主要な Sb2S3の性能に影響を与える要因-太陽電池を増感の間に、Sb2S3成膜を介してSbCl3-チオ尿素複合ソリューション処理

要約

この作品は Sb₂S₃ SbCl₃を用いたメソポーラス TiO₂層の堆積のため詳細な実験手順を提供します-チオ尿素 Sb₂S₃のアプリケーションに複雑なソリューション-増感太陽電池。この記事は、成膜プロセスを支配する重要な要因を決定します。

要約

Sb₂S₃は、ユニークな光学および電気特性のため次世代太陽電池に適用することができます新たな光の吸収体の 1 つとして考慮されます。最近では、我々 は Sb₂S₃の > 6% の太陽光発電効率を達成することで次世代太陽電池としての可能性を示す-単純なチオ尿素 (TU) を用いた太陽電池の増感-複雑なソリューションの手法します。ここでは、太陽電池の作製に SbCl₃TU-複雑なソリューションを使用してメソポーラス TiO₂ (mp TiO₂) レイヤー上 Sb₂S₃の沈着の重要な実験手順について述べる。N, N- ジメチルホルムアミド SbCl₃モル比が異なるでに SbCl₃と TU を溶解することにより、SbCl₃TU - ソリューションは合成: 火Mp TiO₂/TiO₂から成る準備として基板上のソリューションの堆積、-スピン コーティング層/F ドープ SnO₂ガラス ブロックします。最後に、結晶 Sb₂S₃を形成するには、サンプルは、アニールされる N₂-300 ° C でグローブ ボックスをいっぱい太陽光発電デバイスの性能に及ぼす実験的パラメーターについても説明します。

概要

アンチモン系カルコゲナイド (Sb Chs)、Sb₂S₃Sb₂Se₃Sb₂(S, Se)₃CuSbS₂などは次世代太陽電池^{1 で使用できる新たな材料と見なされます ,2,3,4,5,6,7,8}。ただし、Sb Chs 光吸収に基づく太陽光発電デバイスに達していない 10% の電力変換効率 (PCE) 実現可能な実用化を実証する必要があります。

これらの制限を克服するために様々 なメソッドやテクニックを適用したチオアセトアミド表面処理¹室温成膜方法⁴、原子層堆積法²の使用などドット コロイド量子ドット⁶。これらの様々 な方法のうち化学浴の分解に基づくソリューション処理は最高のパフォーマンスの¹を展示しました。ただし、化学反応と治療後の正確な制御がベスト パフォーマンス^1,3を達成するために必要です。

最近、我々 はパフォーマンスの高い Sb₂S₃の単純なソリューション処理を開発-SbCl₃を用いた太陽電池の増感-チオ尿素 (TU) 複雑なソリューション³。このメソッドを使用して、6.4% の同等のデバイスのパフォーマンスを達成するために太陽電池に適用された制御の Sb/秒比の品質の Sb₂S₃を作製することができました PCE。また、Sb₂S₃は、シングル ステップ蒸着により作製したので、効果的に処理時間を短縮することができた。

この作品は、メソポーラス TiO₂ (mp TiO₂) から成る基板上 Sb₂S₃の成膜の詳細な実験手順について述べる TiO₂層のブロック/(TiO₂の BL)/F をドープした SnO₂ (Sb₂S₃の作製の FTO) ガラス ・太陽電池を介してSbCl₃TU-複雑なソリューション処理³増感します。さらに、Sb₂S₃成膜過程で太陽電池の性能に影響を与える 3 つの主要要因は識別され説明。法の考え方は、金属硫化物に基づくその他の増感型太陽電池に簡単に適用できます。

プロトコル

1. TiO₂の BL ソリューションの合成

1. 2 透明バイアル 50 mL ボリュームを準備します。
2. 1 バイアル (V1) にエタノール 20 mL を追加し、V1 をシールします。
3. N₂に V1 を転送-< 1 ppm の H₂O レベルの水分制御システムでグローブ ボックスをいっぱい。
4. 1.225 mL を追加 (IV) チタンイソプロポキシド (TTIP) v1 の 0.45 μ m PVDF フィルターとゆっくり注射器を使用して、少なくとも 30 分間混合物をかき混ぜます。
   注: グローブ ボックス (または非常に低湿度条件下で) にこの手順が実行する必要があります TTIP は水分に非常に敏感なので。Ttip は透明ではない場合、ソリューションの中白い析出物が観察されるそれされます、望ましくない反応が既にソリューション内部発生したため。
5. その他準備バイアル (V2)、追加 HNO₃ (70%) の 18 μ L H₂O エタノール 20 mL に 138 μ L マイクロ ピペットを使用して軽く、少なくとも 30 分間混合物をかき混ぜると。
   注: この手順は、H₂O が使用されるため、グローブ ボックスで実行できませんする必要があります。
6. V1 ソリューションに V2 ソリューションを注ぐことによって 2 ソリューションをミックスし、透明 0.1 M TiO₂の BL ソリューションを合成する 2 時間以上撹拌します。
   メモ: 最終的な解決策は、透明でなければなりません。ソリューションが透明でない場合は、透明の液が得られるまで再します。正常に準備 TiO₂の BL ソリューションは、< 50% の湿度条件で数日間安定しています。

2. 各種 SbCl₃/TU モル比 SbCl₃TU - ソリューションの合成

注: 合成は、湿気に SbCl₃の非常に高い感受性のためグローブ ボックスで実行する必要があります。

1. グローブ ボックス内 SbCl₃ストック ソリューション [SbCl₃ N, N- ジメチルホルムアミド (DMF) の 1 mL 中 1 モル] を準備します。たとえば、DMF の 32.2 mL 原液 30 mL に SbCl₃の 6.486 g を追加します。
2. SbCl₃/TU. の目的のモル比と SbCl₃TU - ソリューションを合成する TU の指定された量を含むバイアルに原液の適切な量を追加します。たとえば、2 つのバイアルはそれぞれ 0.1 g を含む、TU の SbCl₃/TU 比 1/1.5 と 1/2.5 でのソリューションをそれぞれ合成する他に原液バイアルと 0.5637 mL 0.9394 mL を追加。

3. mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO から成る基板の作製ガラス

1. アセトン エタノールに続いて、10 分間で超音波風呂で 25 mm × 25 mm の FTO コーティング ガラス (FTO ガラス) を洗浄します。
   注: 太陽光発電のデバイスを作製するには、使用済みパターンの FTO ガラス 5-10 mm × 25 mm の FTO 表面を完全にエッチングします。
2. 即座にサンプルを圧縮空気を吹いて乾燥 FTO ガラス。
3. 20 分間掃除機 UV/O₃ FTO ガラスを扱います。
4. 60 5,000 rpm で FTO ガラス コート エタノールをスピン s。
5. ステップ 3.4 の同じ条件の下で準備された TiO₂の BL ソリューションをすぐにスピン コート。
6. 200 度で予熱したホット プレート上に置くことによって 2 分の FTO ガラスを乾燥します。
7. 3.5、3.6 TiO₂の BL の所望の厚さを取得する手順を繰り返します。
8. TiO₂ペースト (50 nm TiO₂粒) とポリエステル マスク スクリーン印刷法を用いた TiO₂の BL/FTO ガラス上 mp TiO₂層に堆積します。
9. 30 分 500 ° C で mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO ガラスをアニールします。
10. それらを室温に冷却した後透明な水溶液 40 mM TiCl₄ソリューションの焼なまし材の基板を浸します。
    注: 40 mM TiCl₄ソリューションは透明でなければなりません。場合は、基板は、彼らが冷却される前に TiCl₄溶液浸漬は、基板とソリューションの大きな温度差のため簡単に侵入できます。
11. 60 ° C でオーブンに基板を転送し、1 時間を保存します。
12. 数回ぬるま湯で基板を洗浄して即座にそれらの blowingcompressed 空気で乾燥させる.
    注: 基板の割れを防ぐためには、暖かい水を使用 (約 60 ° C) と洗浄します。
13. 30 分 500 ° C で再度基板をアニールします。

4. Sb₂S₃ mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO の基板上の成膜ガラス

1. 20 分間、表面をきれいにするクリーナー UV/O₃基板を扱い、グローブ ボックスに転送します。
2. スピンコーター SbCl₃TU - ソリューションとそれらをスピンコート 60 s 前の 3,000 rpm で基板上に DMF 溶媒。
3. 部分の熱分解と非晶質相の形成のための 150 の ° C のホット プレートにそれらを置くことによって 5 分間としてコーティングされた基板を加熱します。
4. 300 ° C 相形成のため 10 分で予熱したホット プレート上にサンプルを配置します。
5. 部屋の温度に試料を冷却した後、グローブ ボックスからそれらを削除します。

5. Sb₂S₃の作製-太陽電池の増感

1. クロロ ベンゼン 1 mL に poly(3-hexylthiophene) (P3HT) の 15 mg を追加し、明確な赤みを帯びたソリューションが得られるまで優しくそれらを攪拌します。
2. Sb₂S₃コート クロロ ベンゼンのスピン-60 の 3,000 rpm で基板を作製した s。
3. 5.2 の手順で使用したのと同じ条件下で調製した P3HT 溶液で再びコートをすぐにスピンします。
4. 蒸発器の真空チャンバー内に試料を転送します。
5. 率が 1.0 の金預金 100 nm Å/秒。

結果

図 1は、mp TiO₂/TiO₂- BL/FTO ガラス基板上 Sb₂S₃成膜実験手順の概略を示します。図 1 dは、基本的なプロパティと記載法により作製した代表的な製品のスキームを示しています。輝安鉱 Sb₂S₃構造^1,3,4の主要な x ?...

ディスカッション

TiO₂の BL は、広く太陽電池におけるホールブロッ キング層として使用します。図 2のように、大きな違いは TiO₂の BL 厚さに応じてデバイスのパフォーマンスで観察された.したがって、批判的に FTO と正孔輸送材料¹¹の間の直接の接触を防止するホールブロッ キング層として機能するため最高の全体的なデバイスの性能を取得するその厚?...

資料

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