Principais fatores que afetam o desempenho do Sb2S3-sensibilizadas células solares durante um Sb2S3 deposição através de SbCl3-tioureia solução-processamento complexo

Resumo

Este trabalho fornece um procedimento experimental detalhado para a deposição de Sb₂S₃ em uma camada de mesoporos TiO₂ usando um SbCl₃-solução complexa de tioureia para aplicações em Sb₂S₃-sensibilizadas células solares. Este artigo também determina os fatores-chave que regem o processo de deposição.

Resumo

SB₂S₃ é considerado como um dos absorventes de luz emergentes que podem ser aplicados para células solares de última geração por causa de suas propriedades ópticas e elétricas originais. Recentemente, nós demonstrou seu potencial como células solares de última geração, conseguindo uma alta eficiência fotovoltaica de > 6% em Sb₂S₃-sensibilizadas células solares usando uma simples tioureia (TU)-com base em método de solução complexa. Aqui, descrevemos os principais procedimentos experimentais para a deposição de Sb₂S₃ em uma camada de mesoporos TiO₂ (mp-TiO₂) usando uma solução complexa de SbCl₃- TU na fabricação de células solares. Primeiro, a solução TU -₃SbCl é sintetizada pela dissolução SbCl₃ e TU em N, N- dimetilformamida em diferentes proporções molares de SbCl₃: TU. Então, a solução é depositada em substratos preparados como consistindo de mp-TiO₂/TiO₂-bloqueando camada/F-dopado SnO₂ vidro por revestimento de rotação. Finalmente, para formar o cristalino Sb₂S₃, as amostras são recozidas em um N₂-encheu a caixa de luva a 300 ° C. Os efeitos dos parâmetros experimentais sobre o desempenho do dispositivo fotovoltaico também são discutidos.

Introdução

Chalcogenides baseados em antimónio (Sb-Chs), incluindo Sb₂S₃, Sb₂Se₃, Sb₂(S, Se)₃e CuSbS₂, são considerados materiais emergentes que podem ser usados em células solares de última geração^{1 ,2,3,4,5,6,7,8}. No entanto, dispositivos fotovoltaicos baseados em Sb-Chs absorventes de luz ainda não atingiram a eficiência de conversão de energia de 10% (PCE) necessária para demonstrar a comercialização viável.

Para superar essas limitações, vários métodos e técnicas que foram aplicadas, tais como um tratamento de superfície induzida por tioacetamida¹, um método de deposição de temperatura⁴, uma técnica de deposição de camada atômica²e o uso de coloide ponto quântico pontos⁶. Entre esses vários métodos, o processamento de solução com base em uma decomposição de banho químico exibiu o mais alto desempenho¹. No entanto, um controle preciso da reação química e o pós-tratamento são necessárias para alcançar o melhor desempenho de^1,3.

Recentemente, desenvolvemos um solução simples-processamento de alto desempenho Sb₂S₃-sensibilizadas células solares usando uma SbCl₃-solução complexa de tioureia (TU)³. Usando esse método, fomos capazes de fabricar uma qualidade Sb₂S₃ com uma relação controlada de Sb/S, que foi aplicada a uma célula solar para atingir um desempenho comparável dispositivo de 6,4% PCE. Também fomos capazes de efetivamente reduzir o tempo de processamento, uma vez que o Sb₂S₃ foi fabricado por uma deposição de etapa única.

Neste trabalho, descrevemos o procedimento experimental detalhado para um depoimento de_{3 2}S Sb no substrato consistindo de mesoporos TiO₂ (mp-TiO₂) / TiO₂ camada de bloqueio (TiO₂- BL) / F-dopado SnO₂ ( Vidro FTO) para a fabricação de Sb₂S₃-sensibilizadas células solares através de SbCl₃- TU complexo processamento de solução³. Além disso, três fatores-chave que afetam o desempenho fotovoltaico no decurso de uma deposição de₃ Sb₂S foram identificadas e discutidas. O conceito do método pode ser facilmente aplicado às outras células solares de sensibilizador-tipo com base em sulfetos metálicos.

Protocolo

1. síntese da solução TiO₂- BL

1. Prepare 2 frascos transparentes com um volume de 50 mL.
2. Adicionar 20 mL de etanol a 1 frasco (V1) e selar V1.
3. Transferência de V1 para um N₂-cheio de porta-luvas com um sistema de umidade controlada de um H₂O nível de < 1 ppm.
4. Adicionar 1,225 mL de titânio (IV) isopropoxide (TTIP) v1 usando uma seringa com um filtro PVDF de 0,45 µm e suavemente agitar a mistura pelo menos 30 min.
   Nota: Esta etapa deve ser executada em uma caixa de luvas (ou em condições de umidade muito baixa) desde TTIP é altamente sensível à umidade. Se a solução TTIP não é transparente ou brancos precipitados são observados dentro da solução, isso não deve ser usado, porque já ocorreu uma reação indesejável dentro da solução.
5. Os outros preparados ampola (V2), adicionar 18 μL de HNO₃ (70%) e 138 μL de H₂O a 20 mL de etanol utilizando uma micropipeta e agitar suavemente a mistura pelo menos 30 min.
   Nota: Este passo não deve ser executado em uma caixa de luva, porque H₂O é usado.
6. Misture as 2 soluções derramando a solução V2 em solução a V1 e mexa por mais de 2 h sintetizar a solução 0,1 M TiO₂- BL transparente.
   Nota: A solução final deve ser transparente. Se a solução não é transparente, ressintetizá-lo até à obtenção de uma solução transparente. Preparado com sucesso TiO₂- BL soluções são estáveis por vários dias em condições de umidade de < 50%.

2. síntese das soluções SbCl₃- TU com várias SbCl /TU₃relações Molar

Nota: A síntese deve ser realizada no porta luvas, por causa da sensibilidade muito alta de SbCl₃ à umidade.

1. Prepare a SbCl₃ solução stock [1 mmol de SbCl₃ em 1 mL de N, N- dimetilformamida (DMF)] no interior da caixa de luva. Por exemplo, adicione 6,486 g de SbCl₃ a 30 mL de DMF para um 32,2 mL de solução.
2. Adicionar uma quantidade apropriada de solução para um frasco contendo uma determinada quantidade de TU para sintetizar a solução TU -₃SbCl com a desejada relação molar de SbCl₃/TU. Por exemplo, suponha que o 2 frascos contêm 0,1 g de TU, adicionar 0,9394 mL da solução para um frasco e 0,5637 mL para o outro, para sintetizar soluções com SbCl₃/TU rácios de 1,5/1 e 1/2.5, respectivamente.

3. preparação do substrato composto por mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO vidro

1. Lave o vidro revestido FTO (FTO vidro) de 25 x 25 mm em um banho ultra-sônico com acetona por 10 min, seguido por etanol.
   Nota: Para fabricar o dispositivo fotovoltaico, use vidro FTO pre-modelado, onde a superfície FTO de 5-10 mm x 25 mm está totalmente gravada.
2. Instantaneamente, seque o vidro FTO um jacto de ar comprimido da amostra.
3. Trate o vidro FTO com um UV/O₃ limpador por 20 min.
4. Girar o casaco etanol no vidro FTO a 5.000 rpm por 60 s.
5. Imediatamente gire casaco novamente com a solução preparada TiO₂- BL sob as mesmas condições de passo 3.4.
6. Seque o vidro FTO por 2 min, colocando-o em um prato quente pré-aquecido a 200 ° C.
7. Repita as etapas de 3.5 e 3.6, para obter a espessura desejada da BL -₂de TiO.
8. Deposite a camada de₂ mp-TiO no vidro - BL/FTO do TiO₂usando o método de impressão de tela com TiO₂ colar (50 nm TiO₂ as partículas) e uma máscara de poliéster.
9. Recoze o vidro mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO a 500 ° C por 30 min.
10. Mergulhe os substratos recozidos em uma solução aquosa transparente de 40 milímetros TiCl₄ após refrigerá-los à temperatura ambiente.
    Nota: Os 40 milímetros TiCl₄ solução deve ser transparente. Se os substratos são mergulhados na solução TiCl₄ antes de eles são resfriados, eles podem facilmente quebrar por causa da diferença de temperatura entre o substrato e a solução.
11. Transferir os substratos para uma estufa a 60 ° C e armazená-los por 1h.
12. Lave os substratos várias vezes com água morna e instantaneamente, seque-os por blowingcompressed ar neles.
    Nota: Para evitar qualquer quebra de substratos, usar água morna (aproximadamente 60 ° C) quando enxaguar.
13. Recoze os substratos novamente a 500 ° C, por 30 min.

4. deposição de Sb₂S₃ no substrato de mp-TiO₂/TiO₂- BL/FTO vidro

1. Tratar os substratos com um UV/O₃ mais limpo por 20 min limpar a superfície e transferi-los para a caixa de luva.
2. Girar o casaco solvente sobre os substratos a 3.000 rpm para 60 antes da s girar revestindo-os com a solução TU -₃SbCl DMF.
3. Aqueça os substratos revestidos como por 5 min, colocando-os num prato aquecido a 150 ° C, para uma decomposição térmica parcial e a formação de fase amorfa.
4. Coloca as amostras em uma chapa quente pré-aquecido a 300 ° C por 10 min para a formação de fase cristalina.
5. Após as amostras à temperatura de refrigeração, removê-los da caixa de luva.

5. fabricação de Sb₂S₃-sensibilizadas células solares

1. Adicionar 15 mg de poly(3-hexylthiophene) (P3HT) a 1 mL de clorobenzeno e delicadamente agite-os até obter uma solução clara avermelhada.
2. Girar o casaco clorobenzeno no Sb₂S₃-depositado o substrato a 3.000 rpm por 60 s.
3. Imediatamente gire casaco novamente com a solução de P3HT preparada nas mesmas condições como usado na etapa 5.2.
4. Transferi as amostras em uma câmara de vácuo do evaporador.
5. Depósito 100 nm de ouro com uma taxa de 1,0 Å / s.

Resultados

A Figura 1 mostra uma representação esquemática do procedimento experimental para a deposição de_{3 2}S Sb no substrato de vidro de - BL/FTO do mp-TiO₂/TiO₂. Figura 1 d mostra as propriedades básicas e esquema de um típico produto fabricado pelo método descrito neste documento. O padrão principal difração de raios x (XRD) é bem combinado com o de um stibnite Sb₂S

Discussão

TiO₂- BL é amplamente usada como uma camada de bloqueio de buraco em células solares. Como mostrado na Figura 2, observou-se uma grande diferença no desempenho dispositivo dependendo da espessura BL -₂TiO. Portanto, sua espessura deve ser otimizada para obter o melhor desempenho global do dispositivo, porque criticamente atua como uma camada de orifício de bloqueio para evitar qualquer contacto directo entre FTO e buraco-transportando materiais¹¹

Materiais

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