de depositie-proces.

Samenvatting

SB2S3 wordt beschouwd als een van de opkomende licht absorptieflessen die kunnen worden toegepast op de volgende-generatie zonnecellen wegens zijn unieke optische en elektrische eigenschappen. Onlangs, wij zijn potentieel als volgende-generatie zonnecellen aangetoond door het bereiken van een hoog fotovoltaïsche rendement > 6% in Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen met behulp van een eenvoudige thioureum (TU)-op basis van complexe oplossing methode. Hier beschrijven we de belangrijkste experimentele procedures voor de afzetting van Sb2S3 op een mesoporous TiO2 (mp-TiO2) laag met behulp van een complexe oplossing voor SbCl3- TU in de fabricage van zonnecellen. Ten eerste, de SbCl3- TU oplossing is gesynthetiseerd door ontbinding SbCl3 en TU in N, N- dimethylformamide op verschillende molaire ratio's voor SbCl3: TU. Vervolgens de oplossing wordt gestort op als voorbereide ondergronden bestaande uit mp-TiO2/TiO2-laag/F-doped SnO2 glas worden geblokkeerd door spin coating. Ten slotte vormen kristallijne Sb2S3, de monsters worden gegloeid in een N-2-gevuld handschoenenkastje bij 300 ° C. De gevolgen van de experimentele parameters voor de fotovoltaïsche Apparaatprestaties worden ook besproken.

Inleiding

Antimoon gebaseerde chalcogenides (Sb-Chs), met inbegrip van Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3en CuSbS2, worden beschouwd als opkomende materialen die kunnen worden gebruikt in volgende generatie zonnecellen1 ,2,3,4,5,6,7,8. Fotovoltaïsche apparaten op basis van Sb-Chs licht absorberende hebben de 10% energie conversie efficiency (PCE) vereist om aan te tonen van haalbaar commercialisering echter nog niet bereikt.

Deze beperkingen wilt opheffen, zijn diverse methoden en technieken toegepast, zoals een thioacetamide-geïnduceerde oppervlaktebehandeling1, een kamertemperatuur afzetting methode4, een atomische laag depositie techniek2en het gebruik van colloïdale dot quantum dots6. Tussen deze verschillende methoden tentoongesteld de oplossing-verwerking op basis van een chemische Bad decompositie de hoogste prestaties1. Een nauwkeurige controle van de chemische reactie en de nabehandeling zijn echter vereist om de beste prestaties1,3.

Onlangs, ontwikkelden we een eenvoudige oplossing-verwerking voor hoogwaardige Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen met behulp van een SbCl3-thioureum (TU) complexe oplossing3. Met behulp van deze methode, konden we een kwaliteit Sb2S3 met een gecontroleerde Sb/S-ratio, die is toegepast op een zonnecel te verwezenlijken van een vergelijkbare Apparaatprestaties van 6,4% fabriceren PCE. We konden ook effectief de verwerkingstijd te verkorten aangezien de Sb2S3 werd vervaardigd door een-voor-stapmodus afzetting.

In dit werk, beschrijven we de gedetailleerde experimentele procedure voor een Sb2S3 afzetting op de drager vervagen, bestaande uit mesoporous TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 blokkeren laag (TiO2- BL) / F-doped SnO2 () FTT) glas voor de fabrikatie van Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen via SbCl3- TU complexe oplossing-verwerking3. Bovendien waren de drie belangrijke factoren die de fotovoltaïsche prestaties in de loop van een Sb2S3 afzetting geïdentificeerd en besproken. Het concept van de methode kan gemakkelijk worden toegepast op andere sensibiliserende-type zonnecellen gebaseerd op metalen sulfiden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. synthese van de TiO2- BL-oplossing

  1. Bereiden van 2 transparante flesjes met een volume van 50 mL.
  2. Voeg 20 mL ethanol tot 1 ampul (V1) en verzegel V1.
  3. V1 overbrengen in een N-2-handschoenenkastje gevuld met een vocht-gecontroleerde systeem van een H2O-niveau van < 1 ppm.
  4. Voeg 1.225 mL van (IV) titaniumisopropoxide (TTIP) V1 met behulp van een spuit met een 0,45 µm PVDF filter en zachtjes roer het mengsel gedurende ten minste 30 minuten.
    Opmerking: Deze stap moet worden uitgevoerd in een handschoenenkastje (of zeer lage vochtigheidsgraad omstandigheden) Aangezien TTIP zeer gevoelig voor vocht is. Als het TTIP-oplossing niet transparant is of wit precipitaten zijn waargenomen in de oplossing, moet het niet worden gebruikt, omdat een ongewenste reactie al heeft plaatsgevonden binnen de oplossing.
  5. In de andere bereid flesje (V2), voeg 18 l HNO3 (70%) en 138 μL van H2O tot 20 mL ethanol met behulp van een micropipet en zachtjes roer het mengsel gedurende ten minste 30 minuten.
    Opmerking: Deze stap moet niet worden uitgevoerd in een handschoenenkastje, omdat H2O wordt gebruikt.
  6. Meng de 2 oplossingen door het gieten van de V2-oplossing in de oplossing van V1 en roer gedurende meer dan 2 uur voor het synthetiseren van de transparante 0.1 M TiO2- BL-oplossing.
    Opmerking: De uiteindelijke oplossing moet transparant zijn. Als de oplossing niet transparant is, resynthesize het tot een transparante oplossing wordt verkregen. Succesvol bereide TiO2- BL oplossingen zijn stabiel voor verscheidene dagen tot < 50% vochtigheid.

2. Samenvatting van de SbCl3- TU oplossingen met verschillende SbCl3/TU molaire verhoudingen

Opmerking: De synthese moet worden uitgevoerd in het handschoenenkastje vanwege de zeer hoge gevoeligheid van SbCl3 aan vocht.

  1. Bereiden de SbCl-3 -stockoplossing [1 mmol voor SbCl3 in 1 mL N, N- dimethylformamide (DMF)] in het handschoenenkastje. Bijvoorbeeld, voeg 6.486 g SbCl3 tot 30 mL DMF voor een 32.2 mL voorraadoplossing.
  2. Een juiste hoeveelheid voorraadoplossing toevoegen aan een flesje met een bepaalde hoeveelheid TU te synthetiseren de SbCl3- TU oplossing met de gewenste molaire verhouding SbCl3/TU. Stel bijvoorbeeld dat de 2 flesjes bevatten 0.1 g TU, 0.9394 mL van de stockoplossing één flacon en 0.5637 mL toevoegen naar de andere, voor het synthetiseren van oplossingen met SbCl3/TU verhoudingen van 1/1.5 en 1/2.5, respectievelijk.

3. bereiding van het substraat dat bestaat uit2mp-TiO2/TiO - BL/FTT glas

  1. Wassen van de FTO-gecoat glas (FTT glas) van 25 mm x 25 mm in het ultrasoonbad met aceton gedurende 10 minuten, gevolgd door ethanol.
    Opmerking: Om het fotovoltaïsche apparaat, gebruik vooraf gedessineerde FTT glas, waar het oppervlak van de FTO 5-10 x 25 mm volledig is geëtst.
  2. Direct droog het FTO glas door de samengeperste lucht waait over het monster.
  3. Behandelen van de FTO glas met een UV/O3 cleaner voor 20 min.
  4. Spin vacht ethanol op het glas van de FTO bij 5000 rpm voor 60 s.
  5. Onmiddellijk spin vacht weer met de bereide oplossing2- BL TiO onder dezelfde voorwaarden van stap 3.4.
  6. Het glas van de FTO gedurende 2 minuten drogen door deze te plaatsen op een voorverwarmde verwarmingsplaat bij 200 ° C.
  7. Herhaal stap 3.5 en 3.6 te verkrijgen van de gewenste TiO2- BL dikte.
  8. De mp-TiO2 laag op het TiO2- BL/FTT glas welke afdrukmethode scherm met TiO2 plakken (50 nm TiO2 deeltjes) en een polyester masker storten.
  9. Ontharden het mp-TiO2/TiO2- BL/FTT glas bij 500 ° C gedurende 30 min.
  10. Dompel de ontharde substraten in een transparante waterige 40 mM TiCl4 -oplossing na hen afkoelen tot kamertemperatuur.
    Opmerking: De 40 mM TiCl4 oplossing moet transparant zijn. Als de substraten worden ondergedompeld in de TiCl4 oplossing voordat ze zijn afgekoeld, kunnen ze gemakkelijk breken vanwege het grote temperatuurverschil tussen de ondergrond en de oplossing.
  11. De substraten overbrengen in een oven bij 60 ° C en bewaar ze voor 1 h.
  12. Spoel de substraten meerdere malen met warm water en droog ze direct door de blowingcompressed lucht op hen.
    Opmerking: Om te voorkomen dat eventuele scheuren van de substraten, gebruik warm water (ongeveer 60 ° C) wanneer spoelen.
  13. Ontharden de substraten weer bij 500 ° C gedurende 30 min.

4. de afzetting van Sb2S3 op het substraat van mp-TiO2/TiO2- BL/FTT glas

  1. Behandel de substraten met een UV/O3 reiniger voor 20 min te reinigen van het oppervlak, en hen overbrengen in het handschoenenkastje.
  2. Spin vacht DMF oplosmiddel op de ondergronden op 3000 rpm voor 60 s voorafgaand aan spin coating hen met de SbCl3- TU oplossing.
  3. Verwarm de als-gecoate ondergronden voor 5 min door ze te plaatsen op een hete plaat bij 150 ° C voor een gedeeltelijke thermische ontleding en de vorming van amorfe fase.
  4. Leg de monsters op een voorverwarmde warmhoudplaat bij 300 ° C gedurende 10 minuten voor de vorming van kristallijn fase.
  5. De monsters tot kamertemperatuur afkoelen en verwijderen uit het handschoenenkastje.

5. fabricage van Sb2S3-gesensibiliseerde zonnecellen

  1. Meng 15 mg poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 1 mL chloorbenzeen en roer ze voorzichtig totdat een duidelijk roodachtig oplossing wordt verkregen.
  2. Spin vacht chloorbenzeen op de Sb2S3-substraat gedeponeerd bij 3000 rpm voor 60 s.
  3. Onmiddellijk spin vacht weer met de bereide oplossing van het P3HT onder dezelfde voorwaarden als in de stap 5.2 gebruikt.
  4. Breng de monsters in een vacuuemcel van de verdamper.
  5. Storting 100 nm goud met een snelheid van 1.0 Å / s.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van de experimentele procedure voor de Sb-2S3 -afzetting op de drager vervagen van mp-TiO2/TiO2- BL/FTT glas. Figuur 1 d toont de basiseigenschappen en regeling van een typisch product gefabriceerd volgens de hierin beschreven methode. Het belangrijkste röntgendiffractie (XRD) patroon komt goed overeen met die van een stibniet Sb2S...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

TiO2- BL wordt op grote schaal gebruikt als een gat-blokkerende laag in zonne-cellen. Zoals blijkt uit Figuur 2, werd een groot verschil in de Apparaatprestaties afhankelijk van de dikte van TiO2- BL waargenomen. Daarom moet de dikte worden geoptimaliseerd om te verkrijgen van de beste algehele Apparaatprestaties, omdat het kritisch als een laag van gat-blokkeren fungeert om te voorkomen dat ieder rechtstreeks contact tussen FTO en gat-vervoer materialen

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door de Daegu Gyeongbuk Instituut voor wetenschap en technologie (DGIST) R & D-programma's van het ministerie van wetenschap en ICT, Republiek Korea (subsidies nr. 18-ET-01 en 18-01-HRSS-04).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Ethyl alcohol, Pure, >99.5%Sigma-Aldrich459836
Titanium(IV) isopropoxide 97%Aldrich205273
Nitic acid, ACS reagent, 70%Sigma-Aldrich438073
Antimony(III) chlorideSigma-Aldrich311375
ThioureaSigma-AldrichT7875
N,N-Dimethylformamide, anhydrous, 99.8%Sigma-Aldrich227056
TiO2 paste met 50 nm deeltjesShareChemSC-HT040
Poly(3-hexylthiophene)1-MaterialPH0148
ChlorobenzeneSigma-Aldrich284513
FTO/glas (8 Ohmos/sq)Pilkington
Spin coaterDONG AH TRADE CORPACE-200
Hot plateAS ONE CorporationHHP-411
HandschoenenboxKIYONKK-021AS
UV OZONE CleanerAHTECH LTSAC-6
ovenWiseThermFP-14
UV/Vis AbsorptiespectroscopiePerkinElmerLambda 750
Multifunctionele verdamper met handschoenenboxDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

SbCl3 TU complexoplossingdepositie van mesoporeuze TiO2spin coatingtechniekN2 uitgloeiprocesanalyse van fotovolta sche effici ntieblokkerende laag van titaandioxideFTO glassubstraatmolaire ratio thioureumantimontrichloride oplossing

Gerelateerde artikelen