介绍了一种在环境条件下并行配置制备有机光伏叠层器件的方法。这些器件具有一种经空气处理的半透明碳纳米管共用阴极。
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本文内容
摘要
摘要
介绍了一种无需真空处理即可制备有机光伏（OPV）叠层器件的方法。这些器件由两个通过透明碳纳米管（CNT）中间层并联连接的溶液加工聚合物电池组成。该结构在叠层OPV器件的制备技术方面有所改进。首先，考虑了在环境条件下制备阴极的需求。通过离子门控调节叠层器件中的CNT阳极，使其转变为共用阴极。离子门控利用双电层充电来降低CNT电极的功函数。其次，解决了通过溶液加工逐层堆叠叠层结构的困难。这些器件在环境条件下通过溶液法和干法覆膜结合并行工艺步骤制备而成。文中描述了制备单个聚合物电池的方法、将其通过共用CNT阴极覆膜连接所需的步骤，并给出了一些代表性结果。这些结果展示了通过离子门控调节CNT电极以形成共用阴极，以及覆膜工艺带来的电流和效率提升。
引言
聚合物半导体因其高吸收率、良好的传输性能、柔韧性以及与温度敏感基底的相容性，成为主流的有机光伏（OPV）材料。近年来，OPV器件的功率转换效率η显著提升，单结电池效率已高达9.1%1，使其成为一种日益可行的能源技术。
尽管效率（η）有所提升，但器件的最优活性层厚度较薄，限制了光吸收并阻碍了可靠制备。此外，与无机材料相比，每种聚合物的光吸收光谱范围有限。通过组合具有不同光谱响应特性的聚合物，可克服这些困难，从而使串联结构2成为一项必要的创新。
串联型器件是最常见的叠层结构。在这种设计中，电子传输材料、可选的金属复合层和空穴传输层连接两个独立的光活性层，这两个光活性层被称为子电池。将子电池以串联方式连接可提高组合器件的开路电压。一些研究团队在使用重掺杂的传输层方面取得了成功3–5，但更多团队采用金或银纳米颗粒来促进中间层中空穴与电子的复合6,7。
相比之下，并联叠层结构需要高导电性的电极（阳极或阴极）来连接两个活性层。该中间层必须具有高透明性，这限制了含有金属颗粒的串联叠层中间层的应用，而对于由薄而连续的金属电极构成的并联叠层中间层，限制更为严格。碳纳米管（CNT）薄膜的透明性高于金属层，因此NanoTech研究所与岛根大学合作，提出了在单....
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方案
1. 氧化铟锡（ITO）图形化与清洗
注意：使用 15Ω/□ 的 ITO 玻璃，并购买或将其切割成适合旋涂和光刻的尺寸。最高效的方法是先在尽可能大的玻璃片上完成步骤 1.1–1.7，然后再将其切割成较小的器件。另外请注意，步骤 1.1–1.7 要求 ITO 玻璃的 ITO 面朝上，可通过万用表的电阻档轻松检测确认。
- 在ITO玻璃的ITO面滴加1 ml S1813正性光刻胶，以3,000 rpm的转速旋涂1分钟。对于较大的玻璃片，应使用更多的光刻胶，确保整片玻璃均被覆盖，并在启动旋涂仪前去除所有气泡。
- 将涂有光刻胶的玻璃在热板上于115 °C退火1分钟。
- 将样品和光掩模装入接触式光刻对准仪中。
- 对涂有光刻胶的ITO玻璃进行适当时间的曝光。曝光时间约为10秒，但需根据紫外灯强度、光刻胶类型和厚度调整曝光时间。
- 在MF311显影液中显影经紫外曝光的基底。使用旋涂仪的自动化程序可获得最佳且最可重复的结果，但也可手动显影，步骤如下：
- 将经紫外曝光的基底浸入显影液中1分钟，随后用去离子水（DI水）冲洗，并用氮气枪吹干。由于显影液会迅速失效，因此在处理不同样品之间应更换显影液，或在重复使用时适当延长显影时间。
- 在浓盐酸（HCl）中刻蚀ITO基底。刻蚀时间在5–10分钟之间，具体取决于HCl的浓度。用去离子水冲洗，干燥....
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结果
由不同聚合物（尤其是带隙显著不同的聚合物）构成的串联器件具有实际应用价值，因为这类器件能够吸收更宽范围的光谱。在此器件结构中，PTB7 子电池为背电池，P3HT 为前电池。这种设计旨在最大程度地吸收光，因为 P3HT 子电池对 PTB7 子电池所吸收的长波长光具有较高的透光性。为清晰起见，当分别指代串联、前电池或背电池时，太阳能电池参数 VOC、JSC、FF 和 η 将分别以上标 T、F 或 B 标注。表1 列出了这些缩写。
该器件的一系列电流-电压曲线如图3所示，提取的太阳能电池参数见图4。可以观察到，PTB7子电池（背侧）在远低于P3HT子电池（前侧）的栅极电压VGate下即开启。图4显示，PTB7电池在VGate = 0.5 V时开始开启，并在VGate ≈ 1.5 V.......
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讨论
实验结果强调了在设计并联型叠层太阳能电池时需要考虑的几个因素。值得注意的是，如果其中一个子电池性能较差，则会对接叠层电池的整体性能产生负面影响。结果表明，主要存在两种效应。如果其中一个子电池处于短路状态，例如，表现出欧姆行为，则其填充因子 FFT 不会高于该不良子电池的填充因子，同时 JTSC 和 VTOC 也会受到类似影响。当栅极电压 VGate 较低且 P3HT 子电池尚未开启时，即出现此种情况。
相反，如果一个子电池具有良好的二极管特性，但开路电压 VOC 或短路电流密度 JSC 较低，则总短路电流密度 JTSC 几乎等于前照 JFSC 与背照 JBSC 的总和。然而，若各子电池的开路电压 VOC 存在显著差异，则总开路电压 V
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了美国能源部STTR基金（项目编号：DE-SC0003664，关于带碳纳米管薄膜夹层的并联串联有机太阳能电池）以及Welch基金会（项目编号：AT-1617）的支持。作者感谢J. Bykova提供碳纳米管阵列，以及A. R. Howard、K. Meilczarek和J. Velten在技术协助和有益讨论方面的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐) | Heraeus | Clevios PVP AI 4083 | |
| 聚(3-己基噻吩-2,5-二基) | Rieke Metals 公司 | P3HT P200 | |
| 苯基-C61-丁酸 酸甲酯 酯 | 1- 材料 | PC61BM | |
| 聚({4,8-双[(2-乙基己基)氧基]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩}-2,6-二基)′]二噻吩-2,6-二基}{3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基} | 1- 材料 | PTB7 | |
| 苯基-C61-丁酸甲酯 酯 | Solenne | PC71BM | |
| 1,8-二碘辛烷 | Sigma Aldrich | 250295 | |
| 氯苯 | Sigma Aldrich | 284513 | |
| 氧化铟锡镀膜玻璃 15 欧姆/平方 | Lumtec | ||
| S1813 | UTD 洁净室 | ||
| MF311 | UTD 洁净室 | ||
| HCl | UTD 洁净室 | ||
| 丙酮 | Fisher Scientific | A18-20 | |
| 甲苯 | Fisher Scientific | T323-20 | |
| 甲醇 | BDH | BDH1135-19L | |
| 异丙醇 | Fisher Scientific | A416-20 | |
| CEE旋涂仪 | Brewer Scientific | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm | |
| 接触式打印机 | Quintel | Q4000-6 | http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm |
| CPK Spin Processor | http://www.utdallas游戏副本/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm | ||
| 旋涂仪 | Laurell | WS-400-6NPP/LITE | |
| [页眉] | |||
| 手套箱 | M-Braun | Lab Master 130 | |
| 太阳光模拟器 | Thermo Oriel/Newport | ||
| Keithley 2400 SMU | Keithley/Techtronix | 2400 | |
| 基思利 7002 多路复用器 | Keithley/Techtronix | 7002 | |
| 超声波清洗机 | 肯达尔 | HB-S-49HDT | |
| 微量移液器 | Eppendorf | 200 µl |
参考文献
- He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure. Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).
- Yuan, Y., Huang, J., Li, G. Intermediate layers in tandem organic solar cells. Green<....
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重印与许可
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