Методическая статья

Ключевые факторы, влияющие на производительность Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей во время Sb2S3 осаждения через SbCl3-тиокарбамид сложные решения обработка

7.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58062

⸱

16 июля 2018 г.

 ,  ,  , 
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)

В этой статье

Краткое содержание

Эта работа представляет подробный экспериментальной процедуры для осаждения Sb2S3 мезопористых TiO2 слоя с помощью SbCl3-тиокарбамид комплексное решение для приложений в Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей. Эта статья также определяет ключевые факторы, регулирующие процесс осаждения.

Аннотация

SB2S3 рассматривается как один из новых света амортизаторы, которые могут быть применены для следующего поколения солнечных элементов из-за его уникальной оптических и электрических свойств. Недавно мы продемонстрировали свой потенциал как нового поколения солнечных элементов, достижение высокой эффективности фотоэлектрических > 6% в Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей, с помощью простой тиомочевины (ту)-на основе метода комплексное решение. Здесь мы описываем основные экспериментальные процедуры для осаждения Sb2S3 на слое (mp-TiO2) мезопористых TiO2 , используя комплексное решение - ту3SbCl в изготовление солнечных батарей. Во-первых, решение - ту3SbCl синтезируется растворения SbCl3 и ту в N, N- диметилформамид в различных соотношениях Молярная SbCl3: TU. Затем, решение откладывается на как подготовленные субстратов, состоящий из mp-TiO2/TiO2-блокировка слоя/F-легированных СНО2 стекла спин покрытием. Наконец, для формирования кристаллических Sb2S3, образцы отжигом в N2-заполнены перчаточного ящика при 300 ° C. Также обсуждаются последствия экспериментальной параметров на фотоэлектрических устройств производительность.

Введение

Халькогениды на основе сурьмы (Sb-Chs), включая Sb2S3, Sb2Se3, Sb2(S, Se)3и2CuSbS, считаются новых материалов, которые могут быть использованы в следующего поколения солнечных батарей1 ,2,3,4,5,6,,78. Однако фотоэлектрических устройств, основанный на Sb-Chs света амортизаторы еще не достигли 10% энергетической эффективности преобразования (PCE), обязаны продемонстрировать возможности коммерциализации.

Чтобы преодолеть эти ограничения, различные методы и методы были применены, например thioacetamide индуцированной обработка поверхности1, комнатной температуры осаждения метод4, атомно-слоевого осаждения техники2и использование Коллоидная точка квантовой точки6. Среди этих различных методов решения обработку на основе разложения химического Ванна выставлены высокой производительности1. Однако точный контроль химической реакции и после лечения требуются для достижения лучших производительности1,3.

Недавно, мы разработали простые решения обработки для высокопроизводительных Sb2S3-сенсибилизированных солнечных элементов с помощью SbCl3-тиомочевины (ту) комплексное решение3. С помощью этого метода, мы были в состоянии изготовить качества Sb2S3 с коэффициентом контролируемых Sb/S, который был применен к солнечной ячейки для достижения сопоставимых устройства производительности 6.4% PCE. Также мы смогли эффективно уменьшить время обработки, поскольку Sb2S3 было сфабриковано одноступенчатых осаждения.

В этой работе, мы описывают подробные экспериментальные процедуры для Sb2S3 осаждения на субстрат, состоящий из мезопористых TiO2 (mp-TiO2) / TiO2 блокирование слоя (TiO2- BL) / F-легированные (СНО)2 FTO) стекла для изготовления Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей через SbCl3- ту сложные решения обработки3. Кроме того три ключевые факторы, влияющие на фотоэлектрических производительность в процессе осаждения Sb по23 S были выявлены и обсуждены. Концепция метода легко может применяться к другим сенсибилизатор типа солнечные батареи, основанные на металлические сульфиды.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. синтез TiO2- BL раствора

  1. Готовить 2 прозрачные флаконы объемом 50 мл.
  2. Добавить 20 мл этанола в 1 флаконе (V1) и печать V1.
  3. Передать N2V1-заполнены перчаточный ящик с системой контролируемой влажности H2O уровня < 1 ppm.
  4. Добавить 1.225 мл из титана (IV) isopropoxide (TTIP) до V1 с помощью шприца с 0,45 мкм фильтром PVDF и осторожно перемешайте смесь для по крайней мере 30 минут.
    Примечание: Этот шаг должен выполняться в перчаточном ящике (или в условиях очень низкой влажности) поскольку TTIP очень чувствительна к влаге. Если TTIP решение не является прозрачным или белые осадки наблюдаются внутри решения, его не следует, потому что нежелательные реакции уже произошло внутри своего решения.
  5. В других подготовленных флакона (V2), добавьте 18 мкл HNO3 (70%), и 138 мкл H2O до 20 мл этанола с помощью микропипеткой и осторожно перемешайте смесь для по крайней мере 30 минут.
    Примечание: Этот шаг не выполняется в бардачок, потому что H2O используется.
  6. Смешать 2 решения, поливая V2 решения в решение V1 и размешать для более чем 2 h синтезировать прозрачный раствор - BL2TiO 0,1 М.
    Примечание: Окончательное решение должно быть прозрачным. Если решение не является прозрачным, resynthesize его до тех пор, пока получается прозрачный раствор. Успешно подготовлен TiO2- BL решения являются стабильными в течение нескольких дней в условиях влажности < 50%.

2. Синтез решений - ту3SbCl с различными SbCl3/Tu. молярное соотношение

Примечание: Синтез должны быть выполнены в перчаточном ящике из-за очень высокой чувствительностью SbCl3 к влаге.

  1. Подготовьте3 Стоковый раствор SbCl [1 ммоль SbCl3 в 1 мл N, N- диметилформамид (DMF)] внутри вещевого ящика. Например добавьте 6,486 g SbCl3 30 мл DMF для 32.2 мл Стоковый раствор.
  2. Добавьте нужное количество Стоковый раствор флакон, содержащий определенное количество ту синтезировать SbCl3- ту раствора с желаемой молярное соотношение SbCl3/TU. Например, предположим, что 2 Флаконы содержат 0,1 г ту, добавьте 0.9394 мл Стоковый раствор 1 флакон и 0.5637 мл в другой, чтобы синтезировать решения с SbCl3/Tu. соотношения 1/1,5 и 1/2.5, соответственно.

3. Подготовка субстрат, состоящий из mp-TiO2/TiO2- BL/FTO стекла

  1. Вымойте FTO-покрытием стекло (ИТО) 25 мм x 25 мм в ультразвуковой ванне с помощью ацетона 10 мин, после чего этанола.
    Примечание: Для изготовления фотоэлектрических устройств, используйте предварительно узорчатого стекла FTO, где полностью травления поверхности FTO 5-10 мм x 25 мм.
  2. Мгновенно сухой FTO стекла продувкой сжатым воздухом через образец.
  3. Лечить FTO стекла с УФ/O3 очиститель для 20 мин.
  4. Спиновые пальто этанола на FTO стекло при 5000 об/мин для 60 s.
  5. Сразу же спина пальто снова с приготовленный раствор - BL TiO2шага 3.4 на тех же условиях.
  6. Сухие FTO стекла для 2 мин, поместив его на разогретой поджарки при температуре 200 ° C.
  7. Повторите шаги 3.5 и 3.6 для получения TiO2- BL толщины.
  8. Депозит mp-TiO2 слоя на стекле - BL/FTO TiO2, с помощью метода печати экрана с TiO2 пасты (50 Нм TiO2 частицы) и маску полиэстер.
  9. Отжиг стекла mp-TiO2/TiO2- BL/Ито на 500 ° C в течение 30 мин.
  10. Окуните отожженная субстратов в прозрачный водный 40 мм TiCl4 решения после их охлаждения до комнатной температуры.
    Примечание: 40 мм TiCl4 раствор должен быть прозрачным. Если субстратов опускают в раствор4 TiCl прежде, чем они охлаждаются, они могут легко сломаться из-за разницы температуры между подложкой и решения.
  11. Передача субстратов в духовке при температуре 60 ° C и хранить их на 1 ч.
  12. Промойте субстратов несколько раз с теплой водой и сразу высушить воздухом blowingcompressed на них.
    Примечание: Для предотвращения любого крекинга субстратов, используйте теплую воду (около 60 ° C) когда полоскания.
  13. Отжиг субстратов снова на 500 ° C в течение 30 мин.

4. осаждения Sb2S3 на подложке mp-TiO2/TiO2- BL/FTO стекла

  1. Лечить субстратов с УФ/O3 чистых на 20 минут, чтобы очистить поверхность и их передачу в бардачок.
  2. Спиновые пальто ДМФ растворителя на подложках при 3000 об/мин за 60 s до спина, покрытие их раствором SbCl3- ту.
  3. Тепло как покрытием субстраты для 5 мин, поместив их на горячей плите при 150 ° C для частичного термического разложения и аморфной фазы формирования.
  4. Поместите образцы на разогретой поджарки при 300 ° C 10 мин для формирования кристаллической фазы.
  5. После охлаждения образцов до комнатной температуры, удалите их из вещевого ящика.

5. Изготовление Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей

  1. Добавить 15 мг poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 1 мл хлорбензол и осторожно перемешайте их до тех пор, пока получено четких красноватые решение.
  2. Спиновые хлорбензол пальто на Sb2S3-хранение субстрата при 3000 об/мин для 60 s.
  3. Сразу же спина пальто снова с приготовленный раствор P3HT на тех же условиях, как в шаге 5.2.
  4. Передача образцов в вакуумной камере испарителя.
  5. Залог 100 Нм золото с частотой 1,0 Å / s.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Рисунок 1 показывает схематическое представление экспериментальной процедуры для Sb2S3 осаждения на подложке mp-TiO2/TiO2- BL/FTO стекла. Рисунок 1 d показывает основные свойства и схема типичный продукт, изготовленный методом, описанным в настоящем документе. Основные рентгеновской дифракции (XRD) шаблон хорошо сочетается с что антимонит Sb2S3 структура

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

TiO2- BL, широко используется в качестве слоя дыра блокирует в солнечных элементов. Как показано на рисунке 2, большая разница наблюдалась в производительности устройства в зависимости от толщины - BL TiO2. Таким образом его толщина должна быть оптимизирована для получения лучших результатов общего устройства, потому что он критически действует как отверстие блокировка слоя для предотвращения любых прямых контактов между FTO и отверстие транспортировки материалов

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Дэгу Gyeongbuk институт науки и технологии (DGIST) R & D программы министерства науки и ИКТ, Республика Корея (гранты № 18-ET-01 и 18-01-HRSS-04).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Спирт этиловый, чистый, >99,5%Сигма-Олдрич459836
изопропоксид титана(IV) 97%Олдрич205273
Нитовая кислота, реагент ACS, 70%Сигма-Олдрич438073
хлорид сурьмы(III)Сигма-Олдрич311375
тиомочевиныСигма-ОлдричT7875
N, N-диметилформамид, безводный, 99,8%Сигма-Олдрич227056
Паста TiO2 с частицами 50 нмShareChemSC-HT040
Поли(3-гексилтиофен)1-материалPH0148
ХлорбензолSigma-Aldrich284513
FTO/стекло (8 Ом/кв.м)Pilkington
Spin CoaterDONG AH TRADE CORPACE-200
Горячая плитаAS ONE CorporationHHP-411
Перчаточный ящикKIYONKK-021AS
UV ОЗОН ОчистительAHTECH LTSAC-6
ПечьWiseThermFP-14
УФ/ВИД Абсорбционная спектроскопияPerkinElmerLambda 750
Многофункциональный испаритель с бардачкомDAEDONG HIGH TECHNOLOGIESDDHT-SDP007

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

SbCl3TiO2N2FTO

Похожие статьи