Principales factores que afectan el rendimiento del Sb2S3-sensibiliza las células solares durante una Sb2S3 deposición via SbCl3-tiourea tratamiento de solución de complejo

Resumen

Este trabajo ofrece un detallado procedimiento experimental para la deposición de una capa mesoporosa TiO₂ utilizando un SbCl₃Sb₂S₃ -solución complejo tiourea para aplicaciones en Sb₂S₃-sensibiliza las células solares. Este artículo también determina los factores clave que rigen el proceso de deposición.

Resumen

SB₂S₃ se considera como uno de los amortiguadores ligeros emergentes que pueden aplicarse a las células solares de última generación debido a sus propiedades ópticas y eléctricas únicas. Recientemente, hemos demostrado su potencial como las células solares de última generación logrando una alta eficiencia fotovoltaica de > 6% en Sb₂S₃-sensible células solares utilizando un simple tiourea (TU)-basado en el método de solución compleja. Aquí, describimos los principales procedimientos experimentales para la deposición de Sb₂S₃ sobre una capa de mesoporosos TiO₂ (mp-TiO₂) usando una solución compleja de SbCl₃- TU en la fabricación de células solares. En primer lugar, se sintetiza la solución SbCl₃- TU disolviendo SbCl₃ y TU en N, N- dimetilformamida en diferentes relaciones molares de SbCl₃: TU. Entonces, la solución se deposita en sustratos como preparado de mp TiO₂/TiO₂-bloqueo de capa/F-dopado SnO₂ vaso por la capa de la vuelta. Por último, para formar el cristalino Sb₂S₃, las muestras se recuecen en un N₂-lleno de guantera a 300 ° C. También se discuten los efectos de los parámetros experimentales sobre el funcionamiento del dispositivo fotovoltaico.

Introducción

Chalcogenides basados en antimonio (Sb-Chs), incluyendo Sb₂S₃, Sb₂Se₃, Sb₂(S, Se)₃y CuSbS₂, se consideran materiales emergentes que pueden ser utilizados en celdas solares de última generación^{1 ,2,3,4,5,6,7,8}. Sin embargo, los dispositivos fotovoltaicos basados en amortiguadores luz Sb Chs no han alcanzado aún la eficiencia de conversión del 10% de energía (PCE) necesaria para demostrar la posible comercialización.

Para superar estas limitaciones, diversos métodos y técnicas se han aplicado, como un tratamiento superficial inducida por tioacetamida¹, un de método de deposición de temperatura⁴, una deposición de capa atómica técnica²y el uso de coloide de punto cuántico puntos⁶. Entre estos varios métodos, el proceso de solución basado en la descomposición de un baño químico exhibe el más alto rendimiento¹. Sin embargo, un control preciso de la reacción química y el tratamiento posterior es necesario para lograr el mejor rendimiento^1,3.

Recientemente, hemos desarrollado un simple proceso de solución de alto rendimiento Sb₂S₃-sensible células solares utilizando un SbCl₃-tiourea (TU) solución compleja³. Usando este método, hemos sido capaces de fabricar una calidad Sb₂S₃ con una controlada relación Sb/S, que fue aplicado a una celda solar para lograr un rendimiento comparable de 6.4% PCE. También fuimos capaces de reducir con eficacia el tiempo de procesamiento ya que el Sb₂S₃ fue fabricado por la deposición de una solo paso.

En este trabajo, describimos el procedimiento experimental detallado para un Sb₂S₃ la deposición en el sustrato compuesto por mesoporosos TiO₂ (mp-TiO₂) / TiO₂ bloqueo de capa (TiO₂- BL) / F-dopado (SnO)₂ FTO) glass para la fabricación de Sb₂S₃-sensible células solares via SbCl₃- TU complejo procesamiento de solución³. Además, tres factores claves que afectan el rendimiento fotovoltaico en el transcurso de una deposición de Sb₂S₃ identificaron y discutieron. El concepto del método puede aplicarse fácilmente a otras células solares de tipo activador basados en sulfuros del metal.

Protocolo

1. síntesis de la solución de TiO₂- BL

1. Preparar 2 frascos transparentes con un volumen de 50 mL.
2. Añadir 20 mL de etanol al 1 frasco (V1) y sello de V1.
3. Transferencia V1 a una N₂-llena la caja de guante con un sistema de humedad controlada de H₂O nivel de < 1 ppm.
4. Añadir 1,225 mL de isopropóxido de titanio (IV) (docente) a V1 de una jeringa con un filtro de 0.45 μm PVDF y suavemente revolver la mezcla durante al menos 30 minutos.
   Nota: Este paso debe ser realizado en una caja de guante (o bajo condiciones de humedad muy bajo) ya que el docente es altamente sensible a la humedad. Si la solución del docente no es transparente o blanco precipitados se observan dentro de la solución, debe no utilizarse, porque ya ha ocurrido una reacción indeseable dentro de la solución.
5. En lo otros preparado vial (V2), añadir 18 μL de HNO₃ (70%) y 138 μL de H₂O a 20 mL de etanol utilizando una micropipeta y revolver suavemente la mezcla durante al menos 30 minutos.
   Nota: Este paso debe no realizarse en una caja de guante, porque se utiliza el H₂O.
6. Mezclar las 2 soluciones vertiendo la solución V2 en la solución V1 y remover por más de 2 h para sintetizar la transparente 0.1 M TiO solución - BL₂.
   Nota: La solución final debe ser transparente. Si la solución no es transparente, resynthesize hasta obtener una solución transparente. Correctamente preparado TiO₂- BL soluciones son estables durante varios días en condiciones de humedad de < 50%.

2. síntesis de las SbCl₃- TU soluciones con diferentes relaciones molares /TU de SbCl₃

Nota: La síntesis debe realizarse en la caja de guante debido a la sensibilidad muy alta de SbCl₃ a la humedad.

1. Preparar la solución stock [1 mmol de SbCl₃ en 1 mL de N, N- dimetilformamida (DMF)] de SbCl₃ dentro de la caja de guante. Por ejemplo, añadir a 30 mL de DMF para una solución mL 32,2 g 6,486 de SbCl₃ .
2. Añadir una cantidad apropiada de solución a un frasco que contiene una cantidad determinada de TU para sintetizar la solución SbCl₃- TU con el deseado cociente molar de SbCl₃/TU. Por ejemplo, supongamos que los 2 frascos contienen 0,1 g de TU, Añadir 0,9394 mL de la solución a un frasco y mL 0,5637 al otro, para sintetizar soluciones con SbCl₃/TU ratios de 1/1,5 y 1/2.5, respectivamente.

3. preparación del sustrato de mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO Glass

1. Lave el vidrio revestido de FTO (FTO glass) de 25 mm x 25 mm en un baño ultrasónico con acetona durante 10 min, seguido de etanol.
   Nota: Para fabricar el dispositivo fotovoltaico, utilice vidrio previamente modelado en FTO, donde la superficie de la FTO de 5-10 mm x 25 mm está completamente grabada.
2. Seque inmediatamente la FTO glass soplando aire comprimido sobre la muestra.
3. Tratar la FTO glass con un UV/O₃ limpiador por 20 min.
4. Girar la capa de etanol en la FTO glass a 5.000 rpm por 60 s.
5. Inmediatamente capa de vuelta otra vez con la solución preparada de TiO₂- BL bajo las mismas condiciones del paso 3.4.
6. La FTO glass por 2 min en seco colocando en una placa precalentada a 200 ° C.
7. Repita los pasos del 3.5 y 3.6 para obtener el espesor deseado TiO₂- BL.
8. Depositar la capa de₂ mp-TiO en el TiO₂- BL/FTO glass mediante el método de impresión de pantalla con TiO₂ pasta (50 nm TiO₂ las partículas) y una máscara de poliéster.
9. Recueza la mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO glass a 500 ° C por 30 min.
10. Sumerja los sustratos recocidos en una solución acuosa transparente 40 mM TiCl₄ después de enfriarse a temperatura ambiente.
    Nota: El 40 mM TiCl₄ solución debe ser transparente. Si los sustratos se sumergen en la solución de TiCl₄ antes de que se haya enfriado, se rompa debido a la diferencia grande de temperatura entre el sustrato y la solución.
11. Los substratos de transferencia a un horno a 60 ° C y almacenarlas durante 1 hora.
12. Enjuague los sustratos varias veces con agua caliente y secarlas al instante por el aire blowingcompressed sobre ellos.
    Nota: Para evitar cualquier rotura de los sustratos, utilice agua tibia (aproximadamente 60 ° C) cuando enjuague.
13. Templar los sustratos a 500 ° C durante 30 minutos.

4. deposición de Sb₂S₃ en el substrato de mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO Glass

1. Tratar los sustratos con un UV/O₃ limpiador por 20 min limpiar la superficie y transferirlos a la guantera.
2. Giro de la capa un disolvente DMF en los substratos a 3.000 rpm por 60 antes de s girar la capa con la solución de SbCl₃- TU.
3. Los sustratos recubiertos como por 5 min de calor colocándolos en un plato caliente a 150 ° C para una descomposición térmica parcial y la formación de la fase amorfa.
4. Coloque las muestras en una placa caliente precalentada a 300 ° C por 10 min para la formación de la fase cristalina.
5. Después de enfriar las muestras a temperatura ambiente, retirar de la caja de guante.

5. fabricación de Sb₂S₃-sensibiliza las células solares

1. Añadir 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL de clorobenceno y les Revuelva suavemente hasta obtener una solución clara de color rojiza.
2. Girar la capa clorobenceno en el Sb₂S₃-depositar sustrato a 3.000 rpm por 60 s.
3. Inmediatamente girar la capa otra vez con la solución preparada de P3HT bajo las mismas condiciones usadas en el paso 5.2.
4. Transferir las muestras en una cámara de vacío del evaporador.
5. Depósito 100 nm oro con una tasa de 1.0 Å / s.

Resultados

La figura 1 muestra una representación esquemática del procedimiento experimental para la deposición de Sb₂S₃ en el substrato de mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO glass. D de la figura 1 muestra la propiedades básicas y el esquema de un típico producto fabricado por el método descrito en este documento. El patrón principal difracción de rayos x (DRX) se empareja bien con la de un estibina Sb...

Discusión

TiO₂- BL es ampliamente utilizado como capa de agujero de bloqueo en las células solares. Como se muestra en la figura 2, se observó una gran diferencia en el rendimiento dependiendo del grosor de TiO₂- BL. Por lo tanto, su espesor debe ser optimizada para obtener el mejor rendimiento general del dispositivo, porque críticamente actúa como una capa de bloqueo de orificios para evitar cualquier contacto directo entre la FTO y agujero-transportar materiales

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ethyl alcohol, Pure, >99.5%	Sigma-Aldrich	459836
Titanium(IV) isopropoxide 97%	Aldrich	205273
Nitic acid, ACS reagent, 70%	Sigma-Aldrich	438073
Antimony(III) chloride	Sigma-Aldrich	311375
Thiourea	Sigma-Aldrich	T7875
N,N-Dimethylformamide, anhydrous, 99.8%	Sigma-Aldrich	227056
TiO2 paste with 50 nm particles	ShareChem	SC-HT040
Poly(3-hexylthiophene)	1-Material	PH0148
Chlorobenzene	Sigma-Aldrich	284513
FTO/glass (8 Ohmos/sq)	Pilkington
Spin coater	DONG AH TRADE CORP	ACE-200
Hot plate	AS ONE Corporation	HHP-411
Glove box	KIYON	KK-021AS
UV OZONE Cleaner	AHTECH LTS	AC-6
Furnace	WiseTherm	FP-14
UV/Vis Absorption spectroscopy	PerkinElmer	Lambda 750
Multifunctional evaporator with glove box	DAEDONG HIGH TECHNOLOGIES	DDHT-SDP007