Trójskładnikowe cienkie warstwy "srebrowo-bizmutowo-jodowe" przetworzone w roztworze do bezołowiowych absorberów fotowoltaicznych

Ta metoda może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące sposobu wytwarzania trójskładnikowych półprzewodników srebrowo-bizmutowo-jodowych do przyjaznych dla środowiska cienkowarstwowych ogniw słonecznych i adaptacji aplikacji. Główną zaletą tej techniki jest wytwarzanie roztworu srebra, bizmutu i jodu, który jest następnie wykorzystywany jako bezołowiowy absorber fotowoltaiczny w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych o mikroskopijnej architekturze urządzenia. Technika ta ma potencjalne zastosowania w produkcji przyjaznych dla środowiska cienkowarstwowych ogniw słonecznych, ponieważ trójskładnikowe półprzewodniki srebrowo-bizmutowo-jodowe są bezołowiowymi, stabilnymi powietrzem absorberami fotowoltaicznymi.

Aby rozpocząć przygotowywanie roztworu prekursora do zwartych warstw dwutlenku tytanu, umieść 8 mililitrów bezwodnego etanolu w 20-mililitrowej szklanej fiolce i zacznij energicznie mieszać. Dodaj 0,74 mililitra izopropotlenku tytanu do mieszającego etanolu kroplami. A następnie szybko dodaj 0,06 mililitra stężonego kwasu solnego.

Mieszaj mieszaninę przez 12 do 24 godzin w temperaturze pokojowej, aby uzyskać roztwór prekursora. Następnie sonikować goły substrat FTO o wymiarach jeden cal na jeden cal przez 15 minut w 2% wodnym roztworze oktoksynolu-9, acetonu i alkoholu izopropylowego. Czyste podłoże suszyć w piekarniku w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez godzinę i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej na powietrzu.

Następnie zamocuj podłoże na uchwycie do powlekania wirowego. Napełnij strzykawkę o pojemności 1 mililitra lub 3 mililitrów kompaktowym roztworem prekursorowym warstwy dwutlenku tytanu i podłącz filtr strzykawkowy o długości 0,2 nanometra. Przefiltrować roztwór do małej fiolki.

Nałożyć 200 mikrolitrów przefiltrowanego roztworu prekursora na podłoże, aby całkowicie je pokryć. Wiruj podłoże z prędkością 3000 obr./min przez 30 sekund. Wyżarzaj folię w piekarniku w temperaturze 500 stopni Celsjusza przez godzinę.

Następnie wyłącz ogrzewanie i pozwól podłożu ostygnąć w powietrzu do temperatury pokojowej, co zwykle trwa około sześciu godzin. Następnie zanurzyć powlekane podłoże w wodnym roztworze czterochlorku tytanu o stężeniu 0,12 molowym. Namocz podłoże w piekarniku o temperaturze 70 stopni Celsjusza przez 30 minut.

Następnie dokładnie spłucz podłoże w wodzie dejonizowanej, aby usunąć resztki czterochlorku tytanu. Wyżarzaj folię w temperaturze 500 stopni Celsjusza przez godzinę, a następnie pozwól jej ostygnąć do temperatury pokojowej na powietrzu. Po ostygnięciu przechowuj kompaktowe podłoże pokryte dwutlenkiem tytanu pod gazowym azotem do późniejszego wykorzystania.

Aby rozpocząć przygotowywanie roztworu prekursora dla mezoporowatej warstwy nanocząstek dwutlenku tytanu w szklanej fiolce o pojemności 5 mililitrów, połącz 0,5 grama 50-nanometrowej pasty nanocząsteczkowej dwutlenku tytanu z 1,75 grama alkoholu izopropylowego i 0,5 grama terpineolu. Dodaj mieszadło do fiolki i mieszaj, aż pasta całkowicie się rozpuści. Zwykle trwa to około godziny.

Następnie utrwalić kompaktowe podłoże FTO pokryte dwutlenkiem tytanu na powlekarce wirowej i nanieść 200 mikrolitrów roztworu nanocząstek na powierzchnię podłoża. Wiruj podłoże z prędkością 5000 obr./min przez 30 sekund. Powlekane podłoże wyżarzać w piekarniku w temperaturze 500 stopni Celsjusza przez godzinę i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.

Następnie namocz podłoże w wodnym roztworze czterochlorku tytanu o stężeniu 0,12 molowym w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez 30 minut. Dokładnie spłucz podłoże wodą dejonizowaną. Wyżarzaj go w temperaturze 500 stopni Celsjusza przez godzinę i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej w powietrzu.

Podłoże pokryte zwartymi i mezoporowatymi warstwami dwutlenku tytanu należy przechowywać pod gazowym azotem do późniejszego wykorzystania. Aby rozpocząć przygotowywanie cienkich warstw jodobismuthatu srebra, heptajodyku dibizmutu srebra, w komorze rękawicowej wypełnionej azotem przy niskiej wilgotności połącz 0,3 grama jodku bizmutu-trzy, 0,06 grama jodku srebra i 3 mililitry n-butyloaminy. Energicznie wirować mieszaninę, aż ciała stałe w większości się rozpuszczą, a następnie strzykawką przefiltrować roztwór prekursora przez filtr politetrafluoroetylenowy o średnicy 0,2 mikrometra.

Następnie utrwal żądane podłoże na powlekarce wirowej i nałóż 200 mikrolitrów przefiltrowanego roztworu prekursora. Wiruj podłoże z prędkością 6000 obr./min przez 30 sekund. Umieść podłoże na płycie grzejnej i podgrzej je do 150 stopni Celsjusza.

Wyżarzaj folię w tej temperaturze przez 30 minut, a następnie szybko wyjmij ją z płyty grzejnej, aby ją ugasić. W schowku rękawicowym wypełnionym azotem wymieszaj 10 miligramów P3HT i 1 mililitr chlorobenzenu. Mieszaj mieszaninę w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez 30 minut, aby całkowicie rozpuścić P3HT, a następnie przefiltruj mieszaninę za pomocą filtra strzykawkowego z PTFE o średnicy 0,2 mikrometra.

Następnie utrwal podłoże FTO pokryte hepatiodkiem dibizmutu srebra na zwartym i mezoporowatym dwutlenku tytanu na powlekarce spinowej. Nanieść 100 mikrolitrów roztworu P3HT na podłoże i obtoczyć podłoże wirowo z prędkością 4000 obr./min lub 30 sekund. Wyżarzaj folię P3HT na płycie grzejnej podgrzanej do 130 stopni Celsjusza przez 10 minut.

Poczekaj, aż podłoże ostygnie do temperatury pokojowej w schowku na rękawiczki. Na koniec użyj parownika termicznego, aby osadzić 100 nanometrów złota z prędkością 0,5 angstrema na sekundę na podłożu, aby utworzyć górne złote styki ogniwa słonecznego. Tą metodą wyprodukowano trójskładnikowe cienkie warstwy srebra, 1:2, 1:1 i 2:1 stosunku molowego jodku srebra do jodku bizmutu-3 wynoszące 1:2, 1:1 i 2:1.

Film w skali 1:2 pokazywał pojedynczy pik pod kątem około 42 stopni, co wskazuje na sześcienną strukturę. Dla filmów 1:1 i 2:1 zaobserwowano rozszczepienie pików, co wskazuje na strukturę heksagonalną. Film 1:2 pochłaniał dłuższe fale niż film 2:1.

Co więcej, film 1:2 miał gładką powierzchnię z dużymi ziarnami, podczas gdy na filmie 2:1 obserwowano cząsteczki nadmiaru jodku srebra. Film w skali 1:2 został więc wybrany do dalszych badań. Dyfrakcja rentgenowska wykazała, że do całkowitej krystalizacji warstwy 1:2 w fazie sześciennej wymagana jest temperatura wyżarzania wynosząca 150 stopni Celsjusza.

Film utrzymywał się w powietrzu przez co najmniej 10 dni. Spektroskopie FTIR sugerowały, że resztkowa n-butyloamina pozostawała słabo skompleksowana z jodkiem bizmutu-3 i jodkiem srebra w niższych temperaturach wyżarzania, hamując tworzenie się bloków budulcowych srebro-bizmut-jod. Ziarna stawały się większe i gęściej upakowane wraz ze wzrostem temperatury wyżarzania.

Folie wyżarzane w temperaturze 150 stopni Celsjusza miały również najbardziej odpowiednie właściwości absorpcyjne do stosowania w ogniwach słonecznych. Ogólnie rzecz biorąc, warstwa heptaiodku dibizmutu srebra wyżarzona w temperaturze 150 stopni Celsjusza wykazała odpowiednie właściwości energetyczne do stosowania w ogniwach słonecznych. Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się cienkowarstwowymi ogniwami słonecznymi przetwarzanymi w roztworze do dalszego opracowywania metodologii trójskładnikowych półprzewodników srebrowo-bizmutowo-jodowych w zastosowaniach takich jak bezołowiowe i stabilne powietrzem cienkowarstwowe ogniwa słoneczne.

Próbując wykonać tę procedurę, możesz użyć kontrolowanej wilgotności poniżej 20% do wirowego powlekania podłoża roztworem prekursora srebra i jodu bizmutu. Jeśli wirujesz roztwór prekursora o wilgotności 30% lub wyższej, zobaczysz żółtawy kolor ze względu na wysoce reaktywny i fotograficzny Jeśli nie możesz kontrolować wilgotności w powlekarce wirowej, możesz wirować roztwór prekursora w komorze rękawicowej wypełnionej N. Należy jednak pamiętać, że po zakończeniu należy całkowicie wyczyścić schowek na rękawiczki.