Artigo de método

Principais fatores que afetam o desempenho do Sb2S3-sensibilizadas células solares durante um Sb2S3 deposição através de SbCl3-tioureia solução-processamento complexo

DOI:

10.3791/58062

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16 de julho de 2018

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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)

Neste artigo

Resumo

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Este trabalho fornece um procedimento experimental detalhado para a deposição de Sb2S3 em uma camada de mesoporos TiO2 usando um SbCl3-solução complexa de tioureia para aplicações em Sb2S3-sensibilizadas células solares. Este artigo também determina os fatores-chave que regem o processo de deposição.

Resumo

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SB2S3 é considerado como um dos absorventes de luz emergentes que podem ser aplicados para células solares de última geração por causa de suas propriedades ópticas e elétricas originais. Recentemente, nós demonstrou seu potencial como células solares de última geração, conseguindo uma alta eficiência fotovoltaica de > 6% em Sb2S3-sensibilizadas células solares usando uma simples tioureia (TU)-com base em método de solução complexa. Aqui, descrevemos os principais procedimentos experimentais para a deposição de Sb2S3 em uma camada de mesoporos TiO2 (mp-TiO2) usando uma solução complexa de SbCl3- TU na fabricação de células solares. Primeiro, a solução TU -3SbCl é sintetizada pela dissolução SbCl3 e TU em N, N- dimetilformamida em diferentes proporções molares de SbCl3: TU. Então, a solução é depositada em substratos preparados como consistindo de mp-TiO2/TiO2-bloqueando camada/F-dopado SnO2 vidro por revestimento de rotação. Finalmente, para formar o cristalino Sb2S3, as amostras são recozidas em um N2-encheu a caixa de luva a 300 ° C. Os efeitos dos parâmetros experimentais sobre o desempenho do dispositivo fotovoltaico também são discutidos.

Introdução

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Chalcogenides baseados em antimónio (Sb-Chs), incluindo Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3e CuSbS2, são considerados materiais emergentes que podem ser usados em células solares de última geração1 ,2,3,4,5,6,7,8. No entanto, dispositivos fotovoltaicos baseados em Sb-Chs absorventes de luz ainda não atingiram a eficiência de conversão de energia de 10% (PCE) necessária para demonstrar a comercialização viável.

Para superar essas limitações, vários métodos e técnicas que foram aplicadas, tais como um tratamento de superfície induzida por tioacetamida1, um método de deposição de temperatura4, uma técnica de deposição de camada atômica2e o uso de coloide ponto quântico pontos6. Entre esses vários métodos, o processamento de solução com base em uma decomposição de banho químico exibiu o mais alto desempenho1. No entanto, um controle preciso da reação química e o pós-tratamento são necessárias para alcançar o melhor desempenho de1,3.

Recentemente, desenvolvemos um solução simples-processamento de alto desempenho Sb2S3-sensibilizadas células solares usando uma SbCl3-solução complexa de tioureia (TU)3. Usando esse método, fomos capazes de fabricar uma qualidade Sb2S3 com uma relação controlada de Sb/S, que foi aplicada a uma célula solar para atingir um desempenho comparável dispositivo de 6,4% PCE. Também fomos capazes de efetivamente reduzir o tempo de processamento, uma vez que o Sb2S3 foi fabricado por uma deposição de etapa única.

Neste trabalho, descrevemos o procedimento experimental detalhado para um depoimento de3 2S Sb no substrato consistindo de mesoporos TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 camada de bloqueio (TiO2- BL) / F-dopado SnO2 ( Vidro FTO) para a fabricação de Sb2S3-sensibilizadas células solares através de SbCl3- TU complexo processamento de solução3. Além disso, três fatores-chave que afetam o desempenho fotovoltaico no decurso de uma deposição de3 Sb2S foram identificadas e discutidas. O conceito do método pode ser facilmente aplicado às outras células solares de sensibilizador-tipo com base em sulfetos metálicos.

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Protocolo

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1. síntese da solução TiO2- BL

  1. Prepare 2 frascos transparentes com um volume de 50 mL.
  2. Adicionar 20 mL de etanol a 1 frasco (V1) e selar V1.
  3. Transferência de V1 para um N2-cheio de porta-luvas com um sistema de umidade controlada de um H2O nível de < 1 ppm.
  4. Adicionar 1,225 mL de titânio (IV) isopropoxide (TTIP) v1 usando uma seringa com um filtro PVDF de 0,45 µm e suavemente agitar a mistura pelo menos 30 min.
    Nota: Esta etapa deve ser executada em uma caixa de luvas (ou em condições de umidade muito baixa) desde TTIP é altamente sensível à umidade. Se a solução TTIP não é transparente ou brancos precipitados são observados dentro da solução, isso não deve ser usado, porque já ocorreu uma reação indesejável dentro da solução.
  5. Os outros preparados ampola (V2), adicionar 18 μL de HNO3 (70%) e 138 μL de H2O a 20 mL de etanol utilizando uma micropipeta e agitar suavemente a mistura pelo menos 30 min.
    Nota: Este passo não deve ser executado em uma caixa de luva, porque H2O é usado.
  6. Misture as 2 soluções derramando a solução V2 em solução a V1 e mexa por mais de 2 h sintetizar a solução 0,1 M TiO2- BL transparente.
    Nota: A solução final deve ser transparente. Se a solução não é transparente, ressintetizá-lo até à obtenção de uma solução transparente. Preparado com sucesso TiO2- BL soluções são estáveis por vários dias em condições de umidade de < 50%.

2. síntese das soluções SbCl3- TU com várias SbCl /TU3relações Molar

Nota: A síntese deve ser realizada no porta luvas, por causa da sensibilidade muito alta de SbCl3 à umidade.

  1. Prepare a SbCl3 solução stock [1 mmol de SbCl3 em 1 mL de N, N- dimetilformamida (DMF)] no interior da caixa de luva. Por exemplo, adicione 6,486 g de SbCl3 a 30 mL de DMF para um 32,2 mL de solução.
  2. Adicionar uma quantidade apropriada de solução para um frasco contendo uma determinada quantidade de TU para sintetizar a solução TU -3SbCl com a desejada relação molar de SbCl3/TU. Por exemplo, suponha que o 2 frascos contêm 0,1 g de TU, adicionar 0,9394 mL da solução para um frasco e 0,5637 mL para o outro, para sintetizar soluções com SbCl3/TU rácios de 1,5/1 e 1/2.5, respectivamente.

3. preparação do substrato composto por mp-TiO2/TiO2- BL/FTO vidro

  1. Lave o vidro revestido FTO (FTO vidro) de 25 x 25 mm em um banho ultra-sônico com acetona por 10 min, seguido por etanol.
    Nota: Para fabricar o dispositivo fotovoltaico, use vidro FTO pre-modelado, onde a superfície FTO de 5-10 mm x 25 mm está totalmente gravada.
  2. Instantaneamente, seque o vidro FTO um jacto de ar comprimido da amostra.
  3. Trate o vidro FTO com um UV/O3 limpador por 20 min.
  4. Girar o casaco etanol no vidro FTO a 5.000 rpm por 60 s.
  5. Imediatamente gire casaco novamente com a solução preparada TiO2- BL sob as mesmas condições de passo 3.4.
  6. Seque o vidro FTO por 2 min, colocando-o em um prato quente pré-aquecido a 200 ° C.
  7. Repita as etapas de 3.5 e 3.6, para obter a espessura desejada da BL -2de TiO.
  8. Deposite a camada de2 mp-TiO no vidro - BL/FTO do TiO2usando o método de impressão de tela com TiO2 colar (50 nm TiO2 as partículas) e uma máscara de poliéster.
  9. Recoze o vidro mp-TiO2/TiO2- BL/FTO a 500 ° C por 30 min.
  10. Mergulhe os substratos recozidos em uma solução aquosa transparente de 40 milímetros TiCl4 após refrigerá-los à temperatura ambiente.
    Nota: Os 40 milímetros TiCl4 solução deve ser transparente. Se os substratos são mergulhados na solução TiCl4 antes de eles são resfriados, eles podem facilmente quebrar por causa da diferença de temperatura entre o substrato e a solução.
  11. Transferir os substratos para uma estufa a 60 ° C e armazená-los por 1h.
  12. Lave os substratos várias vezes com água morna e instantaneamente, seque-os por blowingcompressed ar neles.
    Nota: Para evitar qualquer quebra de substratos, usar água morna (aproximadamente 60 ° C) quando enxaguar.
  13. Recoze os substratos novamente a 500 ° C, por 30 min.

4. deposição de Sb2S3 no substrato de mp-TiO2/TiO2- BL/FTO vidro

  1. Tratar os substratos com um UV/O3 mais limpo por 20 min limpar a superfície e transferi-los para a caixa de luva.
  2. Girar o casaco solvente sobre os substratos a 3.000 rpm para 60 antes da s girar revestindo-os com a solução TU -3SbCl DMF.
  3. Aqueça os substratos revestidos como por 5 min, colocando-os num prato aquecido a 150 ° C, para uma decomposição térmica parcial e a formação de fase amorfa.
  4. Coloca as amostras em uma chapa quente pré-aquecido a 300 ° C por 10 min para a formação de fase cristalina.
  5. Após as amostras à temperatura de refrigeração, removê-los da caixa de luva.

5. fabricação de Sb2S3-sensibilizadas células solares

  1. Adicionar 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL de clorobenzeno e delicadamente agite-os até obter uma solução clara avermelhada.
  2. Girar o casaco clorobenzeno no Sb2S3-depositado o substrato a 3.000 rpm por 60 s.
  3. Imediatamente gire casaco novamente com a solução de P3HT preparada nas mesmas condições como usado na etapa 5.2.
  4. Transferi as amostras em uma câmara de vácuo do evaporador.
  5. Depósito 100 nm de ouro com uma taxa de 1,0 Å / s.

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Resultados

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A Figura 1 mostra uma representação esquemática do procedimento experimental para a deposição de3 2S Sb no substrato de vidro de - BL/FTO do mp-TiO2/TiO2. Figura 1 d mostra as propriedades básicas e esquema de um típico produto fabricado pelo método descrito neste documento. O padrão principal difração de raios x (XRD) é bem combinado com o de um stibnite Sb2S3 est...

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Discussão

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TiO2- BL é amplamente usada como uma camada de bloqueio de buraco em células solares. Como mostrado na Figura 2, observou-se uma grande diferença no desempenho dispositivo dependendo da espessura BL -2TiO. Portanto, sua espessura deve ser otimizada para obter o melhor desempenho global do dispositivo, porque criticamente atua como uma camada de orifício de bloqueio para evitar qualquer contacto directo entre FTO e buraco-transportando materiais11...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado pela Daegu Gyeongbuk Instituto de ciência e tecnologia (DGIST) R & D programas do Ministério da ciência e das TIC, República da Coreia (bolsas n º 18-ET-01 e 18-01-HRSS-04).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Álcool etílico, puro, >99,5%Sigma-Aldrich459836
isopropóxido de titânio (IV) 97%Aldrich205273
ácido nítico, reagente ACS, 70%Sigma-Aldrich438073
cloreto de antimônio (III)Sigma-Aldrich311375
TioureiaSigma-AldrichT7875
N, N-Dimetilformamida, anidro, 99,8%Sigma-Aldrich227056
pasta de TiO2 com partículas de 50 nmShareChemSC-HT040
Poli (3-hexiltiofeno)1-MaterialPH0148
ClorobenzenoSigma-Aldrich284513
FTO / vidro (8 Ohmos / sq)Pilkington
Spin coaterDONG AH TRADE CORPACE-200
Placa de aquecimentoAS ONE CorporationHHP-411
Porta-luvasKIYONKK-021AS
UV OZÔNIO LimpadorAHTECH LTSAC-6
FornoWiseThermFP-14
Espectroscopia de absorção UV/VisPerkinElmerLambda 750
Evaporador multifuncional com porta-luvasDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Referências

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