Environmentally friendly nanocrystals synthesized and processed in ambient conditions for solution-processed solar cells

Abstract

Due to the continuously increasing energy demand and the environmental concerns about climate changes raised by international community, alternative energy resources have been put under intense investigation for the past decade. As a consequence, different technologies have been proposed, photovoltaics being a promising one among them. Till now, different structures and methods have been employed to fabricate photovoltaics for energy production. Traditionally, vacuum-based deposition methods have been used to form the stacks required for proper photovoltaic operation. Triggered by the advancements in colloidal synthesis methods, thin films of colloidal semiconductor nanocrystals (CNCs) have gained tremendous attention as cheap substitutes for vacuum-deposited layers. Up to date, various colloidal synthesis methods have been developed to produce semiconductor nanocrystals for applications in photovoltaics. Thanks to the high degree of controllability and high material quality, hot injection methods have been the way-to-go for the past decades. However, the application of CNC films in large-scale photovoltaics has been delayed due to the synthesis constraints originating from hot injection methods itself. In this work, we demonstrate that it is possible to eliminate the need for air-free techniques by careful selection of the precursors and oxygen-aware design of reaction conditions. We use the semiconducting compound silver bismuth sulfide (AgBiS2) as the prototype material to demonstrate the easiness and efficiency of the method. This semiconducting compound is selected as the prototype material thanks to its attractive optical properties for photovoltaics and the environmentally friendly nature of the constituent elements. Solar cells fabricated using CNCs synthesized at room temperature have yielded a power conversion efficiency of 5.5 %, demonstrating the promising potential of the method. The application of the method in the synthesis of AgBiS2 CNCs results in a cost reduction of at least 60 % compared to the previous studies reporting similar photovoltaics-grade AgBiS2 CNCs. Another important challenge in employing hot injection methods is the scalability. Due to the difficulties in maintaining the thermal fluctuations within the reaction volume low and in the maintenance of inert atmosphere inside the reaction vessel, hot injection methods impose an inherent scale constraint on the synthesis. On the other hand, with the elimination of scale constraint by the use of an ambient condition synthesis method, the requirement for high temperature reaction and chemically inert reaction environment is eliminated, enabling us to achieve large-scale volume production of CNCs. This, in turn, can lower the production cost of CNCs further, hence the cost of photovoltaics that are based on CNCs. In addition, we show that the ambient condition method can be adapted for the synthesis of another metal chalcogenide, namely silver bismuth selenide CNCs (AgBiSe2) with an extended absorption spectrum further into the near infrared down to ~ 0.9 eV. The resulting AgBiSe2 CNC solar cells achieved a preliminary efficiency up to 2.6 %. Also, thanks to the structural similarity of these two compounds, the two methods that are developed for the synthesis of AgBiS2 and AgBiSe2 CNCs are combined and optimized to obtain alloyed quaternary AgBiSSe CNCs as a facile means of bandgap tuning in silver bismuth chalcogenide semiconductor family. The formation of AgBiSSe CNCs are verified through optical and structural characterization methods to show the formation of quaternary phase and also the phase purity of the obtained product. Overall, it is shown that the proposed ambient condition synthesis method is capable of providing photovoltaics-grade RoHS-compliant materials at a lower cost and higher throughput compared to the hot-injection based methods, opening a novel way for low-cost environmentally friendly photovoltaics.

Debido al continuo aumento de la demanda de energía y las preocupaciones ambientales sobre el cambio climático planteadas por la comunidad internacional, los recursos energéticos alternativos han sido objeto de una intensa investigación durante la última década. Como consecuencia, se han propuesto diferentes tecnologías, siendo la fotovoltaica una prometedora entre ellas. Hasta ahora, se han empleado diferentes estructuras y métodos para fabricar células solares para la producción de energía. Tradicionalmente, se han utilizado métodos de deposición basados en vacío para formar las capas necesarias para el funcionamiento fotovoltaico adecuado. Debido a los avances en los métodos de síntesis coloidal, las películas finas de nanocristales semiconductores en solución coloidal (CNCs) han ganado una gran atención como sustitutos baratos de las capas depositadas al vacío. Hasta la fecha, se han desarrollado varios métodos de síntesis coloidal para producir nanocristales semiconductores para aplicaciones en energía fotovoltaica. Gracias al alto grado de controlabilidad y la alta calidad del material, los métodos de inyección en caliente han sido el camino a seguir durante las últimas décadas. Sin embargo, la aplicación de películas de CNCs en fotovoltaica a gran escala se ha retrasado debido a las propias limitaciones de estos métodos de síntesis. En este trabajo, demostramos que es posible eliminar la necesidad de técnicas inertes mediante la selección cuidadosa de los precursores y el diseño de las condiciones de reacción conscientes del oxígeno. Usamos el compuesto semiconductor sulfuro de bismuto y plata (AgBiS2) como material prototipo para demostrar la facilidad y eficiencia del método. Este compuesto semiconductor se ha seleccionado como material prototipo gracias a sus atractivas propiedades ópticas para la energía fotovoltaica y la naturaleza ecológica de los elementos constituyentes. Las células solares fabricadas con CNCs sintetizadas a temperatura ambiente han arrojado una eficiencia de conversión de energía del 5,5 %, lo que demuestra el potencial prometedor del método. La aplicación del método en la síntesis de CNCs de AgBiS2 da como resultado una reducción de costes de al menos un 60 % en comparación con los estudios anteriores que reportaron CNCs de AgBiS2 de una calidad fotovoltaica similar. Otro desafío importante al emplear métodos de inyección en caliente es la escalabilidad. Debido a las dificultades para mantener bajas las fluctuaciones térmicas y la atmósfera inerte dentro del recipiente de reacción, los métodos de inyección en caliente imponen una restricción de escala inherente a la síntesis. Por otro lado, con la eliminación de la restricción de escala mediante el uso de un método de síntesis en condiciones ambientales, se elimina también el requisito de reacción a alta temperatura y entorno de reacción químicamente inerte, lo que nos permite lograr una producción en volumen a gran escala de CNCs. Esto, a su vez, puede reducir aún más el coste de producción de los CNCs, y en consecuencía el coste de las células fotovoltaicas que se basan en CNCs. Además, mostramos que el método en condiciones ambientales se puede adaptar para la síntesis de otro calcogenuro metálico, por ejemplo, CNCs de seleniuro de bismuto y plata (AgBiSe2) con un espectro de absorción más extendido en el infrarrojo cercano, hasta ~ 0.9 eV . Las células solares de CNCs de AgBiSe2 alcanzaron una eficiencia preliminar de hasta el 2,6 %. Además, gracias a la similitud estructural de estos dos compuestos, los dos métodos desarrollados para la síntesis de CNCs de AgBiS2 y AgBiSe2 se combinan y optimizan para obtener CNCs de la aleación cuaternaria AgBiSSe como un medio fácil de sintonización de bandgap en familia de semiconductores de calcogenuro de bismuto y plata.La formación de AgBiSSe CNCs se verifica mediante métodos de caracterización óptica y estructural para mostrar la formación de fase cuaternaria y también la pureza de fase del producto obtenido. En general, se demuestra que el método de síntesis de condiciones ambientales propuesto es capaz de proporcionar materiales fotovoltaicos compatibles con RoHS a un costo menor y un mayor rendimiento en comparación con los métodos basados en inyección en caliente, lo que abre un camino novedoso para la energía fotovoltaica ecológica de bajo costo. .