Artykuł metodologiczny

Kluczowe czynniki wpływające na wydajność ogniw słonecznych uczulonych naSb 2S 3 podczas osadzania Sb2S 3 za pomocą SbCl Przetwarzanie roztworu kompleksu 3-tiomocznika

7.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58062

⸱

16 lipca 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)

W tym artykule

Podsumowanie

Ta praca dostarcza szczegółowej procedury eksperymentalnej do osadzania Sb2S3 na mezoporowatej warstwie TiO2 przy użyciu roztworu kompleksu 3-tiomocznika SbCl do zastosowań w ogniwach słonecznych uczulonych na Sb2S 3. W artykule tym określono również kluczowe czynniki rządzące procesem osadzania.

Streszczenie

Sb2S3 jest uważany za jeden z nowych absorberów światła, które mogą być stosowane w ogniwach słonecznych nowej generacji ze względu na jego unikalne właściwości optyczne i elektryczne. Niedawno wykazaliśmy jego potencjał jako ogniw słonecznych nowej generacji, osiągając wysoką sprawność fotowoltaiczną wynoszącą > 6% w ogniwach słonecznych uczulonychSb 2S3 przy użyciu prostej metody złożonego roztworu na bazie tiomocznika (TU). W tym miejscu opisujemy kluczowe procedury eksperymentalne osadzania Sb2S3 na mezoporowatej warstwie TiO2 (mp-TiO2) przy użyciu złożonego roztworu SbCl3-TU w produkcji ogniw słonecznych. Najpierw roztwór SbCl3-TU jest syntetyzowany przez rozpuszczenie SbCl3 i TU w N,N-dimetyloformamidzie przy różnych proporcjach molowych SbCl3:TU. Następnie roztwór osadza się na przygotowanych podłożach składających się z warstwy blokującej mp-TiO2/TiO2/szkła SnO2 domieszkowanego F metodą powlekania wirowego. Na koniec, w celu wytworzenia krystalicznegoSb 2S3, próbki są wyżarzane w komorze rękawicowej wypełnionej N2 w temperaturze 300 °C. Omówiono również wpływ parametrów eksperymentalnych na wydajność urządzenia fotowoltaicznego.

Wprowadzenie

chalkogenki na bazie antymonu (Sb-Chs), w tym Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S,Se)3 i CuSbS2, są uważane za nowe materiały, które mogą być używane w ogniwach słonecznych nowej generacji1,2,3,4,5,6,7,8. Jednak urządzenia fotowoltaiczne oparte na absorberach światła Sb-Chs nie osiągnęły jeszcze 10% sprawności konwersji energii (PCE) wymaganej do wykazania wykonalnej komercjalizacji.

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, zastosowano różne metody i techniki, takie jak obróbka powierzchni wywołana tioacetamidem1, metoda osadzania w temperaturze pokojowej4, technika osadzania warstw atomowych2, oraz użycie kropek kwantowych z kropkami koloidowymi6. Spośród tych różnych metod, przetwarzanie roztworu oparte na rozkładzie w kąpieli chemicznej wykazało najwyższą wydajność1. Jednak dokładna kontrola reakcji chemicznej i obróbki końcowej jest wymagana w celu osiągnięcia najlepszej wydajności1,3.

Ostatnio opracowaliśmy proste przetwarzanie roztworu dla wysokowydajnych ogniw słonecznych Sb2S 3-sensybilizowanych przy użyciu złożonego roztworu SbCl3-tiomocznika (TU)3. Korzystając z tej metody, byliśmy w stanie wyprodukować wysokiej jakości Sb2S3 z kontrolowanym stosunkiem Sb/S, który został zastosowany do ogniwa słonecznego, aby osiągnąć porównywalną wydajność urządzenia na poziomie 6,4% PCE. Udało nam się również skutecznie skrócić czas obróbki, ponieważ Sb2S3 został wyprodukowany w jednym kroku osadzania.

W tej pracy opisujemy szczegółową procedurę eksperymentalną dla osadzania Sb2S3 na podłożu składającym się z mezoporowatego szkła blokującego TiO2 (mp-TiO2)/TiO2 (TiO 2-BL)/F domieszkowanego SnO2 (FTO) do wytwarzania ogniw słonecznych Sb2S3-sensybilizowanych za pomocą SbCl3-TU complex solution-processing3. Ponadto zidentyfikowano i omówiono trzy kluczowe czynniki wpływające na wydajność fotowoltaiki w trakcie osadzaniaSb 2S3. Koncepcja tej metody może być z łatwością zastosowana do innych ogniw słonecznych typu sensybilizatora opartych na siarczkach metali.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza roztworu TiO2-BL

  1. Przygotować 2 przezroczyste fiolki o objętości 50 ml.
  2. Dodać 20 ml etanolu do 1 fiolki (V1) i zamknąć V1.
  3. Przenieść V1 do komory rękawicowej wypełnionejN2 z systemem kontroli wilgotności o poziomieH2O< 1 ppm.
  4. Dodać 1,225 ml izoproptlenku tytanu (IV) (TTIP) do V1 za pomocą strzykawki z filtrem PVDF 0,45 μm i delikatnie mieszać mieszaninę przez co najmniej 30 min.
    UWAGA: Ten krok należy wykonać w komorze rękawicowej (lub w warunkach bardzo niskiej wilgotności), ponieważ TTIP jest bardzo wrażliwy na wilgoć. Jeśli roztwór TTIP nie jest przezroczysty lub wewnątrz roztworu obserwuje się białe osady, nie należy go stosować, ponieważ wewnątrz roztworu wystąpiła już niepożądana reakcja.
  5. Do drugiej przygotowanej fiolki (V2) dodać 18 μl HNO3 (70%) i 138 μlH2Odo 20 ml etanolu za pomocą mikropipety i delikatnie mieszać mieszaninę przez co najmniej 30 min.
    UWAGA: Tego kroku nie wolno wykonywać w schowku na rękawiczki, ponieważ używany jestH2O.
  6. Wymieszaj 2 roztwory, wlewając roztwór V2 do roztworu V1 i mieszaj przez ponad 2 godziny, aby zsyntetyzować przezroczysty 0,1 M roztwór TiO2-BL.
    UWAGA: Ostateczne rozwiązanie musi być przezroczyste. Jeśli roztwór nie jest przezroczysty, należy go ponownie zsyntetyzować, aż do uzyskania przezroczystego roztworu. Pomyślnie przygotowane roztwory TiO2-BL są stabilne przez kilka dni w warunkach wilgotności < 50%.

2. Synteza roztworówSbCl 3-TU z różnymi stosunkami molowymi SbCl3/TU

UWAGA: Synteza musi być przeprowadzona w komorze rękawicowej ze względu na bardzo wysoką wrażliwość SbCl3 na wilgoć.

  1. Przygotować roztwór podstawowy SbCl3 [1 mmol SbCl3 w 1 ml N,N-dimetyloformamidu (DMF)] w schowku rękawicowym. Na przykład dodaj 6,486 g SbCl3 do 30 ml DMF, aby uzyskać 32,2 ml roztworu podstawowego.
  2. Dodać odpowiednią ilość roztworu podstawowego do fiolki zawierającej określoną ilość TU w celu syntezy roztworu SbCl3-TU o pożądanym stosunku molowym SbCl3/TU. Na przykład, załóżmy, że każda z 2 fiolek zawiera 0,1 g TU, dodaj 0,9394 ml roztworu podstawowego do jednej fiolki i 0,5637 ml do drugiej, aby zsyntetyzować roztwory o proporcjach SbCl3/TU wynoszących odpowiednio 1/1,5 i 1/2,5.

3. Przygotowanie podłoża składającego się ze szkła mp-TiO2/TiO2-BL/FTO

  1. Umyć szkło powlekane FTO (szkło FTO) o wymiarach 25 mm x 25 mm w kąpieli ultradźwiękowej z acetonem przez 10 minut, a następnie etanolem.
    UWAGA: Do produkcji urządzenia fotowoltaicznego należy użyć wstępnie wzorzystego szkła FTO, w którym powierzchnia FTO o wymiarach 5 - 10 mm x 25 mm jest całkowicie wytrawiona.
  2. Natychmiast wysuszyć szkło FTO, wdmuchując sprężone powietrze na próbkę.
  3. Szkło FTO należy czyścić środkiem czyszczącym UV/O3 przez 20 minut.
  4. Wiruj etanol na szybie FTO z prędkością 5 000 obr./min przez 60 s.
  5. Natychmiast ponownie odwirować warstwę przygotowanego roztworu TiO2-BL w tych samych warunkach, co w kroku 3.4.
  6. Suszyć szklankę FTO przez 2 minuty, umieszczając ją na rozgrzanej płycie grzejnej w temperaturze 200 °C.
  7. Powtórz kroki 3.5 i 3.6, aby uzyskać żądaną grubość TiO2-BL.
  8. Warstwę mp-TiO2 nanieść na szkło TiO2-BL/FTO metodą sitodruku z pastą TiO2 (cząstki TiO2 50 nm) i maską poliestrową.
  9. Wyżarzać szkło mp-TiO2/TiO2-BL/FTO w temperaturze 500 °C przez 30 min.
  10. Zanurzyć wyżarzone podłoża w przezroczystym wodnym roztworze TiCl4 o stężeniu 40 mM po schłodzeniu do temperatury pokojowej.
    UWAGA: Roztwór TiCl4 o stężeniu 40 mM musi być przezroczysty. Jeśli podłoża zostaną zanurzone w roztworze TiCl4 przed schłodzeniem, mogą łatwo pęknąć z powodu dużej różnicy temperatur między substratem a roztworem.
  11. Przenieść podłoża do pieca w temperaturze 60 °C i przechowywać je przez 1 godzinę.
  12. Podłoża należy kilkakrotnie spłukać ciepłą wodą i natychmiast wysuszyć, na nie sprężonym powietrzem.
    UWAGA: Aby zapobiec pękaniu podłoży, podczas płukania należy używać ciepłej wody (około 60 °C).
  13. Ponownie wyżarzać podłoża w temperaturze 500 °C przez 30 min.

4. Osadzanie Sb2S3 na podłożu szkła mp-TiO2/TiO2-BL/FTO

  1. Podłoża należy potraktować środkiem czyszczącym UV/O3 przez 20 minut, aby oczyścić powierzchnię, a następnie przenieść je do schowka na rękawiczki.
  2. Wirować rozpuszczalnik DMF na podłożach z prędkością 3 000 obr./min przez 60 s przed wirowaniem pokryć je roztworem SbCl3-Tu.
  3. Podłoża w stanie surowym podgrzewać przez 5 minut, umieszczając je na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C w celu częściowego rozkładu termicznego i powstania fazy amorficznej.
  4. Umieścić próbki na wstępnie podgrzanej płycie grzejnej w temperaturze 300 °C na 10 minut w celu wytworzenia fazy krystalicznej.
  5. Po schłodzeniu próbek do temperatury pokojowej wyjąć je ze schowka na rękawiczki.

5. Produkcja ogniw słonecznych Sb2S 3-czułych

  1. Dodać 15 mg poli(3-heksylotiofenu) (P3HT) do 1 ml chlorobenzenu i delikatnie mieszać, aż do uzyskania klarownego czerwonawego roztworu.
  2. Wirowanie chlorobenzenu na podłożu osadzonym w Sb2S 3 z prędkością 3 000 obr./min przez 60 s.
  3. Natychmiast ponownie odwirować warstwę przygotowanego roztworu P3HT w takich samych warunkach, jak w kroku 5.2.
  4. Przenieść próbki do komory próżniowej parownika.
  5. Zdeponuj 100 nm złota po kursie 1,0 A/s.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia schematyczną reprezentację procedury eksperymentalnej dla osadzania Sb2S3 na podłożu ze szkła mp-TiO2/TiO2-BL/FTO. Rysunek 1d przedstawia podstawowe właściwości i schemat typowego produktu wykonanego metodą opisaną w niniejszej pracy. Główny dyfraktogram rentgenowski (XRD) dobrze odpowiada strukturze stibnitu Sb2S31

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

TiO2-BL jest szeroko stosowany jako warstwa blokująca otwory w ogniwach słonecznych. Jak pokazano na rysunku 2, zaobserwowano dużą różnicę w wydajności urządzenia w zależności od grubości TiO2-BL. W związku z tym jego grubość powinna być zoptymalizowana, aby uzyskać najlepszą ogólną wydajność urządzenia, ponieważ krytycznie działa jako warstwa blokująca otwory, zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi między FTO a materiałami transportującymi otwory11

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez programy badawczo-rozwojowe Instytutu Nauki i Technologii Daegu Gyeongbuk (DGIST) Ministerstwa Nauki i Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych Republiki Korei (granty nr 18-ET-01 i 18-01-HRSS-04).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Alkohol etylowy, czysty, >99,5%Sigma-Aldrich459836
Izoproptlenek tytanu(IV) 97%Aldrich205273
Kwas nitynowy, odczynnik ACS, 70%Sigma-Aldrich438073
Chlorek antymonu(III)Sigma-Aldrich 311375
TiomocznikSigma-AldrichT7875
N, N-dimetyloformamid, bezwodny, 99,8%Sigma-Aldrich227056
Pasta TiO2 z cząstkami o długości fali 50 nmShareChemSC-HT040
Poli(3-heksylotiofen)1-materiałPH0148
ChlorobenzenSigma-Aldrich284513
FTO/szkło (8 Ohmos/sq)Pilkington
Spin coaterDONG AH TRADE CORPACE-200
Płyta grzejnaAS ONE CorporationHHP-411
Schowek na rękawiczkiKIYONKK-021AS
ŚRODEK CZYSZCZĄCY DO OZONU UVAHTECH LTSAC-6
PiecWiseThermFP-14
UV/Vis Spektroskopia absorpcyjnaPerkinElmerLambda 750
Parownik wielofunkcyjny ze schowkiem na rękawiceDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

roztw r kompleksu SbCl3 TUosadzanie mezoporowatego TiO2technika spin coatinguproces wy arzania w atmosferze N2analiza wydajno ci fotowoltaicznejblokuj ca warstwa dwutlenku tytanupod o e ze szk a FTOstosunek molowy tiomocznikaroztw r tr jchlorku antymonu

Powiązane artykuły