全溶液法制备无机纳米晶光伏器件

本实验的总体目标是在常温条件下，通过旋涂和喷雾涂覆的方法沉积无机纳米晶体薄膜，在配体交换和退火处理后，构建完全基于溶液工艺的太阳能电池器件。该方法有助于回答纳米科学和应用材料界面领域中的一些关键问题，例如：我们能否通过在纳米尺度上制备无机材料，实现自下而上全溶液法加工功能电子器件。该技术的主要优势在于，我们可开始考虑将电子器件直接喷涂到新型或非常规的基底表面。

这包括得益于沉积过程的额外自由度，可在短时间内喷涂大面积且不规则的区域。尽管该方法可为构建光伏器件提供具体指导，但也适用于其他系统，例如发光二极管（LED）、晶体管和电容器的喷涂加工。在合成硒化镉和碲化镉墨水时，请按照文本方案操作至吡啶合成步骤。

倒出上清液，加入5毫升蒸馏吡啶和5毫升1-丙炔醇。然后用惰性气体冲洗烧瓶，并在40千赫下超声处理混合物30分钟。还需通过1微米聚四氟乙烯（PTFE）注射器滤膜过滤油墨，并通过干燥200微升样品来测定油墨浓度。

最后，根据需要使用吡啶和1-丙炔醇稀释墨水，并将墨水在惰性气体环境下储存。在500毫升的锥形瓶中，将三水合氯金酸与水混合并搅拌。接着，将制备好的四辛基溴化铵加入黄色混合物中。

接下来，加入己硫醇配体。另取容器，将硼氢化钠溶于水中。立即将此产生气泡的还原溶液逐滴加入反应瓶中。

搅拌三小时后，用分液漏斗分离有机相。然后，使用旋转蒸发仪将体积浓缩至 20 毫升。用 50 毫升正己烷和 200 毫升甲醇洗涤收集的墨水。

沉淀固体并倾去无色上清液。随后将固体空气干燥，并重新分散于氯仿中，浓度为70毫克/毫升。配制适当比例的铟锡固体对于制备高导电性的ITO油墨电极至关重要。

退火后形成的氧化物薄膜对前驱体中相对浓度的微小变化非常敏感。首先，在一个50毫升的聚丙烯管中，将硝酸铟水合物和二水合氯化锡的固体盐与10毫升2-甲氧基乙醇混合。向该混合物中加入氨水以调节pH值。

然后加入硝酸铵固体作为氧化剂。将试管置于温水中，在40千赫兹条件下超声处理20至60分钟，或直至墨水由浑浊白色变为无色透明。裁剪一块方形玻璃载片，依次用超声处理、乙醇和丙酮清洗干净。

接下来，将玻璃片放入浓氢氧化钠溶液中处理一分钟。用清水短暂冲洗玻璃片，然后在其表面旋涂 ITO 墨水。随后，立即将载玻片转移至设定为 400 摄氏度的加热板上。

五分钟后，将其取出，并在陶瓷板上冷却至室温。继续在载玻片上涂覆 ITO 油墨，直至薄膜的方块电阻低于 1,000 欧姆（使用万用表或四探针测量仪测定）。最后，将薄膜短暂浸入稀王水中，然后用蒸馏水冲洗。

干燥后，电阻应低于 500 欧姆。现在，以打印的网格作为参考，用玻璃纸胶带条覆盖需要保留的区域，以保护这些层在酸蚀过程中不被腐蚀。胶带覆盖的位置，ITO 将保留在玻璃上。

若图案不正确，器件将无法获得所需的面积，导致效率或电流测量结果不准确。此外，图形化可确保相邻器件之间互不接触，从而避免器件短路。接下来，将薄膜浸入稀王水中，在60摄氏度下溶解暴露的氧化铟锡（ITO）。

用水快速冲洗并干燥后，揭去胶带。然后用丙酮和乙醇超声处理薄膜，以去除任何胶带残留物。现在，添加测量用的接触点。

在基板方片一侧的每条 ITO 条带边缘放置少量银环氧树脂。最后，将基板在 150 摄氏度下加热两分钟，然后使其冷却。首先将图案化的 ITO 玻璃基板放置在旋涂仪上，并涂覆硒化镉晶体油墨。

在150摄氏度下干燥两分钟，然后将其浸入加热至60摄氏度的氯化铵甲醇溶液中15秒。接着，将薄膜浸入异丙醇中。随后，在惰性气体氛围下干燥薄膜，并在380摄氏度下加热25秒。

冷却后，用蒸馏水冲洗掉多余的盐，并在惰性气体下干燥基底。重复此过程，直至达到所需厚度。与旋涂不同，喷雾涂布的效果会因操作人员的不同而存在不一致的细微差异。

然而，经过数月的反复试验，我们找到了一种行之有效的方法。使用胶带或夹子将ITO玻璃基板垂直固定在平坦、坚固的支撑物上。将0.25至1毫升稀释后的镉墨水装入重力供料式喷笔中。

对于较薄且光滑的薄膜，应设置较高的压力。现在，在距离基底表面60毫米处，开始在基底外喷涂纳米晶体油墨，然后快速地来回移动喷头，同时保持喷流方向与基底表面垂直。通过喷涂，我们能够更精确地控制薄膜的厚度、粗糙度以及整体形貌。

然而，由于这些额外的自由度，必须仔细监控喷雾距离、溶液浓度、输送压力以及沉积时间，以确保一致性。持续添加纳米晶体墨水层，直至达到所需厚度。然后，对活性层进行胶带图案化。

最后，可将金纳米晶体薄膜喷涂到基底上。采用扫描电子显微镜监测退火薄膜中晶粒生长的程度。在沉积单层镉染料并在氯化铵存在下加热后，通过调节加热温度和时间、墨水浓度、喷涂压力和时间或旋涂速度，对晶粒尺寸进行优化。

通常，较大的晶粒表明器件具有较高的短路电流。利用紫外-可见光谱法，通过吸收峰与量子限域效应的相关性来估算纳米晶体的尺寸。通过调整前驱体浓度、反应温度以及墨水合成时间，可调控晶体尺寸。

采用光学轮廓仪测量薄膜的厚度和粗糙度。该方法用于每种材料的单层膜以及完整器件的表征。通过傅里叶变换红外光谱监测氯化铵甲醇处理过程中配体交换的程度，该过程通过观察2,924 cm⁻¹和2,852 cm⁻¹处C-H醇伸缩振动吸收峰的消失来判断。

在黑暗环境及经校准的太阳光模拟器提供的标准一太阳光照条件下，获得了电流-电压特性。文本方案中提供了详细说明。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用喷枪、预制油墨和热源，将通常不溶的无机纳米晶体喷涂沉积到非导电基底上，以简便地构建可工作的电子器件。

一旦掌握，该技术若操作得当，可在一到两小时内完成。在进行该操作时，需注意加热后应缓慢冷却装置基底，以避免玻璃开裂。切勿忘记，纳米材料的操作可能具有极高危险性。

进行所有喷雾操作时，务必采取预防措施，例如在通风橱内操作并佩戴个人防护装备。