JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Tam Çözüm İşlenmiş İnorganik nanokristal Fotovoltaik Cihazlarının İmalatı

Published: July 08, 2016
doi:
10.3791/54154
, , , , ,
1Department of Chemistry and Biochemistry,St. Mary’s College of Maryland, 2Department of Chemistry,U.S. Naval Academy, 3NSWC Indian Head EOD Technology Division, 4Electronics and Devices Division,Naval Research Laboratory

Summary

Bu protokol, iletken olmayan yüzeyler üzerinde ince film elektronik üretmek için tabaka inorganik nano-kristalin tabakasının sentezi ve çözelti depozisyonunu tarif etmektedir. Solvent stabilize mürekkepler sonrası birikimi ligand değişimi ve sinterleme aşağıdaki spin ve sprey kaplama yoluyla cam yüzeylerde tam fotovoltaik cihazlarını üretebilir.

Abstract

Bir dönüş tamamen çözelti, işlenmiş inorganik güneş hücrelerinin hazırlanması için bir yöntemi göstermektedir ve nanokristal mürekkepleri kaplama birikmesini püskürtün. fotoaktif soğurucu katman, kolloidal CdTe ve CdSe nanokristaller (3-5 nm) için inert sıcak enjeksiyon tekniği kullanılarak sentezlenir ve aşırı başlangıç ​​reaktifleri kaldırmak için yağış ile temizlenmelidir. Benzer şekilde, altın nanokristaller (3-5 mil) çevre koşulları altında sentezlenir ve organik çözücü maddeler içinde çözülür. Buna ek olarak, şeffaf iletken bir indiyum kalay oksit (İTO) filmler için prekürsör çözeltilerinde reaktif oksitleyici ile eşleştirilmiş indiyum ve kalay tuzlarının çözeltileri hazırlanır. Katman-katman, bu çözümler nanokristal güneş pili (cam / İTO / CdSe / CdTe / Au) oluşturmak için tavlama (200-400 ° C), aşağıdaki bir taban madde üzerine yatırılır. Ön tavlama ligand değişimi filmleri NH4CI batırılmış olan CdSe ve CdTe nanokristalleri için gereklidir: uzun zincirli yerli liga yerine metanolanyonların – küçük inorganik Cl ile nds. NH4CI (ler), ısıtma sırasında tane büyümesini (136 ± 39 nm) gelen (konvansiyonel CDCh 2 (S) tedaviye toksik olmayan bir alternatif olarak), sinterleme reaksiyonu için bir katalizör olarak hareket etmek bulunmuştur. Hazırlanan filmlerin kalınlığı ve pürüzlülük SEM ve optik profilometre ile karakterizedir. FTIR sinterleme önce ligand değiş-tokuşu derecesini belirlemek için kullanılır ve XRD her malzemenin kristal ve faz kontrol etmek için kullanılır. İTO katmanı ve termal tavlama sonrası kadmiyum kalkojenit Nanokristallerin absorbans kırmızı vardiya ile UV / Vis spektrumları göstermek yüksek görünür ışık iletimi. tamamlanan cihazların akım-gerilim eğrileri simüle bir güneş aydınlatma altında ölçülür. çöktürme teknikleri ve ligand değişimi sırasında kullanılan reaktifler Küçük farklılıklar cihaz özellikleri üzerinde derin bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Burada, kemi etkilerini incelemekcal (sinterleme ve ligand değişimi ajanlar) ve fotovoltaik cihaz performansı üzerindeki fiziksel tedaviler (çözelti konsantrasyon, sprey basıncı, tavlama süresi ve tavlama sıcaklığı).

Introduction

Nedeniyle kendi benzersiz gelişmekte olan özellikleri, inorganik nanokristal mürekkepleri Fotovoltaik, 1 de dahil olmak üzere elektronik cihazların geniş bir yelpazede uygulama bulduk -. 6 ışık yayan diyotlar, 7, 8 kapasitörler 9 ve transistörlerin 10 mükemmel elektronik kombinasyonu nedeniyle ve inorganik maddeler ve nano ölçekte çözüm uyumluluğu optik özellikleri. Dökme inorganik malzemeler tipik olarak çözünebilir değildir ve bu nedenle, yüksek sıcaklık, düşük basınç vakum birikintilerinin sınırlıdır. bir organik ligand kabuk ile nano hazırlanan, ancak, bu malzemeler, organik çözücüler içinde dağıtılmış ve çözeltiden çökelmiştir edilebilir (düşme, DIP, bunların yan, püskürtmeyi kaplama). Da mümkündür niş uygulamaları genişletirken elektronik cihazlarla kat büyük ve düzensiz yüzeylere Bu özgürlük bu teknolojilerin maliyetini düşürür. 6, 11 </sup> 12

Kadmiyum (II) tellür (CdTe), kadmiyum (II) selenid (CdSe), kadmiyum (II) sülfat (CD) ve çinko oksit çözeltisinin işlenmesi (ZnO), inorganik yarı-iletken, aktif tabakalar verimleri (ƞ) ulaşan fotovoltaik cihazları yol açmıştır metal CdTe Schottky birleşim CdTe / AI (ƞ = 5.15%) 13, 14 ve hetero CD / CdTe (ƞ = 5.73%), 15 CdSe / CdTe (ƞ =% 3.02), 16, 17 ZnO / CdTe (ƞ = 7.1 %,% 12). 18, dökme CdTe cihazların vakum biriktirme aksine 19, bu nanokristal filmler doğal ve film ile etkin elektron taşıma yasaklayan uzun zincirli organik ligandlar yalıtım kaldırmak için ligand değişimi aşağıdaki birikmesini geçmesi gerekmektedir. Ayrıca, CD (S, Se, Te) sinterleme uygun bir tuzu katalizörü varlığında, ısıtma sırasında gerçekleştirilmelidir. Son zamanlarda, bu f edildimetanol çözeltiler. ound bu, toksik olmayan amonyum klorür (NH4CI) NH4CI çökelmiş nano-kristal filmini daldırma ile yaygın olarak kullanılan kadmiyum (II) klorid için bir yedek olarak, bu amaç için (CDCh 2) 20 kullanılabilir ligand değiş tokuş reaksiyonu ısıyla harekete geçen NH4CI sinterleme katalizöre maruz ile eş zamanlı olarak meydana gelir. Bu hazırlanan filmler foto-aktif tabakaların istenen kalınlığı oluşturmak için bir katman-katman ısıtılır. 21

Saydam iletken filmler son gelişmeler (Metal nanotellerdir grafen, karbon nanotüpleri yanma işleme indiyum kalay oksit) ve iletken metal nanokristal mürekkepleri rasgele olarak iletken olmayan yüzeyler üzerine inşa edilmiş esnek ya da kavisli elektronik imalatına yol açmıştır. 22, 23, bu sunumda biz aktif katmanları (CdTe ve CdSe nanokristaller) dahil olmak üzere her habercisi mürekkep çözeltisinin hazırlanmasını göstermek, transpaİşte oksit elektrot (yani, indiyum katkılı kalay oksit, İTO) ve bir çözüm sürecinin tamamen tamamlanmış bir inorganik güneş pili oluşturmak için arka metal kontak. 24 iletken kira, biz iletken olmayan sprey süreci ve cihaz katman desenlendirme mimarilerini vurgulamak bardak. Bu ayrıntılı video protokolü tasarımı ve yapı çözümü işlenen güneş pilleri olan araştırmacılar yardımcı olmak üzere tasarlanmıştır; Ancak, burada tarif edilen aynı teknikler elektronik cihazların geniş için de geçerlidir.

Protocol

Not: Kullanmadan önce ilgili tüm malzemeler güvenlik bilgi formları (MSDS) danışın. haberci çözümleri ve ürünleri birçok tehlikeli ya da kanserojendir. Özel önem onların toplu muadillerine göre doğmaktadır benzersiz güvenlik kaygıları nedeniyle nanomalzemeler yönelik olmalıdır. Uygun koruyucu donanım, bu işlem sırasında her zaman (koruyucu gözlük, yüz siperi, eldiven, laboratuvar önlüğü, uzun pantolon ve kapalı parmaklı ayakkabı) giyilmelidir. Nanokristal…

Representative Results

Küçük açılı X-ışını kırınım desenleri tavlanmış nano-kristal film (Şekil 1A) 'nin kristalliği ve faz kontrol etmek için kullanılır. kristalit boyutları 100 nm altında ise, kristal çapı Scherrer denklemi ile (Eq. 1) tahmin ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile kontrol edilebilir, D ortalama kristalit çapıdır, K malzeme boyutsuz şekil faktörü, β Bragg açısı İçeride ISTV mele…

Discussion

Özetle, bu protokol bir püskürtmeyi veya spin-kaplama birikimi elektronik cihaz işlenen bir çözüm bina ile ilgili önemli adımlar yönergeleri sağlar. Burada, iletken olmayan cam yüzeyler üzerine çözüm işleme saydam iletken indiyum kalay oksit (İTO) filmler için yeni yöntemler vurgulayın. , basit bir aşındırma işlemi sonrası, tek tek elektrotlar püskürtülerek bırakılması foto-aktif tabakalar önce oluşturulabilir. katman-katman tekniği kullanarak, CdSe ve CdTe nanokristaller, hava tabanca…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The Office of Naval Research (ONR) is gratefully acknowledged for financial support. A portion of this work was conducted while Professor Townsend held a National Research Council (NRC) Postdoctoral Fellowship at the Naval Research Laboratory and is grateful for internal support from St. Mary’s College of Maryland.

Materials

Oleic acid, 90% Sigma Aldrich 364525
1-octadecene, 90% Sigma Aldrich O806 Technical grade
Trioctylphosphine (TOP), 90% Sigma Aldrich 117854 Air sensitive
Trimethylsilyl chloride, 99.9% Sigma Aldrich 92360 Air and water sensitive
Se, 99.5+% Sigma Aldrich 209651
NH4Cl, 99% Sigma Aldrich 9718
CdCl2, 99.9% Sigma Aldrich 202908 Highly toxic
CdO, 99.99% Strem 202894 Highly toxic
Te, 99.8% Strem 264865
In(NO3)3.2.85H2O, 99.99% Sigma Aldrich 326127-50G
SnCl2.2H2O, 99.9% Sigma Aldrich 431508
NH4OH Sigma Aldrich 320145 Caustic
NH4NO3, 99% Sigma Aldrich A9642
HAuCl4.3H2O, 99.9% Sigma Aldrich 520918
Tetraoctylammonium bromide (TMA-Br) Sigma Aldrich 294136
Toluene, 99.8% Sigma Aldrich 244511
Hexanethiol, 95% Sigma Aldrich 234192
NaBH4, 96% Sigma Aldrich 71320
Hexanes, 98.5% Sigma Aldrich 650544
Ethanol, 99.5% Sigma Aldrich 459844
Methanol, anhydrous, 99.8% Sigma Aldrich 322415
1-propanol, 99.5% Sigma Aldrich 402893
2-propanol, 99.5% Sigma Aldrich 278475
Pyridine, > 99% Sigma Aldrich 360570 Purified by distillation
Heptane Sigma Aldrich 246654
chloroform > 99% Sigma Aldrich 372978
Acetone Sigma Aldrich 34850
Glass microscope slides Fisher 12-544-4 Cut with glass cutter
Gravity Fed Airbrush Paasche VSR90#1
Syringe needle Fisher CAD4075
Solar Simulator Testing Station Newport PVIV-1A
Software Oriel PVIV 2.0
Round bottom flask Sigma Aldrich Z723134
Round bottom flask Sigma Aldrich Z418668
Polytetrafluoroethylene (PTFE) syringe filter  Sigma Aldrich Z259926
Polyamide tape Kapton KPT-1/8
Cellophane tape Scotch 810 Tape
Polypropylene centrifuge tube Sigma Aldrich CLS430290
Silver epoxy MG Chemicals 8331-14G
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Debnath, R., Bakr, O., Sargent, E. H. Solution-processed colloidal quantum dot photovoltaics: A perspective. Energy Environ. Sci. 4, 4870-4881 (2011).
  2. Tang, J., Sargent, E. H. Infrared Colloidal Quantum Dots for Photovoltaics: Fundamentals and Recent Progress. Adv. Mater. 23, 12-29 (2011).
  3. Ning, Z., Dong, H., Zhang, Q., Voznyy, O., Sargent, E. H. Solar Cells Based on Inks of n-Type Colloidal Quantum Dots. ACS Nano. 8, 10321-10327 (2014).
  4. Yoon, W., et al. Enhanced Open-Circuit Voltage of PbS Nanocrystal Quantum Dot Solar Cells. Sci. Rep. 3, (2013).
  5. Jiaoyan, Z., et al. Enhancement of open-circuit voltage and the fill factor in CdTe nanocrystal solar cells by using interface materials. Nanotechnology. 25, 365203 (2014).
  6. Kramer, I. J., et al. Efficient Spray-Coated Colloidal Quantum Dot Solar Cells. Adv. Mater. 27, 116-121 (2015).
  7. Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulovic, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics. 7, 13-23 (2013).
  8. Demir, H. V., et al. Quantum dot integrated LEDs using photonic and excitonic color conversion. Nano Today. 6, 632-647 (2011).
  9. Yu, G., et al. Solution-Processed Graphene/MnO2 Nanostructured Textiles for High-Performance Electrochemical Capacitors. Nano Lett. 11, 2905-2911 (2011).
  10. Ridley, B. A., Nivi, B., Jacobson, J. M. All-Inorganic Field Effect Transistors Fabricated by Printing. Science. 286, 746-749 (1999).
  11. Habas, S. E., Platt, H. A. S., van Hest, M. F. A. M., Ginley, D. S. Low-Cost Inorganic Solar Cells: From Ink To Printed Device. Chem. Rev. 110, 6571-6594 (2010).
  12. Townsend, T. K., Yoon, W., Foos, E. E., Tischler, J. G. Impact of Nanocrystal Spray Deposition on Inorganic Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6, 7902-7909 (2014).
  13. Olson, J. D., Rodriguez, Y. W., Yang, L. D., Alers, G. B., Carter, S. A. CdTe Schottky diodes from colloidal nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 96, 242103 (2010).
  14. Sun, S., Liu, H., Gao, Y., Qin, D., Chen, J. Controlled synthesis of CdTe nanocrystals for high performanced Schottky thin film solar cells. J. Mater. Chem. 22, 19207-19212 (2012).
  15. Chen, Z., et al. Efficient inorganic solar cells from aqueous nanocrystals: the impact of composition on carrier dynamics. RSC Adv. 5, 74263-74269 (2015).
  16. Gur, I., Fromer, N. A., Geier, M. L., Alivisatos, A. P. Air-stable all-inorganic nanocrystal solar cells processed from solution. Science. 310, 462-465 (2005).
  17. Ju, T., Yang, L., Carter, S. Thickness dependence study of inorganic CdTe/CdSe solar cells fabricated from colloidal nanoparticle solutions. J. Appl. Phys. 107, (2010).
  18. MacDonald, B. I., et al. Layer-by-Layer Assembly of Sintered CdSexTe1-x Nanocrystal Solar Cells. ACS Nano. 6, 5995-6004 (2012).
  19. Crisp, R. W., et al. Nanocrystal Grain Growth and Device Architectures for High-Efficiency CdTe Ink-Based Photovoltaics. ACS Nano. 8, 9063-9072 (2014).
  20. Townsend, T. K., et al. Safer salts for CdTe nanocrystal solution processed solar cells: the dual roles of ligand exchange and grain growth. J. Mater. Chem. A. 3, 13057-13065 (2015).
  21. Jasieniak, J., MacDonald, B. I., Watkins, S. E., Mulvaney, P. Solution-Processed Sintered Nanocrystal Solar Cells via Layer-by-Layer Assembly. Nano Lett. 11, 2856-2864 (2011).
  22. Hecht, D. S., Hu, L. B., Irvin, G. Emerging Transparent Electrodes Based on Thin Films of Carbon Nanotubes, Graphene, and Metallic Nanostructures. Adv. Mater. 23, 1482-1513 (2011).
  23. Kim, M. G., Kanatzidis, M. G., Facchetti, A., Marks, T. J. Low-temperature fabrication of high-performance metal oxide thin-film electronics via combustion processing. Nat. Mater. 10, 382-388 (2011).
  24. Townsend, T. K., Foos, E. E. Fully solution processed all inorganic nanocrystal solar cells. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 16458-16464 (2014).
  25. Yu, W. W., Peng, X. Formation of High-Quality CdS and Other II-VI Semiconductor Nanocrystals in Noncoordinating Solvents: Tunable Reactivity of Monomers. Angew. Chem. 114, 2474-2477 (2002).
  26. Brust, M., Walker, M., Bethell, D., Schiffrin, D. J., Whyman, R. Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase Liquid-Liquid system. J. Chem. Soc., Chem. Commun. , 801-802 (1994).
  27. Smits, F. M. Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe. Bell Sys. Tech. J. 37, 711-718 (1958).
  28. Yoon, W., Townsend, T. K., Lumb, M. P., Tischler, J. G., Foos, E. E. Sintered CdTe Nanocrystal Thin-films: Determination of Optical Constants and Application in Novel Inverted Heterojunction Solar Cells. IEEE Trans. Nanotechnol. 13, 551-556 (2014).
  29. Foos, E. E., Yoon, W., Lumb, M. P., Tischler, J. G., Townsend, T. K. Inorganic Photovoltaic Devices Fabricated Using Nanocrystal Spray Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5, 8828-8832 (2013).
  30. Nag, A., et al. Metal-free Inorganic Ligands for Colloidal Nanocrystals: S2-, HS-, Se2-, HSe-, Te2-, HTe-, TeS32-, OH-, and NH2- as Surface Ligands. J. Am. Chem. Soc. 133, 10612-10620 (2011).
  31. Panthani, M. G., et al. High Efficiency Solution Processed Sintered CdTe Nanocrystal Solar Cells: The Role of Interfaces. Nano Lett. 14, 670-675 (2014).

Tags

Inorganic NanocrystalsSolution ProcessingPhotovoltaic DevicesSpin CoatingSpray CoatingLigand ExchangeAnnealingCadmium SelenideCadmium TellurideGold NanoparticlesIndium Tin OxideThin FilmsSolar CellsDevice FabricationMaterials Science

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Townsend, T. K., Durastanti, D., Heuer, W. B., Foos, E. E., Yoon, W., Tischler, J. G. Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices. J. Vis. Exp. (113), e54154, doi:10.3791/54154 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image