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Methodenartikel

Ambient Verfahren zur Herstellung eines ionisch Gated Carbon Nanotube Gemeinsame Kathode in Tandem Organische Solarzellen

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DOI:

10.3791/52380

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5. November 2014

 ,  ,  ,  , 
1Physics Department, The University of Texas at Dallas, 2The NanoTech Institute, The University of Texas at Dallas, 3Department of Applied Physics, Aalto University School of Science

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von organischen Photovoltaik-Tandembauelementen in einer parallelen Konfiguration unter Umgebungsbedingungen vorgestellt. Diese Geräte verfügen über eine luftverarbeitete, halbtransparente Kohlenstoffnanoröhren-Kathode.

Zusammenfassung

Es wird eine Methode zur Herstellung von organischen Photovoltaik (OPV)-Tandems vorgestellt, die keine Vakuumverarbeitung erfordert. Diese Bauelemente bestehen aus zwei lösungsprozessierten Polymerzellen, die durch eine transparente Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Zwischenschicht parallel miteinander verbunden sind. Diese Struktur beinhaltet Verbesserungen bei den Herstellungstechniken für Tandem-OPV-Geräte. Zunächst wird der Bedarf an umgebungsprozessierbaren Kathoden betrachtet. Die CNT-Anode in der Tandem-Baustein wird über Ionen-Gating zu einer gemeinsamen Kathode abgestimmt. Beim Ionenanguss wird eine elektrische Doppelschichtladung verwendet, um die Arbeitsfunktion der CNT-Elektrode zu verringern. Zweitens wird die Schwierigkeit des sequentiellen Stapelns von Tandemschichten durch Lösungsverarbeitung angesprochen. Die Herstellung der Geräte erfolgt mittels Lösungs- und Trockenlaminierung unter Umgebungsbedingungen mit parallelen Verarbeitungsschritten. Das Verfahren zur Herstellung der einzelnen Polymerzellen, die Schritte, die erforderlich sind, um sie zusammen mit einer gemeinsamen CNT-Kathode zu laminieren und dann einige repräsentative Ergebnisse zu liefern, werden beschrieben. Diese Ergebnisse zeigen das ionische Gating der CNT-Elektrode, um eine gemeinsame Kathode zu erzeugen, und die Addition von Strom und Wirkungsgrad als Ergebnis des Laminierungsverfahrens.

Einleitung

Polymerhalbleitern sind die führenden organischen Photovoltaik (OPV) Materialien durch hohe Saugfähigkeit, gute Transporteigenschaften, Flexibilität und Kompatibilität mit temperaturempfindlichen Substraten. OPV Gerätestromumwandlungseffizienzen, η, haben sich in den vergangenen Jahren sprang, mit Einzelzellwirkungsgrade bis zu 9,1% ein, so dass sie zu einem immer lebensfähige Energietechnologie.

Trotz der Verbesserungen in η, die dünnen optimale aktive Schichtdicken der Geräte beschränken Lichtabsorption und behindern zuverlässige Fertigung. Zusätzlich wird die spektrale Breite der Lichtabsorption von jedem Polymer wird begrenzt im Vergleich zu anorganischen Materialien. Pairing Polymere unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umgeht diese Schwierigkeiten, so dass Tandem-Architekturen 2 eine notwendige Innovation.

Serie Tandemvorrichtungen sind die häufigste Tandemarchitektur. In dieser Konstruktion kann eine Elektronentransport Material, eine optionale Metallic Rekombination Schicht und eine Lochtransportschicht verbinden zwei unabhängige photoaktiven Schichten genannt Unterzellen. Verknüpfen Unterzellen in einer Reihenkonfiguration erhöht die Leerlaufspannung des Kombinationsgerätes. Einige Gruppen haben Erfolg mit entartet dotierten Transportschichten 3 hatte - 5, aber mehr Gruppen Teilchen aus Gold oder Silber verwendet, um die Rekombination von Löchern und Elektronen in der Zwischenschicht 6,7 unterstützen.

Im Gegensatz dazu parallel Tandems erfordern ein hohes Leitfähigkeitselektrode, entweder Anode oder Kathode, die Verbindung der beiden aktiven Schichten. Die Zwischenschicht muss sehr transparent sein, was Serie Tandem Zwischenschichten metallische Partikel enthalten, begrenzt, und mehr noch für die parallelen Tandemzwischenschichten aus dünnen, kontinuierlichen Metallelektroden zusammensetzt. Carbon Nanotubes (CNT) Blätter zeigen höhere Transparenz als Metallschichten. Also der NanoTech Institute in Zusammenarbeit mit Shimane University, hat introduced das Konzept der Verwendung als Zwischenschicht-Elektrode in monolithischer, parallel Tandemvorrichtungen 8.

Frühere Bemühungen vorge monolithischen, parallel, Tandem OPV Geräte mit CNT Blätter, die als Zwischenschicht Anoden 8,9. Diese Verfahren erfordern besondere Sorgfalt, um ein Kurzschließen einer oder beiden Zellen oder schädlichen vorhergehenden Schichten zu vermeiden, wenn Abscheiden späteren Schichten. Die in diesem Papier beschriebene neue Verfahren erleichtert die Herstellung, indem die CNT-Elektrode auf der Oberseite des polymeren aktiven Schichten aus zwei Einzelzellen, und Laminieren der zwei Geräte miteinander, wie in Figur 1 gezeigt. Dieses Verfahren ist wie die Vorrichtung bemerkenswert, eine Luft -stable CNT Kathode, kann vollständig in den Umgebungsbedingungen Verwendung nur trocken und Lösungsverarbeitung hergestellt werden.

CNT Blätter sind nicht eigen gute Kathoden, wie sie erforderlich n-Dotierung, um die Arbeitsfunktion, um Elektronen aus der photoaktiven Bereich zu sammeln verringerneiner Solarzelle 10. Elektrischer Doppelschichtlade in einem Elektrolyten, wie beispielsweise einer ionischen Flüssigkeit ist, kann verwendet werden, um Verschiebung der Arbeitsfunktion der CNT-Elektroden 11 - 14.

Wie in einem vorhergehenden Papier 15 beschrieben und in Figur 2, wenn die Gatespannung (V Gate) ist erhöht dargestellt, wird die Arbeitsfunktion der CNT gemeinsamen Elektrode verringert, wodurch Elektroden Asymmetrie. Dies verhindert, dass Loch Sammlung aus der OPV die Spender zugunsten der Sammel Elektronen aus der OPV der Akzeptor und die Geräte einschalten, Wechsel von ineffizienten Fotowiderstand in Photodiode 15 Verhalten. Es sollte auch darauf hingewiesen, dass die Energie verwendet wird, um das Gerät und die Macht, Gate-Leckströme verloren wegen Ladung trivial im Vergleich zu der von der Solarzelle 15 erzeugten Strom werden. Ionic Gating von CNT-Elektroden hat eine große Wirkung auf die Austrittsarbeit aufgrund der geringen Dichte der Zustände und die hoheOberfläche zu Volumen-Verhältnis im CNT-Elektroden. Es wurden ähnliche Verfahren verwendet, um eine Schottky-Barriere an der Grenzfläche CNT mit n-Si 16 zu verbessern.

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Protokoll

1. Indium-Zinn-Oxid (ITO) Strukturieren und Reinigung

HINWEIS: Verwenden Sie 15Ω / □ ITO-Glas, und Kauf oder schneiden Sie die ITO-Glas in Größen passend zu Schleuderbeschichtung und Photolithographie. Es ist am effizientesten, Schritte auf einem Stück Glas möglichst groß auszuführen 1,1-1,7, und dann schneiden sie in kleinere Geräte. Beachten Sie auch, dass die Schritte 1,1-1,7 bedürfen der ITO-Glas mit der ITO-Seite nach oben ausgerichtet sein. Dies kann leicht mit Widerstandseinstellung eines Multimeter überprüft werden.

  1. Schleuderbeschichtungs 1 ml S1813 positive Photoresists auf der ITO-Seite des ITO-Glas mit einer Geschwindigkeit von 3.000 rpm für 1 min. Verwenden Sie mehr wider für größere Glasstücke, sicherzustellen, dass das gesamte Glas beschichtet und keine Luftblasen zu entfernen, bevor Sie den Spin-Coater.
  2. Annealing der Resist beschichtetes Glas, auf einer heißen Platte bei 115 ° C für 1 min.
  3. Legen Sie die Probe und die Photomaske auf die Kontaktausrichter.
  4. Setzen Sie das Fotolack beschichteten ITO-Glas für eine entsprefalls Zeit. Die Belichtungszeit beträgt etwa 10 sec, variieren aber diesmal auf der Basis der UV-Lampenintensität, Photoresist-Typ und Dicke.
  5. Entwickeln Sie die UV-belichteten Substrate in MF311-Entwickler. Ein Spin Prozessors automatisierten Prozess produziert die besten und wiederholbare Ergebnisse, aber die Entwicklung kann manuell erfolgen, wie gefolgt werden.
    1. Tauchen Sie die UV-belichteten Substrate für 1 min in den Entwickler, durch Spülen in deionisiertem (DI) Wasser und Trocknen mit Stickstoffpistole gefolgt. Da der Entwickler verliert Stärke schnell, tauschen Sie die Entwickler zwischen den Proben, oder alternativ erhöhen die Entwicklungszeit bei der Wiederverwendung Entwickler.
  6. Ätzen der ITO-Substrate in konzentrierter Salzsäure (HCl). Dies dauert zwischen 5-10 min, je nach der Konzentration des HCl. Spülen in DI-Wasser, trocken, und testen Sie die Widerstand der geätzten Abschnitte mit einem Multimeter. Wenn eine Leitfähigkeit bleibt, Etch für eine längere Zeit.
  7. Sobald das Ätzen abgeschlossen ist, entfernen Sie die photoresist mit Aceton. Beachten Sie, dass die schnelle Entfernen des Photolacks verhindert Rest HCl aus Over-Ätzen des gemusterten ITO.
  8. Bei Bedarf schneiden Sie die geätzte ITO Glassubstrate in Gerätegrößen.
  9. Reinigen der ITO-Substrate in einem Bad Ultraschallgerät in einer Sequenz von Lösungsmitteln - DI-Wasser, Aceton, Toluol, Methanol und schließlich Isopropylalkohol.

2. OPV Teilzellenherstellung

  1. Bereiten P3HT: PC 61 BM-Lösung.
    HINWEIS: Für die meisten konsistente Ergebnisse, bereiten Sie die Lösungen in einer Stickstoffumgebung. Es ist möglich, dieses Verfahren unter Umgebungsbedingungen zu folgen.
    1. Suchen und notieren Sie sich die Masse von zwei saubere, ~ 4 ml-Glasgefäß und die Mützen, und markieren Sie diese mit einem Permanent-Marker, um sie von anderen zu unterscheiden.
    2. In einer Stickstoff- oder Argon-Glovebox übertragen ungefähr 10 mg des Poly (3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT), um eine Ampulle und etwa 10 mg Phenyl-C 61 -buttersäuremethylester (PC 61 BM) in die andere.
    3. Wiegen Sie die Fläschchen erneut, um die Masse des P3HT und PC 61 BM finden.
    4. Übertragen Sie die Fläschchen mit P3HT und PC 61 BM in ein Handschuhfach für den Rest der Lösung Prozess.
    5. Fügen Sie einen magnetischen Rührstab in jedem Fläschchen und fügen Sie dann genug Chlorbenzol zu jeweils 45 mg / ml-Lösungen erstellen.
    6. Legen die Lösungen auf einem Magnetrührstab heißen Platte bei 55 ° C für ca. 2 h, oder bis die gelösten Stoffe vollständig gelöst haben.
    7. Mix gleichen Volumina des P3HT und PC 61 BM-Lösungen zusammen, und lassen Sie die Mischlösung rühren noch eine Stunde vor der Verwendung.
  2. Bereiten PTB7: PC 71 BM-Lösung.
    1. Wiederholen Sie die Schritte 2.1.1 bis 2.1.4 mit poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) (PTB7) und Phenyl-7,1-buttersäure-methylester (PC 71 BM) anstelle von P3HT und PC61 BM.
    2. Machen Sie eine Mischung von 3 Vol% 1,8-diiodooctane (DIO) in Chlorbenzol. Diese Mischung wird als DIO-CB.
    3. Fügen Sie einen magnetischen Rührstab in jedem Fläschchen und fügen Sie genug DIO-CB zum PTB7 Fläschchen, eine 12 mg / ml Lösung und genügend DIO-CB an den PC 71 BM Fläschchen, eine 40 mg / ml Lösung haben dann haben.
    4. Lassen diese Lösungen zu rühren auf einer heißen Platte bei 70 ° C für zwei Tage.
    5. Mischen der Lösungen in einem Gewichtsverhältnis von PTB7 zum PC 71 BM von 1 bis 1,5.
    6. Lassen Sie die gemischte Lösung eine weitere Stunde rühren bei 70 ° C vor der Verwendung.
  3. Filter Poly (3,4-ethylendioxythiophen): Poly (styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) durch einen 0,45 & mgr; m Porengrße Nylonfilter. Hinweis: Dieses Verfahren nutzt P VP AI4083.
  4. Spin Coat Aktive Schichten.
    1. Zeigen gereinigt ITO-Substrate, ITO-Seite nach oben, in eine UV-Ozon-Reiniger für 5 min.
    2. Spin-coat 120 ul des gefilterten PEDOT: PSS auf UV-Ozon behandelt, gemusterte ITO Glassubstrats bei 3.000 rpm für 1 min. Dies sollte eine 30 nm dicke Schicht ergeben.
    3. Annealing der PEDOT: PSS beschichtete ITO Substrate für 5 min bei 180 ° C.
    4. Spin-Mantel 70 ul des gemischten P3HT: PC 61 BM-Lösung auf PEDOT: PSS beschichteten ITO-Substrate bei ca. 1.000 rpm für 1 min. Variieren Sie die Geschwindigkeit je nach Bedarf, um eine 200 nm dicke aktive Schicht abzuscheiden.
    5. Annealing des P3HT: PC 61 BM beschichteten Substrate bei 170 ° C für 5 min. Die Ergebnisse können auf die optimale Anlagerungstemperatur variieren.
    6. Spin-Mantel 70 ul des gemischten PTB7: PC 71 BM-Lösung auf PEDOT: PSS beschichteten ITO-Substrate bei ca. 700 rpm für 1 min. Variieren Sie die Geschwindigkeit je nach Bedarf, um eine 100 nm dicke aktive Schicht abzuscheiden.
    7. Laden Sie das PTB7: PC 71 BM beschichteten Substrate in ein Hochvakuum (<2 x 10 -6 Torr) Kammer, um die Rest DIO entfernen. Typischerweise lassen die Proben in der Kammer O / N.

3. Fabrizieren das Tandem Geräte

  1. Laminat CNT-Elektroden.
    1. Schneiden Sie die PTB7 und P3HT Substrate in die Hälfte auf ein Tandem-Gerät zu machen. Ein spezialisiertes ITO Muster würde diesen Schritt nicht erforderlich. Die ITO-Muster sollten mindestens zwei ITO-Elektroden parallel zu einem mm, die sich von einer Kante von der anderen weg.
    2. Vorbereitung der ersten PTB7 und P3HT beschichteten Substrate durch Abwischen entfernt Polymer und PEDOT von den Kanten des Glases, und setzen die ITO-Streifen, die als gemeinsame Elektrode verwendet wird, wie im ersten Teil von Abbildung 1 zu entnehmen.
    3. Laminieren der CNT gemeinsame Elektrode auf der Oberseite der PTB7 und P3HT Elektroden. Tragen Sie eine SWCNT Film, indem der CNT Seite des Filterpapier auf dem Gerät, mit leichtem Druck, und dann Ablösen des Filterpapier entfernt. Dies wird in der zweiten Platte von Fig. 1 gezeigt
    4. Verdichten der CNT-Elektrode auf der Oberfläche durch Aufbringen Methoxy-Nonafluorbutan (C 4 F 9 OCH 3) (HFE) und durch Beschichten des CNT mit einem kleinen amount der Flüssigkeit und dann lassen es trocknen.
    5. Wegzuwischen das Polymer und CNT auf der ITO und Glas, die die Gate-Elektrode erhalten wird, wie im dritten Teil der Abbildung 1 dargestellt. Beseitigen des Polymers aus dem Glas, um Gate-Leck mit einer Rasierklinge zu verhindern.
    6. Laminieren die CNT-Gate-Elektrode auf die gereinigte Fläche der PTB7 und P3HT beschichtete Substrate. Laminieren die MWCNT durch Ziehen von der Kante des MWCNT Wald mit einer Rasierklinge und lassen das Blatt frei stehen zwischen einigen Kapillaren. Übergeben Sie das Gerät durch die freistehende Blatt, um die CNT auf das Gerät zu laminieren. Die Gate-Elektrode ist 2-3 mal die Anzahl der Schichten so auf der gemeinsamen Elektrode angelegt.
    7. Verdichten der Gate-Elektrode mit HFE.
  2. Eine kleine Tropfen (≈10 ul) der ionischen Flüssigkeit, N, N -Diethyl- N-Methyl-N - (2-methoxyethyl) ammonium-tetrafluoroborat, DEME-BF 4, auf der Oberseite der beiden Elektroden eines CNTder Substrate.
  3. Legen Sie das Substrat ohne ionische Flüssigkeit auf der Oberseite des Substrats mit ionischen Flüssigkeit mit den gemeinsamen und Gate-Elektroden auf der jeweils anderen-. Dies wird in dem letzten Teil der Abbildung 1 dargestellt.
  4. Legen Sie eine Fotomaske mit einer Maschenweite kleiner als der Elektrodengröße über dem aktiven Bereich. Verwenden Sie kleine Clips, um die Fotomaske in Position zu halten sowie um das Gerät während des Tests zusammen zu halten.

4. Messen Sie den Geräte

  1. Bringen Sie das Gerät in den Mess Glovebox.
  2. Die elektrischen Anschlüsse.
    1. Schließen Sie das Tor Stromversorgung zwischen der gemeinsamen Elektrode und der Gate-Elektrode mit dem Gemeinsamen als Boden.
    2. Verbinden die beiden ITO-Anoden, Drähte, die zu einem Schalter, der die Auswahl entweder Anode oder beide Anoden erlaubt verbunden sind.
    3. Den Ausgang des Schalters mit dem Eingang des Source Measure Unit.
    4. Schließen Sie die Masse der Quellmessure Einheit mit der gemeinsamen Elektrode.
  3. Messen IV Eigenschaften des Geräts durch Wiederholung der folgenden Schritte für aufsteigend V Gate.
    1. Set V-Tor auf den nächsten Wert, ausgehend von V-Tor = 0 V bis V Tor = 2 V in Schritten von 0,25 V.
    2. Warten 5 min oder bis die Gate-Strom stabilisiert wird. Idealerweise sollte der Gate-Strom zu stabilisieren Umgebung 10s Nanoampere.
    3. Den Schalter auf beide Teilzellen.
    4. Öffnen Sie die Lampen Shutter.
    5. Führen Sie einen Spannungsdurchlauf auf der Source Measure Unit von -1 Volt bis 1 Volt bei etwa 100 Schritten oder mehr.
    6. Führen Sie einen Spannungsdurchlauf von 1 Volt bis -1 Volt.
    7. Schließen Sie die Lampen Shutter.
    8. Führen Sie die Spannungs Sweeps wieder.
    9. Stellen Sie den Schalter an der Vorderseite Unterzelle.
    10. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.4 bis 4.3.8.
    11. Stellen Sie den Schalter auf der Rückseite Unterzelle.
    12. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.4 bis 4.3.8.
  4. Berechnen Geräteparameter.
    1. Finden der Kurzschlussstrom (J SC) jeder Unterzelle an jeder V-Tor durch Auffinden der vom Gerät erzeugt wird, wenn die Spannung an der Unterzelle gleich 0 V.
    2. Finden die Leerlaufspannung (V OC) jeder Unterzelle an jeder V-Tor durch Finden des von der Vorrichtung erzeugten Spannung, wenn der Strom durch die Unterzelle ist 0 A.
    3. Finden der maximalen Leistungsabgabe der Solarzelle durch Multiplizieren jeder Spannungswert bei jedem Stromwert und Auswählen der maximalen (negativsten) Wert ist. Dies setzt voraus, dass man misst lichterzeugten Strom als negativer Strom.
    4. Finden Sie die Energieumwandlungseffizienz (η), indem die maximale Leistung durch die Eingangslichtleistung.
    5. Finden Sie die Füllfaktor (FF), indem die maximale Leistung durch das Produkt von J SC und V OC.

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Ergebnisse

Ein Tandem-Gerät aus unterschiedlichen Polymeren, insbesondere Polymere von signifikant unterschiedlichen Bandlücken, gebildet ist von praktischem Interesse, da diese Geräte können die größten Spektralbereich des Lichts absorbieren. In dieser Vorrichtungsstruktur, die PTB7 Unterzelle ist die Zelle zurück und P3HT ist die Frontunterzelle. Dies ist beabsichtigt, um die größte Menge an Licht zu absorbieren, das P3HT Unterzelle weitgehend transparent für die von der PTB7 Unterzelle absorbiert Licht mit längerer Wellenlänge ...

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Diskussion

Die Ergebnisse unterstreichen einige Überlegungen bei der Gestaltung parallel Tandemsolarzellen. Insbesondere, wenn eine der Unterzellen schlecht funktioniert, tandem Leistung negativ beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei Haupteffekte. Wenn ein Unterzelle kurzgeschlossen ist, zB zeigt ohmsches Verhalten, das FF-T wird nicht höher als die FF des schlechten Unterzelle. J T SC und V T OC wird in ähnlicher Weise betroffen sein. Dies ist der Fall, wen...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Unterstützung für diese Arbeit wurde durch den DOE STTR Grant DE-SC0003664 on Parallel Tandem Organic Solar Cells with Carbon Nanotube Sheet Interlayers und den Welch Foundation Grant AT-1617 bereitgestellt. Die Autoren danken J. Bykova für die Bereitstellung von CNT-Wäldern und A. R. Howard, K. Meilczarek und J. Velten für die technische Unterstützung und nützliche Diskussionen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Poly(3,4-ethylendioxythiophen):p oly-(Styrolsulfonat)HeraeusClevios PVP AI 4083
Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) Rieke Metals  Inc.P3HT:  P200
phenyl-C61-butyric  acid methyl  ester1- MaterialPC61BM
Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b&prim;]Dithiophen-2,6-diyl}{3-fluor-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophendiyl}) 1- MaterialPTB7
Phenyl-C61-buttersäuremethyl  EsterSolennePC71BM
1,8-DijodoktanSigma Aldrich250295
ChlorbenzolSigma Aldrich284513
Indiumzinnoxid beschichtetes Glas 15 Ohm/SQLumtec
S1813UTD Reinraum
MF311UTD Reinraum
HClUTD Reinraum
Aceton Fisher ScientificA18-20
ToluolFisher ScientificT323-20
MethanolBDHBDH1135-19L
IsopropanolFisher ScientificA416-20
CEE SpincoaterBrewer Scientifichttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm
Contact DruckerQuintelQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
CPK Spin Processorhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm
Spin CoaterLaurellWS-400-6NPP/LITE
[header]
HandschuhfachM-BraunLab Master 130
Solar SimulatorThermo Oriel/Newport
Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
Keithley 7002 MultiplexerKeithley/Techtronix7002
UltraschallreinigerKendalHB-S-49HDT
MikropipetteEppendorf200 µ l
:

Referenzen

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