Summary
전자 수용체와 전자 공여 중합체 제조와 같은 티타늄 알콕시 드에 기초한 완전히 인쇄 풀러렌없이 높은 공기 안정 벌크 헤테로 접합 태양 전지를위한 방법이 여기서 설명된다. 또한, 상기 티타늄 알콕사이드 단위의 분자 부피를 통해 광활성 층의 형태를 제어하는 방법이보고되어있다.
Introduction
유기 PV 소자는 낮기 때문에, 제조 비용, 경량 1-7 약속 재생 가능한 에너지 원으로 간주된다. 이러한 장점 때문에, 과학자 다수의 유망 영역에 침지되었다. 지난 10 년간, 색소 증감은, 유기 박막, 페 로브 스카이 트 감응 태양 전지는 이러한 영역 (8)에서의 전력 변환 효율에 상당한 진보를 이루어왔다.
특히, 유기 박막 태양 전지 BHJ 유기 박막 태양 전지는 태양 에너지 기술의 이용을위한 효율적이고 비용 효과적인 해결책이다. [60] PCBM 또는 : 또한, 에너지 변환 효율은 전자 수용체 (페닐-C 61 뷰티 - 산 메틸 에스테르 전자 공여체와 플러렌 유도체 낮은 밴드 갭 중합체를 사용하여 10 % 이상에 도달 페닐 C (71) 뷰티 - 산 메틸 에스테르 : [70] PCBM) 9-11. 또한, 일부 연구자들은 시간AVE 이미 높은 전체 효율을 얻기 위해 저 대역 갭 중합체 및 플러렌 유도체로 구성되는 광활성 층에 BHJ 구조의 중요성을보고 하였다. 그러나, 플러렌 유도체는 공기를 구분합니다. 따라서, 공기 안정한 전자 수용성 물질이 대신 요구된다. 몇몇 보고서는 이전에 전자 수용체로 n 형 반도체 중합체 또는 금속 산화물을 사용한 유기 태양 전지의 새로운 형태를 제시 하였다. 이 보고서는 공기 안정, 풀러렌 - 무료, 유기 박막 태양 전지 12 ~ 15의 개발을 지원했다.
그러나, 반대로 전하 분리 및 전하 수송 능력을 갖는 광활성 층의 BHJ 구조의 양호한 성능을 획득하는 시스템 또는 n 형 반도체 중합체 시스템 풀러렌, 금속 산화물 시스템 16-17에서 곤란하다. 또한, 플러렌 유도체 및 n 형 반도체 중합체는 높은 용해도를 가지고많은 용매한다. 따라서, 광활성 층 18-20의 전구체, 용매로서 잉크 용액을 선택하여 광활성 층의 형태를 제어하기 쉽다. 대조적으로, 전자 공여 중합체와 함께 사용되는 금속 알콕시 드 시스템의 경우, 모두 반도체 거의 모든 용매에 불용이다. 금속 알콕사이드를 용매에 높은 용해도를 갖고 있지 않기 때문이다. 따라서, 형태 학적 제어 용매의 선택은 매우 낮다.
이 문서에서는 인쇄 높은 공기 안정 BHJ 태양 전지를 제조하기 위해, 분자 부피를 이용하여 광활성 층의 형태를 제어하는 방법을보고한다. 우리는 플러렌없는 BHJ 태양 전지의 발전을 위해 형태 제어의 중요성을 설명한다.
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Protocol
태양 전지 제조를 위해 인듐 - 주석 - 산화물 (ITO) 유리의 제조 (1)
- 이토 / 유리 기판을 잘라.
- 유리 커터를 사용하여 약 2cm × 2cm를 측정 조각으로 ITO / 유리 기판 (10cm × 10cm)를 자른다.
- 화학적 ITO 도전 층을 에칭.
- 디지털 멀티 미터를 사용하여 ITO / 유리 조각의 상단이 전도성 측면을 가지고 있는지 확인하십시오.
- 중간에 2mm × 2 cm의 중앙 영역을 떠나 ITO / 유리 조각의 양면 마스킹 테이프 놓는다. 마스킹 테이프를 사용하여, 에칭의 ITO 도전 층의 나머지 부분을 보호한다.
- 이토 / 유리 부재의 표면으로부터 ITO 도전 층을 제거하기 위해 ITO 도전 층에 염산 (1 M) 몇 방울을 붓는다. 약 3 분 후, 면봉을 사용하여 염산을 닦아 다음 마스킹 테이프를 제거합니다.
- 이토 / 유리 조각을 전처리.
- A의 ITO / 유리 조각을 배치유리 케이스와 물로 케이스를 입력합니다.
- 물의 2/3 가득 수욕 유리 케이스를 넣고 초음파 세척기를 첨부. 그런 다음, ITO / 유리 조각에 남아있는 화학 에칭의 몇 가지 흔적을 제거하는 데 약 15 분 동안 초음파 세척기의 전원을 켭니다. 15 분마다, 각각 물, 아세톤 및 이소 프로필 알코올로 초음파 욕이 조각을 세척하고, 건조 공기의 흐름으로 건조한다. 42 kHz에서의 진동 주파수의 초음파를 수행합니다.
- 자외선 오존 (UV-O 3) 청소기 내부의 ITO / 유리 조각을 넣고 30 분 동안 기계를 실행합니다.
광활성 층의 전구체 용액 2. 준비
- 전자로서 폴리 [2,7- (9,9- 디 옥틸) -alt-4,7- 비스 (티 오펜 -2- 일) - 벤조 티아 디아 졸 2,1,3 (PFO-DBT) 0.5 mg을 녹이고 기증자 및 클로로 벤젠의 1 ㎖의 티 - 알콕사이드의 1.0 mg을. 전자로 다음 티 - 알콕사이드를 선택수용체 : 티타늄 (IV) 이소 프로 폭 시드, 에톡 시드, 부톡 시드 및 부톡 시드 중합체. 그리고, PFO-DBT 0.5 mg의 기준으로 클로로 벤젠의 1 ㎖의 [60] PCBM 1.0 mg을 용해.
참고 : 21은 다음과 같이 여기에서, HOMO-LUMO 레벨이다. PFO-DBT : 5.4-3.53 eV의, 티타늄 (IV) 이소 : 7.49-3.86 eV의, 에톡 시드 : 7.55-3.90 eV의, 부톡 사이드 : 7.53-3.76 eV의, 그리고 부톡 사이드 중합체 : 7.57-3.83 eV의. - 700 rpm의 속도로 교반 막대로 교반하면서 자기 교반기 고온에서 70 ° C의 전구체 용액을 가열한다. 용액을 육안으로 시각적으로 선명해질 때까지 빛의 부재하에 20 분 동안 이렇게. 장래의 사용을 위해, 광이없는 경우, 다시 실온으로 냉각 용액.
광활성 층의 제조 3
- 스핀 코팅하여 필름을 증착.
- 광활성 층과 70 ° C의 ITO / 유리 조각의 전구체 용액을 가열한다. 10 분 동안 자기 교반 고온의 전구체 용액을 가열RER 70 ° C로 가열하고 700 rpm의 속도로 교반 막대를 사용한다. 5 분 동안 70 ° C로 가열 세라믹 핫 플레이트에 ITO / 유리 조각을 가열한다.
- 스핀 코터 진공 스테이지의 중심에 ITO / 유리 조각을 놓고 약 70 ° C까지 가열 총을 가열하고, 진공 켜.
주 : 진공은 30 L / min의 펌핑 속도를 가진 진공 펌프를 사용하여 생성된다. 진공 펌프의 최종 압력이 26.6 × 103 Pa에서 10이다. - 이토 / 유리 조각 상 광활성 층의 전구체 용액의 몇 방울을 붓고 공기에서 60 초 동안 2,000-6,000 rpm으로 스핀 코터를 시작한다.
주 : 전구체 용액의 부피 1 ㎖의 spuit의 측정 0.5 ㎖,이다. - 광활성 층으로서 50 nm 두께의 필름을 얻기 위해 빛이없는 공기 분위기 하에서 실온에서 10 분 동안 광활성 층의 표면을 건조.
- 여분의 필름을 제거합니다.
- 추가 PHOT을 닦아클로로 벤젠 적신 면봉으로 ITO / 유리 조각의 표면에서 oactive 층.
- 광 부재에서 공기 분위기 중 실온에서 10 분 동안 다시 광활성 층을 건조.
참고 : 본 실험 실의 온도는 25 ° C에 유지된다.
전극의 제조 4.
- 유기 전극을 인쇄합니다.
- 스크린 프린터를 이용하여 광활성 층 (22) 상에 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜) - 폴리 (스티렌 술폰산) (PEDOT-PSS)을 배치함으로써 유기 전극을 인쇄. 금속 마스크는 두께 50㎛이며, 인쇄 영역은 20mm × 5mm이다.
- 빛이없는 공기 분위기 하에서 실온에서 30 분 동안 유기 전극 건조.
태양 전지 5. 적층
- 1.5 cm의 치수를 갖는 조각으로 유리 기판을 컷 다이아몬드 커터를 사용하여 2.5 cm를 ×. 전파플라스틱 주걱을 사용하여 유리 기판 상에 에폭시 수지 등을들 수있다. 보호하기 광활성 층 상에 에폭시 수지와 유리 기판을 놓는다.
태양 전지의 성능을 측정 6. 준비
- 아세톤으로 적신 면봉으로 닦아 전극을 청소합니다. 초음파 납땜 시스템을 사용하여 ITO 상에 지원 전극을 연결합니다. 42 kHz의 주파수에서 230 ° C에서 납땜 인두를 운영하고 있습니다.
태양 전지의 성능 7. 측정
- 솔라 시뮬레이터 실리콘 포토 다이오드에 의해 100 mW의 / cm 2의 모의 AM1.5G을 제공하도록 조정하여, 직류 전압 전류원 / 모니터 내장 시스템을 이용하여 태양 전지의 전류 - 전압 (JV) 특성을 측정한다.
참고 : JV 곡선의 측정에 대한 더 자세한 정보는, 24 곳 (23)을 찾을 수 있습니다.
8. Analy상 분리 구조의 SIS
- 유기 전극없이 상기 라미네이션하지 않고, 태양 전지 제조를 위해 동일한 방법을 이용하여 티타늄 알콕사이드 및 PFO-DBT로 구성된 광활성 층의 각각의 필름을 준비한다.
- 상 분리 구조를 분석하기 위해서, 고배율 (× 50,000)에 광활성 층의 형태를 관찰하기 위해 광학 현미경 또는 주 사형 전자 현미경 (SEM)을 사용한다.
참고 : SEM 작업에 대한 더 자세한 정보는, 26 곳 (25)을 찾을 수 있습니다.
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Representative Results
우리는 충분히 인쇄 가능한 유기 무기 BHJ 태양 전지뿐만 아니라 상 분리 구조를 제어하는 방법을 제조하는 프로토콜을 제시 하였다. 티타늄은 (IV) 이소 프로 폭 시드 및 에톡은 전자 수용성 물질 (도 1)로서 사용될 때 태양 전지 성능을 광범위하고 27-31을 조사했다. 이러한 태양 전지는 "티타늄 (IV) 부톡 사이드 중합체"(표 1)를 사용하는 디바이스에 비해 약 8 배 높은 단락 전류 밀도 (Jsc가)를 나타낸다. 광활성 층에서 생성 된 모폴로지는 사진 생성 및 자유 캐리어의 존재와 그 운송에 적합했다. 다시 말해서, 상기 티타늄 알콕사이드의 부피를 선택하여 캐리어 관리 구조를 제어 할 수있다. 일부 이전 작품 보였다하는 BHJ의 광활성 층 내의 캐리어 관리 상 분리 구조플러렌 유도체를 사용하는 태양 전지는 중요한 인자 32-34이다. 이것은 또한 본 연구에서 조사 유기 무기 시스템에 중요하다.
우리는 캐리어에 의해 관리 Jsc가 관계 표 2에 요약 된 세 개의 개개의 모델을 사용하여 상분리 구조를 설명 할 수있다. 더욱이, 우리는 SEM을 통해 상 - 분리 구조를 조사하고, SEM 이미지는 상분리 모델 (도 2)와 비교 하였다. TI의 (IV) 부톡 사이드 중합체를 사용한 경우에는, 전하 발생 필드는 불충분 하였다. 따라서,이 하부의 JSC 값을 초래한다. 즉, 티타늄 (IV) 부톡 사이드 중합체의 자기 조직화 주로 분자의 패킹에 의해 촉진된다. "TI는 (IV) 부톡 시드"n 형 반도체로서 이용 될 때, 상기 위상 도메인은 하이를 얻기 위해 자유 캐리어의 전하 전송을위한 불충분 한 절연 된GH Jsc가 값입니다. 티타늄 (IV) 부톡 시드의 화학 구조는 티타늄 (IV) 이소 프로 폭 시드 및 에톡보다 부피이다. 따라서, Ti를 화학 부피는 (IV) 부톡 사이드 과잉 p 형 반도체 폴리머의 자기 조직화를 방해. TI는 (IV) 이소 프로 폭 사이드 또는 에톡 사이드 사용한 경우 한편, 이러한 모폴로지 전하 발생, 자유 캐리어의 존재 및 운송의 관점에서 도메인 크기 및 위상 연속성 사이의 양호한 균형을 제공 하였다.
그림 1 : 티타늄 알콕사이드의 다른 화학 부피에 대한 태양 전지의 JV 특성. 이 그림은 참조 (21) JV 특성에서 수정 대폭 티타늄 알콕사이드 분자를 선택하여 변경됩니다. V 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전을 서평.
도 2 : 상 분리 구조를 분석 전자 현미경 (SEM) 이미지를 스캔 할. 이 수치는 광활성 층의 형태는 높은 배율 (50,000 ×)에서 얻을 수있다 참조 (21)에서 수정됩니다. 티타늄의 상분리 구조 (IV) 이소 프로 폭 사이드 또는 에톡 사이드 허용되었고 적절한 연속성을 가지고 있었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 티타늄 (IV) 이소 프로 | 티타늄 (IV) 에톡 | 티타늄 (IV) 부톡 | 티타늄 (IV) 부톡 사이드 중합체 | |
| JSC [μA / cm 2] | (191) | (182) | (121) | (25) |
| 휘발성 유기 화합물 (VOC) [V] | 0.53 | 0.61 | 0.61 | 0.16 |
| FF | 0.31 | 0.33 | 0.23 | 0.18 |
| PCE [%] | 0.031 | 0.036 | 0.017 | 0.0007 |
표 1 : 티 - 알콕시 드의 다른 화학 부피에 대한 태양 전지의 성능을 제공합니다. 이 테이블은 그림 1과 같이 각 티타늄 알콕사이드에 대한 BHJ 태양 전지 참조 (21) JV 특성에서 수정하고, 해당 성능 매개 변수는이 표에 나열되어 있습니다.
표 2 : 대표 상 분리존재하지 않는 자유 캐리어 분석을위한 모델. 이 테이블은 참조 번호 21 이상적으로 그러한 모델 B의 것과 모폴로지에서 수정 많은 자유 캐리어의 존재의 관점에서 필요하다.
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Discussion
이 방법에서, 분자의 부피를 활용하기 위해, 스핀 코팅에 의해 막 형성 조건을 아는 것이 중요하다. 우선, p 형 및 n 형 반도체는 용매에 용해 될 수 있어야한다. 어떤 재료가 잔존하면, 광활성 층의 도메인의 큰 코어해질 것이다. 각각의 용매의 적절한 상용 필터의 사용은 잔여 물질을 제거하기 위해 권고된다. 다음으로, 분자가 용해 된 전구체 용액에 균일하고 균질하게는 약 60 초에서 ITO / 유리 기판 상에 광활성 층으로서 인쇄한다. 이 과정은 다음의 세 단계로 수행된다. 우선, 전구체 용액 및 ITO / 유리 기판을 약 70 ° C의 온도에서 유지된다. 둘째, 기판을 신속히 스핀 코터 스테이지에 설정된다. 마지막으로, 상기 전구체 용액의 몇 방울 즉시, 기판의 표면 상에 붓고 퍼진다가능한 한 스핀 코터는 즉시 개시된다. 가열 된 기판은 ITO / 유리 기판 상에 전구체 용액의 온도의 급격한 저하를 방지한다. 이 방법은 빠른 열적 변화에 의한 전구체 용액에서 유리체를 제어한다. 가열 된 전구체 용액의 영향으로 인해 점도 저하로 기판 상에 확산 촉진 평활하고 균일 한 평면 박막의 형성을 용이하게한다. 또한, 스핀 - 코팅 공정은 상기 덮개에 의해 밝혀 행한다. 이는 ~ 60의 프로세스 동안 기판으로부터 용매의 증발을 촉진시킨다.
때문에 실험 및 장비 조건에 언급 된 방법을 사용할 때 문제가 발생하면, 다음과 같은 방법을 권장합니다. 가열 된 기판을 스핀 코터의 스테이지에 이동할 수없는 경우, 기판은 사용 직전 히트 건으로 가열 될 수있다. 또한, 더 많은 시간이 전구체 용액을 드롭 필요한 경우 가열 t약 75-80 ° C를 권장에 그는 솔루션을 전구체.
또한, 상분리 구조의 위상 도메인 크기는 선택된 개별 전자 공여체에 따라 다를 것이다. PFO-DBT 이외의 전자 공여체를 선택하면, P / N 비의 변화와 전자 수용체 상이한 부피 두 티 - 알콕시 드의 혼합물을 적합한 상 - 분리 구조를 얻기위한 유용한 방법이다. 상 분리 구조를 제어하는 우리의 방법은 종래의 용매에있어서 18 ~ 20, 33과 다르다. 따라서, 우리의 방법은 전자 도너 및 몇 한정 용매에서 용해도가 수용체로 변형 될 수있다.
마지막으로, 전자 수용체 및 전자 공여체로서 반도체 중합체 - 티타늄 알콕사이드의 사용을 기반으로 완전히 인쇄 풀러렌없는, 벌크 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법을 설명했다. 또한, t그 프로토콜은 종래의 용제 방법을 사용하지 않고, 분자 부피를 사용하여 상기 상 - 분리 구조를 제어하는 것이 효과적임을 보여 주었다. 이 방법은 약간의 용매에 용해 여러 n 형 및 p 형 반도체를 사용하는 시스템에 적용 할 수있다. 우리는 또한이 방법의 한계를 언급. 우리는이 방법은 두 성분 시스템에서 유용하다고 생각합니다. 이 방법은 두 가지 종류의 분자 중 하나의 분자의 부피를 사용하여 자기 조직화가 방해하여 상분리를 제어 할 수 있기 때문이다. 따라서, 우리는 세 성분 시스템이 적용 될 것이라고 말할 수 없습니다. 앞으로 이러한 시스템에 대한 적용 가능성을 조사한다. 우리는 또한 완전히 유기 태양 전지, 하이브리드 태양 전지는 가까운 미래에 인기가 될 것이다하는 것을 기대합니다.
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Disclosures
저자는 더 경쟁 재정적 이해 관계가 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
이 작품은 부분적으로 JSPS KAKENHI 허가 번호 25871029, 재료 과학 및 공학에 대한 일본 판유리 재단과 도치 산업 진흥 센터에 의해 지원되었다. 기술의 국립 연구소, 오오 야마 대학은이 문서의 출판 비용 지원.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ti(IV) isopropoxide, 97% | Sigma Aldrich | 205273 | |
| Ti(IV) ethoxide | Sigma Aldrich | 244759 | Technical grade |
| Ti(IV) butoxide, 97% | Sigma Aldrich | 244112 | Reagent grade |
| Ti(IV) butoxide polymer | Sigma Aldrich | 510718 | |
| Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PFO-DBT) | Sigma Aldrich | 754013 | |
| [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester ([60]PCBM) 99.5% | Sigma Aldrich | 684449 | Research grade |
| poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS) | Heraeus | Clevios S V3 | |
| 1 N Hydrochloric acid | Wako | 083-01095 | |
| Chlorobenzene 99.0% | Wako | 032-07986 | |
| Acetone 99.5% | Wako | 016-00346 | |
| Indium-tin oxide (ITO)-coated glass substrate | Geomatec | 0002 | 100×100×1.1t (mm) |
| Glass substrate | Matsunami Glass | S7213 | 76×26×1.2t (mm) |
| Cotton tail | As one | 1-8584-16 | |
| Epoxy resin | Nichiban | AR-R30 | |
| Plastic spatula | As one | 2-3956-02 | |
| Ultrasonic cleaner | As one | AS482 | |
| Magnetic hot stirrer | As one | RHS-1DN | |
| Ceramic hotplate | As one | CHP-17DN | |
| Spin coater | Kyowariken | K-359 S1 | |
| Vacuum pump | ULVAC | DA-30S | |
| UV-O3 cleaner | Filgen | UV253E | |
| Screen printer | Mitani Electronics | MEC-2400 | |
| Ultrasonic Soldering system | Kuroda Techno | SUNBONDER USM-5 | |
| Direct-current voltage and current source/monitor integrated system | San-Ei Electric | XES-40S1 | |
| Scanning electron microscope | JEOL Ltd. | JSM-7800 |
References
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