Synthesis and surface characterization of semiconductor nanocrystals for photovoltaic application [Elektronische Ressource] / von Irina Lokteva

Irina Lokteva

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• Publié par: carl_von_ossietzky_universitat_oldenburg
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Synthesis and Surface Characterization of
Semiconductor Nanocrystals for
Photovoltaic Application
Von der Fakultat fur Mathematik und Naturwissenschaften
der Carl von Ossietzky Universitat Oldenburg
zur Erlangung des Grades und Titels eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
angenommene Dissertation
von
Frau Dipl.-Chem. Irina Lokteva
geboren am 27.08.1985
in Woronesch, RusslandErstgutachter: Jun.-Prof. Dr. Joanna Kolny-Olesiak
Zweitgutachter: Prof. Dr. Jurgen Parisi
Tag der Disputation: 30.06.2010iii
Abstract
In the rst part of the thesis, the kinetics of a novel colloidal synthesis of nearly
0monodisperse CdSe and CdS QDs involving in situ formed Cd particles was stud-
ied. Reactions with di erent types of Se and S precursors, Cd to Se and S ratio, and
di erent amount of the stabilizer (oleic acid) were characterized by UV-Vis absorp-
tion spectroscopy. The Cd and Se/S precursor solutions were investigated by means
1 13of atomic absorption spectroscopy (AAS) as well as H and C nuclear magnetic
resonance (NMR) spectroscopy and mass-spectrometry (MS). Transmission electron
microscopy (TEM) was used to determine the size distribution of as-synthesized CdSe
and CdS NCs. Formation of magic-sized nanoclusters (MSNCs) during the synthesis
(at the early stages of the reactions) and storage of CdS QDs was observed.
In the second part, a surface modi cation of originally oleic acid-capped CdSe QDs
with pyridine molecules was carried out. Three successive steps of the pyridine treat-
ment were applied to achieve better ligand exchange. The pyridine-treated NCs were
characterized by UV-Vis absorption spectroscopy, TEM and high resolution TEM
1(HRTEM), H NMR spectroscopy, X-ray di raction (XRD) and thermal gravimetric
analysis (TGA). Then the pyridine-treated CdSe QDs were used for the fabrica-
tion of hybrid P3HT/CdSe solar cells. Additionally, a cross-linking procedure of the
pyridine-treated NCs was applied to enable more e cient charge transfer between
nanoparticles in the hybrid blends.v
Zusammenfassung
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik einer neuen kolloidchemischen Synthese
von monodispersen sph arischen CdSe- und CdS-Nanopartikeln (QDs) untersucht,
0deren Wachstum in Gegenwart von in situ gebildetem Cd erfolgt. Reaktionen mit
verschiedenen Se- und S-Ausgangsverbindungen, Cd- zu Se- und S-Verh altnissen und
Mengen des Stabilisators (Ols aure) wurden mit UV-Vis-Absorptionsspektroskopie
charakterisiert. Die Cd- und Se/S-Ausgangsl osungen wurden mit Atomabsorptions-
1 13spektroskopie (AAS) sowie H- und C-Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Mas-
senspektrometrie (MS) analysiert. Mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
wurde die Gr o enverteilung der CdSe- und CdS-Nanopartikel untersucht. Die Bildung
von Nanoclustern mit magischen Gr o en (MSNCs) wurde w ahrend der Synthese (am
Anfang der Reaktion) und Lagerung der CdS-Nanopartikel beobachtet.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modi kation der ursprunglic h Ols aure-beschich-
teten CdSe QDs mit Pyridinmolekulen durchgefuhrt. Fur einen vollst andigeren Lig-
andenaustausch wurden drei aufeinanderfolgende Schritte der Pyridinbehandlung an-
gewendet. Die mit Pyridinliganden stabilisierten CdSe-Nanopartikel wurden mit UV-
Vis-Absorptionsspektroskopie, TEM und hochau osendem TEM (HRTEM),
1H-Kernresonanzspektroskopie (NMR), R ontgendi raktometrie (XRD) und Thermo-
gravi-metrischer Analyse (TGA) charakterisiert. Anschlie end wurden die mit Pyridin
behandelten CdSe QDs fur die Herstellung der P3HT/CdSe-Hybridsolarzellen verwen-
det. Zus atzlich wurde eine Quervernetzung der Pyridin-beschichteten Nanoteilchenvi Zusammenfassung
durchgefuhrt, um den Ladungstransfer zwischen Nanopartikeln zu verbessern.vii
Table of Contents
Abstract iii
Zusammenfassung v
List of Figures xi
List of Tables xiv
List of Abbreviations xv
1 Introduction 1
2 Description of the experimental set-ups and methods of nanocrystals
characterization 5
2.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Synthesis of the CdSe nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Synthesis of the CdS nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Puri cation process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 Pyridine treatment of OA-capped CdSe QDs . . . . . . . . . . 9
2.2 Analytical methods of characterization of the nanocrystals and the
precursors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Preparation and characterization of laboratory solar cells . . . . . . . 14viii TABLE OF CONTENTS
3 Nucleation and growth of colloidal nanocrystals 17
3.1 Nucleation of nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 LaMer model of NC nucleation and growth . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 Thermodynamic considerations of NC nucleation . . . . . . . 20
3.2 Growth of nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Reiss model of the growth of uniform NCs . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Gibbs-Thomson e ect on the NC growth . . . . . . . . . . . . 23
3.2.3 Growth through interparticle di usion . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Modeling of simultaneous nucleation and growth . . . . . . . . . . . . 27
4 Investigation of growth kinetics of CdSe nanocrystals 31
4.1 Motivation and review of the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
0
4.2.1 Cd precursor: formation of Cd particles . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Se precursors: TOPSe, TBPSe, and Se/ODE . . . . . . . . . . 41
4.2.3 Investigation of growth kinetics of CdSe QDs . . . . . . . . . . 47
4.2.4 Size distribution of as-synthesized CdSe NCs . . . . . . . . . . 62
4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Investigation of growth kinetics of CdS nanocrystals 69
5.1 Overview of di erent synthetic methods for CdS nanoparticles . . . . 70
5.2 Introduction to magic-sized nanoclusters . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.1 Investigation of properties of as-synthesized CdS QDs . . . . . 73
5.3.2 Study of magic-sized nanoclusters during the formation of CdS
NCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.3 Possible nucleation-growth mechanism . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92TABLE OF CONTENTS ix
6 Surface modi cation of CdSe nanocrystals 93
6.1 Motivation and review of the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 Study of the composition of the original CdSe QDs ligand shell 100
6.2.2 Investigation of the CdSe ligand shell after pyridine treatment 102
6.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7 Preparation of P3HT/CdSe QD hybrid solar cells 117
7.1 Motivation and review of the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.1 In uence of multiple pyridine treatments on the performance
of solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.2 In uence of cross-linkers on the performance of solar cells . . . 126
7.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8 Summary 135
A Calculation of percentage of Cd and Se surface atoms 139
B Solar cell characterization 141
C R-phrases, S-phrases and their combinations 143
Bibliography 151
Acknowledgments 167
Curriculum Vitae 169
Erklarung 171