文摘

CIGS薄膜的纳米颗粒与聚合物interdigited捏造通过成本效益nonvacuum薄膜沉积过程称为逐层nanoassembly (LbL)。香烟纳米粒子合成了加热氯化铜、氯化铟,镓氯化,在油酰胺和硒都分散在水中,所需的表面电荷被涂料粒子通过监管和pH值与聚苯乙烯磺酸钠(PSS)。提高纳米颗粒分散的pH值降低了电动电位 在pH值7 mV 在pH值10.5 mV。涂层的香烟纳米粒子与PSS (CIGS-PSS)产生一个稳定的分散在水中 mV电动电位。(CIGS薄膜电荷相反的香烟纳米粒子/香烟),香烟纳米颗粒和PSS(香烟/ PSS),和PSS-coated香烟纳米颗粒和表面(CIGS-PSS /裴)建立了通过LbL nanoassembly。每个双分子层膜厚度和电阻率测量的电影,和光电性质的电影为太阳能电池应用进行了研究。太阳能电池设备用219 nm香烟制作的电影,当被50 W光源,生产0.7 V开路电压和0.3 mA /厘米2短路电流密度。

1。介绍

叠层(LbL) nanoassembly被认为是最精确的,随时可伸缩、具有成本效益的聚合物和纳米颗粒的薄膜沉积技术(1,2]。铜(InGa)2(香烟)纳米粒子已被广泛认为是在薄膜太阳能电池由于其理论效率高和可调带隙。通常,CIGS太阳能电池组合使用共蒸发技术要求一个真空环境,因此导致更高的成本(3,4]。cigs太阳能电池的制造成本必须降低经济可行的。许多研究人员都集中在降低制造成本通过交替,nonvacuum沉积过程,如刀片涂层和喷雾沉积工艺(5,6]。然而,这些方法没有提供充分、准确的膜厚度和产生不良的粗糙表面7]。LbL过程可以用来制造量身定制薄膜在不同类型的基质,刚性和柔性。在LbL nanoassembly,积极和带负电荷的物种都是按顺序沉积在衬底通过备用浸渍(8]。LbL nanoassembly不需要复杂的实验室设施或精确的过程控制,从而产生一个具有成本效益的薄膜制造过程。

在这项研究中,LbL nanoassembly利用存款控制薄膜电荷相反的香烟纳米粒子和聚合物。薄膜沉积和电气特性提出了结果和讨论。小说方面,本研究包括香烟的功能化纳米粒子创造稳定的水性分散体表面所需的费用,制造香烟薄膜使用LbL nanoassembly,和电影的特征和利用太阳能电池的应用程序。

2。实验

2.1。香烟纳米颗粒的合成

香烟使用氯化铜纳米粒子合成(CuCl),氯化铟(包括3),氯化镓(GaCl3)和硒(Se)油酰胺(OLA)溶剂。OLA(70%)被加热在200°C下2小时的氮。然后在充氮手套箱,10毫升的加热OLA了Se和加热在250°C 1小时而被激起了。同时包含包括OLA添加到两个不同的烧瓶3在250°C和CuCl,每个加热30分钟了。所有三个烧瓶然后混合GaCl3是补充道。这个反应混合物加热在250°C 75分钟而被激起了(9- - - - - -11]。生成的纳米粒子通过悬挂在氯仿和洗通过乙醇沉淀。合成纳米颗粒的大小进行了分析使用莫尔文纳米尺寸,大小和电动电位测量仪器,和原子力显微镜(AFM)和材料成分通过电子散射谱(EDS)进行了研究。

香烟纳米粒子是通过用乙醇清洗数小时,高速离心法沉淀。生成的纳米粒子分散在水中。电动电位(ζ)的纳米颗粒分散在水中慢慢控制通过调节pH值0.1克/毫升氢氧化钠溶液添加到香烟分散。在另一个进程,香烟纳米颗粒被涂上一层聚苯乙烯磺酸钠(PSS)允许均匀分散在水中(CIGS-PSS)。

2.2。电影白衬衫和表征

LbL nanoassembly是基于电荷相反的顺序沉积聚合电解质或纳米粒子。LbL电影可以沉积在各种不同形状和大小的刚性和柔性基板(8]。LbL nanoassembly电荷相反的香烟纳米颗粒(香烟/香烟),香烟纳米颗粒和PSS(香烟/ PSS),和PSS-coated香烟纳米颗粒和表面(CIGS-PSS /裴)。

研究电影开发过程,LbL nanoassembly表现在石英晶体微量天平(药物)12]。香烟的水分散纳米粒子和聚合物被用于通过交替沉积浸渍电荷相反的衬底材料。样品在去离子水清洗后每个沉积。单独的香烟LbL电影分散在水pH值7 (ζ= mV)和pH值10.5 (ζ=−51 mV)(香烟/香烟膜),香烟在pH值7和PSS (ζ=−58 mV)(香烟/ PSS电影),香烟在pH值10.5和裴(ζ= mV)(香烟/裴电影),香烟涂PSS (CIGS-PSS,ζ= mV)和裴(CIGS-PSS /裴电影)在药物沉积。

测量厚度,电影挠使用显微操纵器探测和使用原子力显微镜(AFM)进行了分析。共焦扫描显微镜是用来取第一个和最后一个的图像层CIGS-PSS /裴电影由25个影响。底层lablled利用表达载体的20 nm fluorospheres尼罗红(红色荧光染料)和顶层lablled使用异硫氰酸荧光素(FITC)(才fluoerescent染料)。研究了幅值和光电特性香烟/香烟,香烟/ PSS和CIGS-PSS /裴LbL沉积在电影 频道在碳管分散——(ITO)镀膜玻璃衬底。电流电压测量的电影进行了使用基思半导体表征仪器。的光学吸收CIGS-PSS /裴薄膜沉积在玻璃衬底与ultraviolet-visible-near红外测量(UV-Vis-NIR)光谱。

2.3。太阳能电池的伪装和测试

太阳能电池设备包括CIGS-PSS /裴吸收层,硫化镉(cd) n型层,内在的氧化锌2(我)缓冲层,aluminum-doped氧化锌2(n))层是制造和测试。219纳米厚CIGS-PSS /裴LbL电影ITO-coated玻璃衬底上沉积。硫化镉薄膜沉积在CIGS-PSS /裴通过化学浴沉积。内在氧化锌氧化锌2(我)和氧化锌2(n)的旋转涂布膜沉积技术分散在异丙醇。的十/五特征与基思半导体太阳能电池测量表征仪器。

3所示。结果与讨论

3.1。香烟纳米粒子特性

EDS结果显示合成的材料组成香烟纳米粒子呈现在图1。金和硅峰是由于所使用的金色涂布硅衬底。


图1
EDS结果显示香烟材料组成的纳米粒子放在一个金色涂布硅衬底。

的扫描电子显微镜(SEM)图像香烟纳米粒子图所示2。图像的样本是由干燥一滴金色涂布硅衬底上香烟色散。可以看出各个粒径在10纳米范围,它形成一个聚合干的时候。电动电位(ζ香烟的纳米颗粒分散在水中测量 mV。提出的解决方案是缓慢的pH值0.1克/毫升氢氧化钠溶液添加到香烟分散。的变化ζ纳米粒子分散在水中的pH值如图3(一个)。这是观察到的ζ改变从 mV在酸碱7−51 mV在10.5。PSS是慢慢地添加到香烟分散在水pH值7ζ的纳米颗粒缓慢下降 mV, mV。CIGS-PSS纳米粒子的大小分布在水中经过离心法分离大颗粒分散在15000 rpm 15分钟图所示3 (b)。粒子的大小分布是观察到从5 - 10纳米。


图2
SEM香烟纳米颗粒在水中的形象。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
pH-dependent电动电位(ζ香烟的纳米颗粒分散在水中。(b) CIGS-PSS纳米颗粒分散在水中。
3.2。LbL电影白衬衫和表征

LbL电影开发过程的香烟/香烟,香烟香烟/ PSS,香烟/裴,CIGS-PSS /裴电影测量药物如图4。测量厚度后的每一个双层的电影。4影响香烟的厚度/香烟,香烟香烟/ PSS,香烟/裴和CIGS-PSS /裴电影测量31海里,38海里,分别和70海里。CIGS-PSS /裴电影展示了最佳电影发展三尽管良好的电动电位香烟在水中的pH值7 ( mV)和pH值10.5 (−51 mV)。香烟涂上PSS显示一个更好的比光粒子吸附到表面。归因于一个更好的附件两个聚合物PSS和裴,相比附件香烟和PSS之间或香烟,香烟。此外,香烟的可比厚度/香烟和香烟/ PSS电影进一步显示附件的香烟PSS是香烟比香烟。


图4
药物结果显示薄膜沉积CIGS-PSS /裴,香烟/香烟,香烟/ PSS。

AFM图像显示的顶面CIGS-PSS /裴电影由6影响呈现在图5。擦伤用显微操纵器探头也在图中看到。划痕的深度测量使用阶梯高度60海里在AFM测量工具。划痕的深度小于的膜厚度测量药物的结果。它表明在起跑线上并不完全穿透这部电影。的扫描电镜图像6双层CIGS-PSS /裴电影如图6。图6(一)展示了电影的顶面说明由显微操纵器探头。图6 (b)展示了电影的边缘。扫描电镜图片确认的固体薄膜形成纳米颗粒。共焦扫描显微镜的图像姓(底部)和(上)层CIGS-PSS /裴电影拍摄的帮助下荧光染料数据所示6 (c)和6 (d),分别。不同颜色的底部和顶部表面的电影显示层分离。


图5
AFM图像显示的顶面CIGS-PSS /裴电影。插图显示的阶梯高度测量。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
的扫描电镜图像6双层LbL nanoassembled香烟的电影。(一)顶面。(b)的边缘电影。(c)的共焦图像底部和(d)顶层CIGS-PSS /裴电影。

的电阻率 频道在ITO-coated玻璃是47 MΩ·m。减少测量电阻率的电影每2的沉积影响的电影图所示7。6的电阻率影响CIGS-PSS /裴,香烟/ PSS和香烟/香烟电影测量1.13 MΩ·米,0.15 MΩ·m,分别和0.01 MΩ·m。CIGS-PSS /裴电影有更高的电阻率由于介绍PSS和裴聚合物。香烟/ CIGS薄膜电阻率最低。


图7
沉积膜的电阻率与数量的影响香烟/香烟,CIGS-PSS /裴和香烟/ PSS。

的光学吸收CIGS-PSS /裴薄膜沉积在玻璃衬底如图8。结果表明,吸光度光谱边缘附近的电影是920纳米波长(1.3 eV带边沿)。图的插图8显示了电流电压(J / V)的特征6-bilayer CIGS-PSS /裴电影沉积在一个 频道,在黑暗中,当用100 W光源照明。观察到的电流密度增加三折叠照明光源。然而,聚合物采用LbL沉积过程中可能容易受到光降解的影响,将在未来的研究,可能需要进一步的材料设计。


图8
吸光度光谱CIGS-PSS /裴电影。插图显示了电流电压(J / V) 6的特点影响CIGS-PSS /裴电影在黑暗中照明下(实线)和(虚线)。
3.3。太阳能电池的结果

太阳能电池的测量十/五特点为1.0厘米2活动区域,当被50 W光源,如图9。考虑太阳能电池结构的插图所示图。开路电压(V),短路电流密度(J),并在照明功率密度测量是0.7 V, 0.3 mA /厘米2和0.168 mW /厘米2,分别。介绍了太阳能电池的效率测量是3.5%,这与最近报道由喷射沉积等新兴制造技术设备,但低于设备通过香烟的同时蒸发材料制作的。LbL组装香烟电影包含缺陷,提高载体重组。这些电影也松散,包括聚合物有助于降低载流子迁移率,从而影响太阳能电池的效率。然而,它还应该指出,LbL组装很简单,划算,和高度可伸缩的。


图9
十/五太阳能电池设备的特征组成的CIGS-PSS /裴,cd,氧化锌(n),与伊藤和氧化锌(i)电影前后联系,当被50 W光源。插图显示了设备的结构示意图。

4所示。结论

制造的薄香烟电影使用成本效益,nonvacuum,高度可伸缩的LbL nanoassembly过程提出了。香烟纳米颗粒合成,分散在水中,所需的电动电位是通过调节pH值(从获得的 mV在pH值7−51 mV与PSS (pH值10.5)和涂料 mV)。LbL薄膜沉积过程的电荷相反香烟纳米颗粒(香烟/香烟),香烟纳米颗粒和PSS(香烟/ PSS),和PSS-coated香烟纳米颗粒和表面(CIGS-PSS /裴)进行了研究。十/五和光电特性结果的电影已经提出和讨论。太阳能电池原型设备使用发达的电影一直在制造和测试。LbL沉积太阳能制造香烟的电影很适用于成本效益。

确认

确认是由于纳米系统综合发展研究所(英蒂)为这项研究提供的支持和设施。作者感谢杰森剑桥,马克罐头,帕文Ghane,罗伯特•Vittoe和丹尼尔敏博士的实验室援助。