Fattori che influenzano le prestazioni di Sb2S3chiave-sensibilizzato celle solari durante un Sb2S3 deposizione via SbCl3-soluzione-elaborazione complessa di tiourea

Riepilogo

Questo lavoro fornisce una dettagliata procedura sperimentale per la deposizione di Sb₂S₃ su un layer di mesoporosi TiO₂ utilizzando un SbCl₃-una soluzione complessa tiourea per applicazioni in Sb₂S₃-sensibilizzato le celle solari. Questo articolo determina inoltre i fattori chiave che regolano il processo di deposizione.

Abstract

SB₂S₃ è considerato come uno degli assorbitori luce emergenti che possono essere applicati alle celle solari di nuova generazione grazie alle sue uniche proprietà ottiche ed elettriche. Recentemente, abbiamo dimostrato il suo potenziale come celle solari di nuova generazione con la realizzazione di un'elevata efficienza fotovoltaica di > 6% in Sb₂S₃-sensibilizzato celle solari utilizzando una semplice tiourea (TU)-basato su metodo di soluzione complessa. Qui, descriviamo le principali procedure sperimentali per la deposizione di Sb₂S₃ su uno strato di mesoporosi TiO₂ (mp-TiO₂) utilizzando una soluzione complessa di SbCl₃- TU nella fabbricazione di celle solari. In primo luogo, la soluzione di - TU₃SbCl è sintetizzata dissolvendo SbCl₃ e TU in N, N- dimetilformammide a diversi rapporti molari di SbCl₃: tu Quindi, la soluzione è depositata su substrati come preparato composto da mp-TiO₂Espanola₂-blocco livello/F-drogato SnO₂ vetro di spin-coating. Infine, per formare cristallina Sb₂S₃, i campioni vengono ricotti in un N₂-riempito portaoggetti a 300 ° C. Gli effetti dei parametri sperimentali sulle prestazioni dispositivo fotovoltaico inoltre sono discussi.

Introduzione

Calcogenuri base di antimonio (Sb-Chs), tra cui Sb₂S₃, Sb₂Se₃, Sb₂(S, Se)₃e CuSbS₂, sono considerati materiali emergenti che possono essere utilizzati nelle celle solari di nuova generazione^{1 ,2,3,4,5,6,7,8}. Tuttavia, dispositivi fotovoltaici basati su Sb-Chs assorbitori di luce non hanno ancora raggiunto l'efficienza di conversione di potenza del 10% (PCE) richiesto per dimostrare la commercializzazione fattibile.

Per superare queste limitazioni, vari metodi e le tecniche sono state applicate, come un trattamento di superficie indotta thioacetamide¹, un metodo di deposizione temperatura⁴, una tecnica di deposizione strato atomico²e l'uso di colloide dot quantum dots⁶. Tra questi vari metodi, il soluzione-trattamento basato su una decomposizione chimica vasca hanno esibito le più alte prestazioni¹. Tuttavia, un controllo preciso della reazione chimica e il post-trattamento sono necessari per ottenere le migliori prestazioni^1,3.

Recentemente, abbiamo sviluppato una soluzione-elaborazione semplice per alte prestazioni Sb₂S₃-sensibilizzato celle solari utilizzando un SbCl₃-tiourea (TU) complessa soluzione³. Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di fabbricare una qualità Sb₂S₃ con un rapporto di Sb/S controllato, che è stato applicato a una cella solare per ottenere prestazioni comparabili dispositivo del 6,4% PCE. Siamo stati anche in grado di ridurre efficacemente il tempo di elaborazione, poiché il Sb₂S₃ fu fabbricata da una deposizione di passo singolo.

In questo lavoro, descriviamo la procedura sperimentale dettagliata per una deposizione di_{3 2}S Sb sul substrato costituito da mesoporosi TiO₂ (mp-TiO₂) / TiO₂ blocco strato (TiO₂- BL) / F-drogati SnO₂ ( Vetro FTO) per la fabbricazione di Sb₂S₃-sensibilizzato celle solari via SbCl₃- TU complessa soluzione-trattamento³. Inoltre, tre fattori chiave che influenzano le prestazioni fotovoltaica nel corso di una deposizione di Sb₂S₃ sono stati identificati e discussi. Il concetto del metodo può essere facilmente applicato ad altre celle solari sensibilizzatore-tipo basate su solfuri del metallo.

Protocollo

1. Sintesi della soluzione TiO₂- BL

1. Preparare 2 flaconi trasparenti con un volume di 50 mL.
2. Aggiungere 20 mL di etanolo per 1 fiala (V1) e sigillare V1.
3. Trasferire un N₂V1-riempito portaoggetti con un sistema di umidità controllato di H₂O livello di < 1 ppm.
4. Aggiungere mL 1,225 di titanio (IV) isopropossido (TTIP) a V1 utilizzando una siringa con un filtro da 0,45 µm di PVDF e delicatamente mescolare l'impasto per almeno 30 min.
   Nota: Questo passaggio deve essere eseguito in un vano portaoggetti (o in condizioni di umidità molto bassa) poiché TTIP è altamente sensibile all'umidità. Se la soluzione TTIP non è trasparente o bianchi precipitati sono osservati all'interno della soluzione, è consigliabile non utilizzarla, perché una reazione indesiderabile è già verificato all'interno della soluzione.
5. In altri preparato flaconcino (V2), aggiungere 18 μL di HNO₃ (70%) e 138 μL di H₂O a 20 mL di etanolo mediante una micropipetta e mescolare delicatamente il composto per almeno 30 min.
   Nota: Questo passaggio non deve essere eseguito in un vano portaoggetti, perché H₂O è usato.
6. Mescolare le 2 soluzioni versando la soluzione V2 nella soluzione V1 e mescolare per più di 2 h di sintetizzare la soluzione trasparente 0,1 M TiO₂- BL.
   Nota: La soluzione finale deve essere trasparente. Se la soluzione non è trasparente, si resynthesize fino ad ottenuta una soluzione trasparente. Preparato con successo soluzioni di TiO₂- BL sono stabili per diversi giorni in condizioni di umidità del < 50%.

2. sintesi delle soluzioni SbCl₃- TU con vari SbCl₃/TU rapporti molari

Nota: La sintesi deve essere eseguita nel vano portaoggetti a causa della sensibilità molto alta di SbCl₃ all'umidità.

1. Preparare la soluzione stock di₃ [1 mmol di SbCl₃ in 1 mL di N, N- dimetilformammide (DMF)] di SbCl all'interno della scatola di guanto. Ad esempio, è possibile aggiungere 6,486 g di SbCl₃ a 30 mL di DMF per un 32,2 mL di soluzione madre.
2. Aggiungere una quantità adeguata di soluzione di riserva un flaconcino contenente una determinata quantità di TU di sintetizzare la soluzione di SbCl₃- TU con il desiderato rapporto molare di SbCl₃/TU. Si supponga, ad esempio, i 2 flaconcini contengono 0,1 g di TU, aggiungere 0,9394 mL della soluzione madre di un flaconcino e 0,5637 mL a altro, per sintetizzare soluzioni con SbCl₃/TU rapporti di 1/1,5 e 1/2.5, rispettivamente.

3. preparazione del substrato costituito da mp-TiO₂Espanola₂- BL/FTO vetro

1. Lavare il FTO-rivestito vetro (FTO) di 25 mm x 25 mm in un bagno ad ultrasuoni con acetone per 10 minuti, seguito da etanolo.
   Nota: Per fabbricare il dispositivo fotovoltaico, utilizzare vetro pre-modellato FTO, dove la superficie FTO di 5-10 mm x 25 mm completamente è inciso.
2. Asciugare immediatamente il vetro FTO soffiando aria compressa sopra il campione.
3. Trattare il vetro FTO con un UV/O₃ pulitore per 20 min.
4. Spin cappotto etanolo sul vetro FTO a 5.000 giri/min per 60 s.
5. Immediatamente girare cappotto nuovo con la soluzione preparata di TiO₂- BL alle stesse condizioni del punto 3.4.
6. Asciugare il vetro FTO per 2 min collocandolo su un piatto caldo preriscaldato a 200 ° C.
7. Ripetere i passaggi da 3.5 e 3.6 per ottenere lo spessore desiderato di TiO₂- BL.
8. Depositare il mp-TiO₂ strato sul vetro - BL/FTO TiO₂utilizzando il metodo di stampa schermo con TiO₂ pasta (50 nm TiO₂ le particelle) e una maschera di poliestere.
9. Tempri il vetro - BL/FTO mp-TiO₂Espanola₂a 500 ° C per 30 min.
10. Immergere i substrati ricotti in una soluzione acquosa trasparente 40mm TiCl₄ dopo il loro raffreddamento a temperatura ambiente.
    Nota: Il 40mm TiCl₄ soluzione deve essere trasparente. Se i substrati sono immersi nella soluzione TiCl₄ prima si sono raffreddate, possono facilmente rompersi a causa della differenza di temperatura fra il substrato e la soluzione.
11. Trasferire i substrati di un forno a 60 ° C e memorizzarli per 1 h.
12. Sciacquare i substrati più volte con acqua tiepida e asciugarli immediatamente blowingcompressed aereo su di loro.
    Nota: Per evitare eventuali incrinature dei substrati, usare acqua calda (circa 60 ° C) quando risciacquo.
13. Temprare i substrati nuovamente a 500 ° C per 30 min.

4. deposizione di Sb₂S₃ sul substrato di mp-TiO₂Espanola₂- BL/FTO vetro

1. Trattare i substrati con un UV/O₃ pulitore per 20 min pulire la superficie e trasferirli al portaoggetti.
2. Girare il cappotto un solvente DMF sui substrati a 3.000 giri/min per 60 prima della s a girare con la soluzione di SbCl₃- TU.
3. Mettendoli su un piatto caldo a 150 ° C per una parziale decomposizione termica e la formazione di fase amorfa di calore i substrati come rivestite per 5 min.
4. Posizionare i campioni su un piatto caldo preriscaldato a 300 ° C per 10 min per la formazione della fase cristallina.
5. Dopo il raffreddamento i campioni a temperatura ambiente, rimuoverli dalla casella di guanto.

5. fabbricazione di Sb₂S₃-sensitized Solar Cells

1. Aggiungere 15 mg di poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL di clorobenzene e mescolate delicatamente fino ad ottenuta una soluzione chiaro rossastra.
2. Spin di clorobenzene cappotto sul Sb₂S₃-depositato il substrato a 3.000 giri/min per 60 s.
3. Immediatamente girare cappotto nuovo con la soluzione preparata P3HT sotto le stesse condizioni usato al punto 5.2.
4. Trasferire i campioni in una camera a vuoto dell'evaporatore.
5. Deposita 100 nm oro con un tasso di 1.0 Å / s.

Risultati

La figura 1 Mostra una rappresentazione schematica delle procedure sperimentali per la deposizione di_{3 2}S Sb sul substrato di vetro di mp-TiO₂Espanola₂- BL/FTO. D Figura 1 Mostra lo schema di un tipico prodotto fabbricato con il metodo descritto nel presente documento e le proprietà di base. Il modello principale diffrazione di raggi x (XRD) è ben abbinato con quello di un stibnite Sb...

Discussione

TiO₂- BL è ampiamente utilizzato come strato foro di blocco nelle celle solari. Come illustrato nella Figura 2, le prestazioni del dispositivo a seconda dello spessore di TiO₂- BL è stata osservata una grande differenza. Pertanto, lo spessore dovrebbe essere ottimizzato per ottenere le migliori prestazioni del dispositivo generale, perché criticamente agisce come strato foro di blocco per impedire il contatto diretto tra FTO e foro-trasporto materiali

Materiali

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