Methodenartikel

Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer

DOI:

10.3791/54923

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10. Januar 2017

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1Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Oyama College, 2Ashizawa Finetech Ltd.

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Verfahren zur voll bedruckbar, fullerenfreie, hochluftstabile, bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Basis von Ti-Alkoxide als Elektronenakzeptor und dem elektronenschiebenden Polymerherstellung wird hier beschrieben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht durch die molekulare Sperrigkeit der Ti-Alkoxid-Einheiten steuert berichtet.

Zusammenfassung

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Die photoaktive Schicht einer typischen organischen Dünnschicht-Bulk-Heterojunction (BHJ)-Solarzelle verwendet üblicherweise Fullerenderivate als elektronenaufnehmendes Material. Fullerenderivate sind jedoch luftempfindlich; Daher wird als Alternative luftstabiles Material benötigt. In der vorliegenden Studie schlagen wir die Eigenschaften von Ti-Alkoxid als alternatives elektronenaufnehmendes Material zu Fullerenderivaten vor und beschreiben sie, um hochgradig luftstabile BHJ-Solarzellen zu erzeugen. Es ist allgemein bekannt, dass die Kontrolle der Morphologie in der photoaktiven Schicht, die mit Fullerenderivaten als Elektronenakzeptor aufgebaut ist, wichtig ist, um einen hohen Gesamtwirkungsgrad durch das Lösungsmittelverfahren zu erzielen. Das herkömmliche Lösungsmittelverfahren ist nützlich für Materialien mit hoher Löslichkeit, wie z. B. Fullerenderivate. Für Ti-Alkoxide ist die herkömmliche Lösungsmittelmethode jedoch unzureichend, da sie sich nur in bestimmten Lösungsmitteln lösen. Hier demonstrieren wir einen neuen Ansatz zur Morphologiekontrolle, der die molekulare Sperrigkeit von Ti-Alkoxiden ohne die herkömmliche Lösungsmittelmethode nutzt. Das heißt, diese Methode ist ein Ansatz, um hocheffiziente, luftstabile, organisch-anorganische Bulk-Heterojunction-Solarzellen zu erhalten.

Einleitung

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Organische Photovoltaik - Anlagen sind vielversprechende erneuerbare Energiequellen angesehen aufgrund ihrer geringen Herstellungskosten und ein geringes Gewicht 1-7. Aufgrund dieser Vorteile wurde eine große Zahl von Wissenschaftlern wurde in diesem vielversprechenden Bereich eingetaucht. In den letzten zehn Jahren, farbstoffsensibilisierte, organischen Dünnfilm und Perowskit-Solarzellen haben erhebliche Fortschritte bei der Energieumwandlungseffizienz in diesem Bereich 8 erreicht.

Insbesondere organische Dünnfilm-Solarzellen und BHJ organische Dünnschicht-Solarzellentechnologie sind effiziente und kostengünstige Lösungen für die Nutzung von Solarenergie. Weiterhin hat die Energieumwandlungswirkungsgrad von über 10% bei der Verwendung von Niedrigbandabstand - Polymere als Elektronendonator und Fullerenderivate als Elektronenakzeptor (Phenyl-C 61 buttersäure-Säure-methylester erreicht: [60] PCBM oder phenyl-C 71 buttersäure-Säure-Methylester: [70] PCBM) 11.09. Darüber hinaus h einige Forscherave berichteten bereits die Bedeutung der BHJ-Struktur in der photoaktiven Schicht, die mit Low-Band-Gap-Polymere und Fullerenderivate zu erhalten, einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufgebaut ist. Allerdings Fullerenderivate sind luftempfindlich. Daher ist es eine luftstabile elektronenaufnehmenden Materials als Alternative benötigt. Einige Berichte zuvor vorgeschlagen, neue Arten von organischen Photovoltaik-Zellen, die n-Typ halbleitenden Polymeren oder Metalloxide als Elektronenakzeptoren verwendet. Diese Berichte unterstützt die Entwicklung von luftstabilen, Fulleren freien, organischen Dünnfilm - Solarzellen 12-15.

Im Gegensatz jedoch Systeme Fulleren oder n-Typ - Halbleiterpolymersysteme, eine zufriedenstellende Leistung der BHJ - Struktur in der photoaktiven Schicht zu erhalten, die Ladungstrennung und Ladungstransfer Fähigkeiten hat, ist 16-17 in Metalloxid-Systeme schwierig. Weiterhin Fullerenderivate und n-halbleitenden Polymere haben eine hohe Löslichkeitin vielen Lösungsmitteln. Daher ist es einfach , die Morphologie der photoaktiven Schicht zu steuern , indem eine Tintenlösung als Lösungsmittel auszuwählen, das der Vorläufer des photoaktiven Schicht 18-20. Im Gegensatz dazu sind im Fall von Metallalkoxid Systeme in Kombination mit einer elektronenschiebenden Polymer, wobei beide Halbleiter in fast allen Lösungsmitteln unlöslich. Dies liegt daran, Metallalkoxide keine hohe Löslichkeit in dem Lösungsmittel haben. Daher ist die Selektivität der Lösungsmittel für Morphologiekontrolle extrem niedrig.

In diesem Artikel berichten wir ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht Steuerung durch molekulare Sperrigkeit Verwendung bedruckbar und sehr luftstabile BHJ-Solarzellen herzustellen. Wir beschreiben die Bedeutung der Morphologie Kontrolle für den Fortschritt der Fulleren freien BHJ-Solarzellen.

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Protokoll

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1. Herstellung von Indium-Zinn-Oxid (ITO) Glas für die Solarzellenfertigung

  1. Schneiden Sie das ITO / Glassubstrat.
    1. Mit einem Glasschneider, schneiden Sie die ITO / Glassubstrat (10 cm × 10 cm) in Stücke mit Abmessungen von ungefähr 2 cm × 2 cm.
  2. Chemisch ätzen die ITO leitenden Schicht.
    1. Mit einem digitalen Multimeter, überprüfen Sie, dass der obere Teil des ITO / Glasstück eine leitfähige Seite hat.
    2. Platzieren Klebeband auf beiden Seiten der ITO / Glasstück, einen zentralen Bereich von 2 mm × 2 cm in der Mitte bleibt. Mit Klebeband, schützen den Rest der ITO leitenden Schicht aus dem Ätzen.
    3. Gießen ein paar Tropfen HCl (1 M) auf die ITO-leitende Schicht, die ITO leitenden Schicht von der Oberfläche des ITO / Glasstück zu entfernen. Nach ca. 3 min, wischen Sie das HCl mit einem Wattestäbchen, und dann das Abdeckband entfernen.
  3. Vorbehandeln die ITO / Glasstück.
    1. Legen Sie die ITO / Glasstücke in einVitrine und den Fall mit Wasser füllen.
    2. Setzen Sie den Glaskasten in einem Wasserbad, das zwei Drittel mit Wasser gefüllt ist und befestigen einen Ultraschallreiniger. Dann schalten Sie den Ultraschall-Reiniger für ca. 15 min, die wenigen Spuren von chemischen Ätzmittel zu entfernen noch auf der ITO / Glasstück. Waschen, diese Stücke in einem Ultraschallbad mit Wasser, Aceton und Isopropylalkohol, jeweils für 15 min jeweils, und sie dann in einem Strom trockener Luft trocknen. Führen Beschallen bei einer Schwingungsfrequenz von 42 kHz.
    3. Platzieren Sie die ITO / Glasstücke innerhalb eines Ultraviolett-Ozon (UV-O 3) Reinigungsmittel und die Maschine für 30 min laufen.

2. Herstellung der Vorläuferlösung für die photoaktive Schicht

  1. Man löst 0,5 mg Poly [2,7- (9,9-dioctylfluoren) -alt-4,7-bis (thiophen-2-yl) benzo-2,1,3-thiadiazol] (PFO-DBT) als Elektronen Donor- und 1,0 mg Ti-Alkoxid in 1 mL Chlorbenzol. Wählen Sie die folgenden Ti-Alkoxide als ElektronenAkzeptoren: Ti (IV) isopropoxid, Ethoxid, Butoxid und butoxid Polymer. Dann löst man 0,5 mg PFO-DBT und 1,0 mg [60] PCBM in 1 mL Chlorbenzol als Referenz.
    HINWEIS: Hier werden die HOMO-LUMO - Niveaus sind wie 21 folgt. PFO-DBT: 5,4 bis 3,53 eV, Ti (IV) isopropoxid: 7,49 bis 3,86 eV, Ethoxid: 7,55 bis 3,90 eV, butoxid: 7,53 bis 3,76 eV und butoxid Polymer: 7,57 bis 3,83 eV.
  2. Auf einem magnetischen Rührer hot erhitzen Precursorlösung auf 70 ° C, während es mit einem Rührstab mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 700 Upm gerührt wurde. Tun Sie dies für 20 Minuten in Abwesenheit von Licht, bis die Lösung optisch klar mit dem bloßen Auge ist. Die Lösung wird auf Raumtemperatur wieder in Abwesenheit von Licht, für den zukünftigen Gebrauch.

3. Herstellung der photoaktiven Schicht

  1. Hinterlegung der Film durch Schleuderbeschichtung.
    1. Erwärmen, um die Vorläuferlösung der photoaktiven Schicht und der ITO / Glasstücks auf 70 ° C. Für 10 Minuten erhitzen Vorläuferlösung auf einem magnetischen heißen stirrer erhitzt auf 70 ° C und einen Rührstab bei einer Drehzahl von 700 Umdrehungen pro Minute verwendet werden. Erhitzen Sie das ITO / Glas-Stück auf einer keramischen Kochplatte erhitzt auf 70 ° C für 5 min.
    2. Legen Sie die ITO / Glasstück in der Mitte der Vakuumstufe des Spin-Coater, erhitzen Sie es mit einer Heißluftpistole auf etwa 70 ° C, und schalten Sie das Vakuum.
      HINWEIS: Das Vakuum unter Verwendung einer Vakuumpumpe mit einem Saugvermögen von 30 l / min erzeugt. Der Enddruck der Vakuumpumpe ist 26,6 × 10 3 Pa.
    3. Geben Sie einige Tropfen der Vorläuferlösung der photoaktiven Schicht auf das ITO / Glasstück und starten Sie den Spin-Coater bei 2000-6000 Umdrehungen pro Minute für 60 s in der Luft.
      HINWEIS: Das Volumen der Vorläuferlösung 0,5 ml, gemessen mit einer 1-ml Spuit.
    4. Trocknen Sie die Oberfläche der photoaktiven Schicht für 10 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht mit einer 50 nm dicken Film als photoaktive Schicht zu erhalten.
  2. Entfernen Sie den zusätzlichen Film.
    1. Wischen Sie die zusätzliche photoactive Schicht von der Oberfläche der ITO / Glasstück mit einem mit Chlorbenzol benetzt Wattestäbchen.
    2. Trocknen der photoaktiven Schicht erneut 10 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht.
      HINWEIS: Die Temperatur unseres Experiments Raum wird bei 25 ° C gehalten.

4. Herstellung der Elektrode

  1. Drucken Sie die organische Elektrode.
    1. Mit einem Siebdrucker, drucken Sie eine organische Elektrode durch Poly platzieren (3,4-ethylendioxythiophen) -Poly (styrolsulfonat) (PEDOT-PSS) auf die photoaktive Schicht 22. Die Metallmaske ist 50 um dick, und der Druckbereich beträgt 5 mm × 20 mm.
    2. Die organische Elektrode für 30 min bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre in Abwesenheit von Licht.

5. Lamination für die Solarzellen

  1. Schneiden Sie das Glassubstrat in Stücke mit einer Größe von 1,5 cm × 2,5 cm mit einem Diamantschneider. Ausbreitungein Epoxidharz auf das Glassubstrat ein Kunststoffspachtel. Legen Sie das Glassubstrat mit Epoxidharz auf der photoaktiven Schicht zu schützen.

6. Vorbereitung zur Messung der Solarzellleistung

  1. Reinigen Sie die Elektroden, indem sie mit einem Wattestäbchen angefeuchtet mit Aceton abwischen. Bringen Sie eine Trägerelektrode auf die ITO ein Ultraschall-Lötanlage mit. Betreiben Sie den Lötkolben in einem 42-kHz-Frequenz und bei 230 ° C.

7. Die Messung der Solarzellenleistung

  1. Messung der Strom-Spannungs (JV) Eigenschaften der Solarzellen durch eine Gleichspannungsstromquelle / Monitor integrierten System, mit dem Sonnensimulator ein simuliertes AM1.5G von 100 mW / cm 2 von der Silizium - Photodiode zu liefern kalibriert.
    HINWEIS: Nähere Informationen über die Messung der JV - Kurven kann an anderer Stelle 23 gefunden werden, 24.

8. Analysis der Phasentrennungsstruktur

  1. Bereiten Sie einzelne Filme von photoaktiven Schichten aufgebaut mit Ti-Alkoxid und PFO-DBT, mit derselben Methode für Solarzellenherstellung, ohne die organische Elektrode und ohne Laminierung Prozess.
  2. Verwenden eines optischen Mikroskops oder eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), um die Morphologie der photoaktiven Schicht mit hoher Vergrößerung (50000 ×) zu beobachten, um die Phasentrennungsstruktur zu analysieren.
    HINWEIS: Nähere Informationen über SEM Betrieb kann an anderer Stelle 25 gefunden werden, 26.

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Ergebnisse

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Wir haben ein Protokoll vorgestellt vollständig druckbare organisch-anorganischen BHJ-Solarzellen für die Herstellung, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Phasentrennungsstruktur zu steuern. Der Solar-Zellenleistung wurde ausgiebig untersucht 27-31 als Ti (IV) isopropoxid und -ethylat als Elektronen aufnehmende Materialien (Figur 1) verwendet wurden. Diese Solarzellen zeigte eine Kurzschlussstromdichte (Jsc) , die etwa acht mal höher als die von Geräten mit...

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Diskussion

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Um die Bauschigkeit Moleküls in diesem Verfahren zu verwenden, ist es wichtig, die Bedingungen für die Filmbildung durch Schleuderbeschichtung zu kennen. Zunächst werden die p-Typ- und n-Typ-Halbleitern müssen sich in den Lösungsmitteln gelöst werden. Wenn etwas Material bleibt, wird es die großen Kern der Domänen in der photoaktiven Schicht geworden. Die Verwendung eines geeigneten kommerziellen Filter für einzelne Lösungsmittel wird empfohlen, das verbleibende Material zu entfernen. Als nächstes, in dem die Vorläuferl...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde teilweise durch JSPS KAKENHI Grantnummer 25871029 unterstützt, der Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering, und der Tochigi Industrie Promotion Center. Das National Institute of Technology, Oyama College, auch mit den Kosten für die Veröffentlichung dieses Artikels unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ti(IV)-isopropoxid, 97%Sigma Aldrich205273
Ti(IV)-ethoxidSigma Aldrich244759
technisches Ti(IV)-butoxid, 97%Sigma Aldrich244112in Reagenzqualität
Sigma Aldrich510718
Poly[2,7-(9,9-dioctylfluoren)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3- Thiadiazol] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-phenyl-C61-buttersäuremethylester ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449Forschungsqualität
Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N SalzsäureWako083-01095
Chlorbenzol 99,0%Wako032-07986
Aceton 99,5%Wako016-00346
Indium-Zinnoxid (ITO)-beschichtetes GlassubstratGeomatec0002100-fach; 100&mal; 1.1t (mm)
GlassubstratMatsunami GlassS721376&mal; 26&mal; 1.2t (mm)
Baumwollschwanz Als ein1-8584-16
EpoxidharzNichibanAR-R30
KunststoffspatelAls ein2-3956-02
UltraschallreinigerAls einAS482
Magnetischer HeißrührerAls einRHS-1DN
KeramikkochplatteAls einCHP-17DN
Spin CoaterKyowarikenK-359 S1
VakuumpumpeULVACDA-30S
UV-O3 ReinigerFilgenUV253E
SiebdruckerMitani ElectronicsMEC-2400
Ultraschall-LötsystemKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Gleichstrom Spannungs- und Stromquelle/Monitor integriert SystemSan-Ei ElectricXES-40S1
RasterelektronenmikroskopJEOL Ltd.JSM-7800
, Ti(IV)-butoxid-Polymer

Referenzen

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