Facteurs affectant la Performance des Sb2S3clés-sensibilisés cellules solaires pendant une Sb2S3 dépôts via LAPE3-thiourée Solution-traitement complexe

Résumé

Cet ouvrage fournit un procédé expérimental détaillé pour le dépôt de Sb₂S₃ sur une couche mésoporeux TiO₂ à l’aide d’une LAPE₃-solution complexe thiourée pour des applications en Sb₂S₃-sensibles des cellules solaires. Cet article détermine également les facteurs clés qui régissent le processus de dépôt.

Résumé

SB₂S₃ est considéré comme l’un des absorbeurs de lumière émergentes qui peuvent s’appliquer aux cellules solaires de nouvelle génération en raison de ses propriétés optiques et électriques uniques. Récemment, nous avons démontré son potentiel comme la nouvelle génération des cellules solaires en atteignant un haut rendement photovoltaïque > 6 % Sb₂S₃-sensibles des cellules solaires à l’aide d’une simple thiourée (TU)-selon la méthode de solution complexe. Nous décrivons ici les principales procédures expérimentales pour la déposition de Sb₂S₃ sur une couche de (mp-TiO₂) mésoporeux TiO₂ à l’aide d’une solution complexe de LAPE₃- TU dans la fabrication des cellules solaires. Tout d’abord, la solution TU -₃LAPE est synthétisée en dissolvant la LAPE₃ et TU dans le N, N- diméthylformamide à divers rapports molaires de LAPE₃: TU. Ensuite, la solution est déposée sur des substrats de préparés comme consistant en mp-TiO₂/TiO₂-blocage couche/F-dopé SnO₂ verre par Enduction centrifuge. Enfin, pour former le cristallin Sb₂S₃, les échantillons sont recuits dans un N₂-remplis la boîte à gants à 300 ° C. Les effets des paramètres expérimentaux sur l’exécution du dispositif photovoltaïque sont également discutées.

Introduction

Chalcogénures axée sur l’antimoine (Sb-Chs), y compris les Sb₂S₃, Sb,₂Se₃, Sb₂(S, Se)₃et CuSbS₂, sont considérés comme des matériaux émergents qui peuvent être utilisés dans la génération des cellules solaires^{1 ,2,3,4,5,6,7,8}. Toutefois, les dispositifs photovoltaïques basés sur Sb-Chs amortisseurs légers n’ont pas encore atteint le rendement de conversion de 10 % de la puissance (PCE) nécessaire pour démontrer la commercialisation possible.

Pour surmonter ces limites, des méthodes et des techniques différentes ont été appliquées, comme un traitement de surface induite par la thioacétamide¹, une méthode de dépôt température ambiante⁴, une couche atomique dépôts technique²et l’utilisation de colloïde point quantique points⁶. Parmi ces différents procédés, le traitement solution basé sur une décomposition de bain chimique présentait la plus haute performance¹. Toutefois, un contrôle précis de la réaction chimique et le post traitement sont nécessaires pour atteindre les meilleures performances^1,3.

Récemment, nous avons développé un solution simple-traitement haute performance Sb₂S₃-sensibles des cellules solaires à l’aide d’une LAPE₃-solution complexe de la thiourée (TU)³. En utilisant cette méthode, nous avons été en mesure de fabriquer une qualité Sb₂S₃ , avec un ratio de Sb/S contrôlé, qui a été appliqué à une cellule solaire pour atteindre une performance de l’appareil comparable de 6,4 % PCE. Nous avons également pu effectivement réduire le temps de traitement puisque le Sb₂S₃ a été fabriqué par une seule étape déposition.

Dans ce travail, nous décrivons la procédure expérimentale détaillée pour un dépôt de₃ Sb₂S sur le substrat composé de mésoporeux TiO₂ (mp-TiO₂) / TiO₂ blocage couche (TiO₂- BL) / F-dopé (SnO)₂ Verre FTO) pour la fabrication de Sb₂S₃-sensibilisés cellules solaires par LAPE₃- TU complexe traitement solution³. En outre, trois facteurs clés affectant la performance photovoltaïque dans le cadre d’une déposition Sb₂S₃ ont été identifiées et discutées. Le concept de la méthode peut être appliqué facilement à autres sensibilisant-type des cellules solaires basées sur les sulfures métalliques.

Protocole

1. synthèse de la Solution BL - TiO₂

1. Préparer 2 flacons transparents avec un volume de 50 mL.
2. Ajouter 20 mL d’éthanol dans 1 flacon (V1) et sceller V1.
3. Transfert de V1 à un N₂-rempli de boîte à gants d’un système contrôlé par l’humidité d’un H₂O niveau de < 1 ppm.
4. Ajouter 1,225 mL de titane (IV) l’isopropylate (faite) à V1 à l’aide d’une seringue avec un filtre de 0,45 µm PVDF et doucement remuer le mélange pendant au moins 30 min.
   Remarque : Cette étape doit être exécutée dans une boîte à gants (ou dans des conditions de très faible taux d’humidité) faite étant très sensible à l’humidité. Si la solution faite n’est pas transparente ou blanches précipités sont observées à l’intérieur de la solution, il ne doit pas être utilisé, car une réaction indésirable a déjà eu lieu à l’intérieur de la solution.
5. Dans l’autre flacon préparé (V2), ajouter 18 μL de HNO₃ (70 %) et 138 μL de H₂O à 20 mL d’éthanol à l’aide d’une micropipette et remuer doucement le mélange pendant au moins 30 min.
   Remarque : Cette étape ne doit pas être exécutée dans une boîte à gants, car H₂O est utilisée.
6. Mélanger les 2 solutions en versant la solution V2 dans la solution de V1 et remuez pendant plus de 2 h à synthétiser la solution 0,1 M TiO₂- BL transparente.
   Remarque : La solution finale doit être transparente. Si la solution n’est pas transparente, il resynthétiser jusqu'à l’obtention d’une solution transparente. Préparés avec succès TiO₂BL - solutions sont stables pendant plusieurs jours dans des conditions d’humidité de < 50 %.

2. synthèse des Solutions₃- TU LAPE avec divers LAPE₃/TU rapports molaires

NOTE : La synthèse doit être effectuée dans la boîte à gants en raison de la très grande sensibilité de LAPE₃ à l’humidité.

1. Préparer la LAPE₃ solution [1 mmol de LAPE₃ dans 1 mL de N, N- diméthylformamide (DMF)] à l’intérieur de la boîte à gants. Par exemple, ajouter g 6,486 de LAPE₃ à 30 mL de DMF pour un 32,2 mL de solution.
2. Ajouter une quantité appropriée de la solution dans un flacon contenant une quantité donnée de TU à synthétiser la solution TU -₃LAPE avec un rapport molaire désirée de LAPE₃/TU. Par exemple, supposons que les 2 flacons contenant 0,1 g de TU, ajouter 0,9394 mL de la solution dans un flacon et mL 0,5637 à l’autre, pour synthétiser des solutions avec des LAPE₃/TU ratios de 1/1,5 et 2,5/1, respectivement.

3. préparation du substrat composé de mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO verre

1. Laver la FTO-enduit verre (FTO) de 25 mm x 25 mm dans un bain à ultrasons avec de l’acétone pendant 10 min, suivie par l’éthanol.
   Remarque : Pour fabriquer le dispositif photovoltaïque, utilisez verre préalablement modelé de FTO, où la surface FTO 5-10 x 25 mm est entièrement gravée.
2. Sèche instantanément le verre de la FTO en soufflant de l’air comprimé sur l’échantillon.
3. Traiter le verre FTO avec un UV/O₃ nettoyeur pendant 20 min.
4. Essorage manteau éthanol sur la vitre de la FTO à 5 000 tr/min pendant 60 s.
5. Manteau de spin immédiatement avec la solution BL - TiO₂préparée dans les mêmes conditions d’étape 3.4.
6. Sécher le verre FTO pendant 2 min en le plaçant sur une plaque chauffante préchauffée à 200 ° C.
7. Répétez les étapes 3.5 et 3.6 pour obtenir l’épaisseur souhaitée de la BL - du₂TiO.
8. Dépôt de la couche₂ de mp-TiO sur la TiO₂- BL/FTO vitre à l’aide de la méthode d’impression écran avec TiO₂ pâte (50 nm TiO₂ des particules) et un masque de polyester.
9. Recuire le verre mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO à 500 ° C pendant 30 min.
10. Tremper les substrats recuits dans une solution transparente aqueuse 40 mM TiCl₄ après leur refroidissement à température ambiante.
    Remarque : Le 40 mM TiCl₄ solution doivent être transparent. Si les substrats sont plongés dans la solution de₄ TiCl avant qu’ils sont refroidis, ils peuvent facilement se casser à cause de la grande différence de température entre le substrat et la solution.
11. Transférer les substrats dans une étuve à 60 ° C et les stocker pendant 1 h.
12. Rincer les substrats plusieurs fois à l’eau chaude et séchez-les instantanément par air blowingcompressed sur eux.
    Remarque : Afin d’éviter toute fissuration des substrats, utilisez l’eau chaude (environ 60 ° C) quand un rinçage.
13. Recuire les substrats à nouveau à 500 ° C pendant 30 min.

4. dépôt de Sb₂S₃ sur le substrat du mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO verre

1. Traiter les substrats avec un UV/O₃ nettoyeur pendant 20 min nettoyer la surface et de les transférer à la boîte à gants.
2. Manteau un solvant DMF sur les substrats à 3 000 tr/min pendant 60 avant de s faire tourner leur revêtement avec la solution TU -₃LAPE de spin.
3. Faire chauffer les substrats revêtus comme pendant 5 min en les plaçant sur une plaque de cuisson à 150 ° C pour une décomposition thermique partielle et la formation de la phase amorphe.
4. Placer les échantillons sur une plaque chauffante préchauffée à 300 ° C pendant 10 min pour la formation de la phase cristalline.
5. Après refroidissement les échantillons à la température ambiante, les retirer de la boîte à gants.

5. fabrication de Sb₂S₃-sensibles des cellules solaires

1. Ajouter 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) à 1 mL de chlorobenzène et les remuer doucement jusqu'à obtention d’une solution claire rougeâtre.
2. Tourner le manteau chlorobenzène sur le Sb₂S₃-dépôt de substrat à 3 000 tr/min pendant 60 s.
3. Immédiatement tourner manteau avec la solution P3HT préparée dans les mêmes conditions que celui utilisé à l’étape 5.2.
4. Transférer les échantillons dans une chambre à vide de l’évaporateur.
5. Déposez 100 nm or avec un taux de 1,0 Å / s.

Résultats

La figure 1 montre une représentation schématique de la procédure expérimentale pour les dépôts de la Sb₂S₃ sur le substrat du mp-TiO₂/TiO₂verre de - BL/FTO. D de la figure 1 montre le propriétés de base et le schéma d’un produit typique fabriqué selon la méthode décrite ci-après. Le patron de diffraction des rayons x (DRX) principal est bien comparé à celle d’une sti...

Discussion

TiO₂- BL est largement utilisé comme une couche de blocage des trou dans les cellules solaires. Comme illustré à la Figure 2, une grande différence a été observée dans la performance de l’appareil selon l’épaisseur BL - TiO₂. Par conséquent, son épaisseur doit être optimisé afin d’obtenir un meilleur rendement global appareil, parce qu’il critique agit comme une couche bloquant les trous afin d’éviter tout contact direct entre la FTO et trou-trans...

matériels

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