Methodenartikel

Gut abgestimmten vertikal orientierte ZnO Nanorod Arrays und deren Anwendung in invertiert kleine Molekül Solarzellen

DOI:

10.3791/56149

25. April 2018

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Dieses Manuskript wird beschrieben, wie zu entwerfen und fertigen effiziente invertierten SMPV1:PC71BM Solarzellen mit ZnO Laptops (NRs) auf eine qualitativ hochwertige Al-dotierten ZnO (AZO) Samen Schicht angebaut. Die gut abgestimmten vertikal ausgerichtet ZnO NRs Ausstellung hohe kristalline Eigenschaften. Der Wirkungsgrad von Solarzellen erreichen 6.01 %.

Zusammenfassung

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Dieses Manuskript wird beschrieben, wie zu entwerfen und fertigen effiziente umgekehrte Solarzellen, die auf eine zweidimensionale konjugierte kleines Molekül (SMPV1) basieren und [6,6] - Phenyl - C71-Buttersäure-Methylester (PC71BM), durch die Verwendung von ZnO Laptops (NRs) auf eine qualitativ hochwertige Al-dotierten ZnO (AZO) Samen Schicht angebaut werden. Die invertierte SMPV1:PC71BM Solarzellen mit ZnO NRs, die auf einer gesputterten und Sol-Gel verarbeiteten AZO Saatgut-Schicht wuchs werden hergestellt. Verglichen mit der AZO Dünnschicht, vorbereitet von der Sol-Gel-Methode, Exponate die gesputterte AZO Dünnschicht besser Kristallisation und geringer Oberflächenrauheit nach Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterkraft-Mikroskop (AFM)-Messungen. Die Ausrichtung auf eine Schicht gesputterten AZO Saatgut angebaut ZnO-NRs zeigt besser vertikale Ausrichtung, die für die Ablagerung von der nachfolgenden wirkstoffschicht bilden bessere Oberfläche Morphologien von Vorteil ist. Morphologie die Oberfläche der aktiven Ebene dominiert im Allgemeinen, vor allem den Füllfaktor (FF) der Geräte. Infolgedessen kann die gut abgestimmten ZnO NRs, die Träger-Sammlung der aktiven Ebene zu verbessern und die FF der Solarzellen zu erhöhen verwendet werden. Darüber hinaus als Anti-Reflektions-Struktur, kann es auch genutzt werden, um zu verbessern, die Lichtsammlung der absorptionsschicht mit Wirkungsgrad (PCE) von Solarzellen erreichen 6.01 %, höher als das Sol-Gel-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 4,74 basierte %.

Einleitung

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Organische Photovoltaik (OPV) Geräte haben bemerkenswerte Fortschritte bei der Anwendung von erneuerbaren Energiequellen vor kurzem erfahren. Solche organischen Geräte haben viele Vorteile, einschließlich der Lösungsprozess Kompatibilität, niedrige Kosten, geringes Gewicht, Flexibilität, etc.1,2,3,4,5 bis jetzt, Polymer-Solarzellen (EAP) mit einem PCE von mehr als 10 % wurden durch den Einsatz der konjugierten Polymers gemischt mit PC71BM6entwickelt. Im Vergleich zu Polymer-basierten PSCs, kleine Molekül-basierte OPVs (SM-OPV) haben mehr Aufmerksamkeit bei der Herstellung von OPV aufgrund ihrer einige deutliche Vorteile, einschließlich der klar definierten chemischen Strukturen, einfache Synthese und Reinigung, und in der Regel höhere offenen Spannungen (VOc)7,8,9. Zur Zeit eine 2-D-Struktur konjugiert niedermolekularer SMPV1 (2,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2''-terthiophene)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) mit BDT-T (Benzo [1,2-B:4, 5-b "] Dithiophene) als zentrale Einheit und 3-Octylrodanine wie die Aberkennung der Elektron-Endgruppe10 wurde entworfen und zur Mischung mit PC71BM für vielversprechende nachhaltige OPVs Anwendung. Die PCE von konventionellen niedermolekularer Solarzellen (SM-OPV) basierend auf SMPV1 gemischt mit PC71BM hat mehr als 8,0 %10,11erreicht.

In der Vergangenheit konnten PSCs verbessert und optimiert, indem die Dicke der aktiven Ebene. Jedoch im Gegensatz zu EAP haben SM-OPVs im Allgemeinen eine kürzere Länge der Diffusion, die die Dicke der aktiven Ebene stark einschränkt. Daher wurde um die kurze Stromdichte (Jsc) von SM-OPVs zu steigern, unter Verwendung der Nanostruktur12 oder NRs9 zur Verbesserung der optischen Absorption von SM-OPVs notwendig.

Unter diesen Verfahren ist die Entspiegelung NRs Struktur in der Regel wirksam zur Lichtsammlung der aktiven Ebene über ein breites Spektrum von Wellenlängen; Daher ist es sehr kritisch, zu wissen, wie gut abgestimmten vertikal ausgerichteten Zinkoxid (ZnO) NRs wachsen. Die Rauheit der Oberfläche der Samen Schicht unterhalb der NRs ZnO-Schicht hat einen großen Einfluss auf die Ausrichtung der NR-Arrays; Daher muss um gut orientierten NRs einzahlen, die Kristallisation der Samen Schicht genau kontrollierten9.

In dieser Arbeit werden die AZO Filme von Fernsehsektors-Frequency (RF) Sputtern Technik vorbereitet. Im Vergleich mit anderen Techniken, ist RF Sputtern bekannt, ist eine effiziente Technologie, die für die Industrie dafür übertragbar ist eine zuverlässige Abscheidung-Technik ermöglicht die Synthese von hoher Reinheit, gleichmäßige, glatte und selbsterhaltende AZO Dünnschichten zu wachsen über großflächige Substrate. Nutzung der RF Sputtern Ablagerung ermöglicht die Bildung von qualitativ hochwertigen AZO Filme, die hohen Kristallisation mit reduzierten Rauheit der Oberfläche aufweisen. Daher in das anschließende Wachstum-Schicht, die Ausrichtungen der NRs sind hoch ausgerichtet, umso mehr, wenn im Vergleich zu ZnO-Filme von der Sol-Gel-Methode bereit. Mit dieser Technik kann der PCE der invertierten niedermolekularer Solarzellen basierend auf gut abgestimmten vertikal ausgerichteten ZnO NR Arrays 6.01 % erreichen.

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Protokoll

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1. Wachstum der AZO gesputterten Samen Schicht auf ITO Substrat

  1. Kleben Sie Anti-Korrosions-Band 4-teilig (0,3 x 1,5 cm) auf der einen Seite des Substrates Indium-Zinn-Oxid (ITO) bilden ein Quadrat (1,5 x 1,5 cm). Legen Sie die ITO in Salzsäure für 15 min auf die exponierten Bereich des ITO Ätzen.
  2. Entfernen Sie das Klebeband und reinigen Sie die Probe mit einem sonikator; mit entionisiertem (DI)-Wasser, Aceton, Ethanol und Isopropanol wiederum für 30 min beschallen. Föhnen Sie die gemusterte ITO mit einer komprimierten Stickstoff-Pistole.
  3. Anbringen Sie die gereinigten gemusterten ITO Substrate auf den Untergrund-Halter durch Klebeband, und laden Sie den Halter in die Hauptkammer RF Sputter-System. Pumpen der Kammerdruck, unten 4 x 10-6 mm Hg über die mechanische und Diffusionspumpe um ökologische Reinheit zu gewährleisten.
  4. Legen Sie reines Argon-Gas (Durchflussmenge: 30 Sccm) in die Hauptkammer und Kontrolle der Pumpe der Druck der Kammer 1 Mtorr aufrecht zu erhalten.
  5. Bereiten Sie die AZO Saatgut-Schichten mit Hilfe der RF (13,56 MHz) Methode, basierend auf den gemeldeten Methode13Sputtern. Verwenden Sie eine Runde 2 in Dimension AZO (2 Gew.-% Al2O3 in ZnO) Keramik Ziel auf vorgereinigten ITO Glassubstrate zu hinterlegen. Halten Sie den Ziel-Substrat-Abstand 10 cm.
  6. Arbeitsdruck am 1 Mtorr und HF-Leistung 40 W während der Abscheidung zu erhalten. Kontrolle der Substrattemperatur bei Raumtemperatur. Legen Sie der angewandten DC-Bias und Abscheiderate 187 V und 4 nm/min, bzw. auf die AZO Dünnschicht einzahlen. Die Dicke der Schicht AZO Saatgut sollte kontrolliert werden, um 40 nm basierend auf der Quarzkristall Dicke Monitor.
  7. Nachdem die Probe bis zu 30 ° C in der Kammer abgekühlt, schalten Sie die Pumpe und der Hauptkammer stecken Sie Stickstoffgas, bis die Kammer geöffnet werden kann. Entfernen Sie die Probe aus dem Substrat-Halter.

2. Wachstum von der Sol-Gel verarbeitet ZnO Seed Layer auf ITO Substrat

  1. Hinterlegen Sie die ZnO-Samen-Schicht auf dem gemusterten ITO Substrat durch die Sol-Gel-Spin coating Methode14. Die Zink-Acetat-Dihydrat, 2-Methoxethanol und Monoethanolamin (MEA) werden als die Ausgangs-, Lösungsmittel, und Stabilisator verwendet.
    1. Auflösen der Zink-Acetat-Dihydrat (4,39 g) in einer Mischung aus 2-Methoxethanol (40 mL) und MEA (1,22 g), die Zink-Acetat-Konzentration von 0,5 M zu erhalten.
    2. Rühren Sie die resultierende Mischung bei 60 ° C für 2 h. Lassen Sie die Sol sitzen für 12 h um eine klare und transparente, homogene Lösung zu bilden.
    3. ZnO Samen Schicht auf die gereinigte ITO gemustert Glassubstrate mit der Spin-Beschichtung-Methode zu hinterlegen. Fügen Sie 0,1 mL Sol-Gel-Lösung auf das Substrat und drehen bei 3.000 u/min für 30 s mit einem Spin Coater.
    4. Nach Spin coating Trocknen des Films bei 200 ° C für 30 min auf einer heißen Platte erlauben das Lösemittel verdunsten und die organischen Rückstände zu entfernen. Die Schichtdicke ZnO Samen sollte etwa 40 nm14sein.

3. Wachstum von ZnO NR Array auf einem Seed Layer

  1. Wachsen Sie das ZnO NR-Array mit der hydrothermalen Methode.
    1. Mix-1,49 g Zink Nitrat Hexahydrat (Zn (Nr.3)2·6H2O) und 0,7 g Hexamethylentetramin (HMT) (C6H12N4) in 100 mL DI Wasser. Rühren Sie die resultierende Mischung bei Zimmertemperatur 30 min.
    2. Befestigen Sie die ITO-Seite der AZO gesputterten Saatgut-Schicht mit der ZnO-Sol-Gel-Proben auf dem Deckglas mit Klebeband. Legen Sie die Proben in ein 50 mL Polypropylen konischem Rohr mit der 50 mL Lösung gefüllt (Nr.3) Zn2·6H2O und HMT.
    3. Während des Wachstums erhitzen Sie Polypropylen konische Rohr legen es horizontal in einem Labor-Ofen mit den Spin beschichteten Proben nach unten, und behalten Sie die Temperatur bei 90 ° C 90 min.
    4. Am Ende der Wachstumsperiode entfernen Sie die Substrate aus der Projektmappe und spülen Sie sofort die Probenoberfläche mit VE-Wasser und Ethanol (in zwei Waschflaschen) im Gegenzug für 1 min pro Salz von der Oberfläche zu entfernen. Föhnen Sie die Probe mit einem komprimierten Stickstoff-Gun und auf einer heißen Platte bei 250 ° C für 10 min backen.

4. Herstellung und Messung der invertierten niedermolekularer Solarzellen

  1. Laden Sie die ITO-Substrat mit dem ZnO NR-Array auf einen Spin Coater in das Handschuhfach. Mischen Sie 1 mL Toluol mit 15 mg SMPV1 und 11,25 mg PC71BM Add 0,1 mL Lösung, drehen Sie die Probe bei 2.000 u/min für 40 s mit einem Spin Coater und bei 60 ° C für 2 min Tempern.
  2. Platzieren Sie nach den glühprozess das Substrat in einem thermischen verdampfungsystem. Die Vakuumkammer zunächst mit einer mechanischen Pumpe, bis der Druck 4 x 10-2 Torr, wechseln dann zu einem Turbo erreicht Pumpe um den Umgebungsdruck < 4 x 10-6 mm Hg.
  3. Einzahlung der MoO3 Schicht bei einer Abscheiderate von 0,1 nm/s durch Erhitzen MoO3 Pulver in einem resistiven Molybdän-Boot mit einem Z-Verhältnis von 1,0 und einem Eingangsstrom von 105 A. Ablagerung der Ag Schicht bei einer Abscheiderate von 0,5 nm/s durch Heizung Silber Barren in einem resistiven t Ungsten Boot mit einem Z-Verhältnis von 0.529 und ein Eingangsstrom von 190 A. Das System sollte einen Quarzkristall Verdampfung Rate Monitor enthalten, für die Steuerung der Verdampfung. Die Dicke der MoO3 und Ag Schichten sollte kontrolliert werden, um 5 bis 150 nm, bzw. basierend auf der Quarzkristall Dicke Monitor zu sein.
  4. Nachdem die Probe bis zu 30 ° C in der Kammer abgekühlt, schalten Sie die Pumpe, und legen Sie Stickstoff-Gas in die Kammer, bis die Kammer geöffnet werden kann. Entfernen Sie die Probe aus dem Substrat-Halter und laden Sie die Probe in das Handschuhfach.
  5. Öffnen Sie das Solarsimulator System und warten Sie 20 min, bis die Lichtquelle das System stabil ist. Beleuchten die Probe bei 100 mW/cm2 aus einem Sonnensimulator mit einer Luftmasse 1.5 global (AM 1.5G) Filter. Gleichzeitig, benutze den Analyzer, um das Gerät von-1 V bis + 1 V, die Stromdichte-Spannung (J-V) Kurve14,15zu erhalten zu fegen.

5. Charakterisierung Techniken

  1. Führen Sie die x-ray Diffraction Measurment16 mit einer Cu Kα-Quelle, die Strukturen der ZnO NRs, auf die AZO gesputterten Saatgut-Schicht und die ZnO Sol-Gel verarbeitet Samen Schicht zu studieren. Die Scan-Geschwindigkeit sollte 1 ° / min, und der Scan-Bereich sollte 10-90 ° (2θ).
  2. Charakterisieren die Oberflächenmorphologie und Cross-Sectional Bild der Proben durch Feldemission Scannen Elektronenmikroskopie17 durch Festlegen der Betriebsspannung bei 10 kV.
  3. Erhalten die Mikro Photolumineszenz (PL) Spektren von allen Proben mit einem 325 nm-He-Cd CW-Laser (20 mW) als Anregungsquelle mit einem 2.400 Rillen/mm Gitter in der backscattering Geometrie. AllPL Messungen18 sollte bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

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Ergebnisse

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Der mehrschichtige Aufbau der Geräte bestand aus einer ITO Substrat/AZO (40 nm) / NRs ZnO-Schicht, SMPV1:PC71BM (80 nm) /3 MoO (5 nm) /Ag (150 nm) wie in Abbildung 1dargestellt. Im Allgemeinen ist die AZO oder ZnO Schicht Samen verbreitet als Elektron Transportschicht (ETL) in einheitlichen Geräten funktionieren. Neben der einheitlichen Ansprechpartner haben SM-OPVs in der Regel eine kürzere wirkstoffschicht, begrenzt durch die kürzere V...

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Diskussion

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Durch die Nutzung der NRs-Zwischenschicht, kann das J-sc und der FF der Geräte verbessert werden. Allerdings wird die Oberflächenrauhigkeit der NRs auch die nachfolgenden Prozessen beeinflusst. Daher sollte die Ausrichtung und die Morphologie der Oberfläche die NRs sorgfältig bearbeitet werden. Schon seit längerem verarbeitet das Sol-Gel ETL, wie TiO2 und ZnO in einheitlichen aufgrund ihrer einfachen Verfahren weit verbreitet waren. Jedoch die Kristallisation von Sol-Gel verarbeitet Schichten ist in...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

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Die Autoren möchte National Science Council of China für die finanzielle Unterstützung dieser Forschung unter Vertragsnr. Die meisten 106-2221-E-239-035, und die meisten 106-2119-M-033-00.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AZO zieltauf Ultimate Materials Technology Co., Ltd.keineAZO (2 Gew.-% Al2O3 in ZnO) , 3" ψ x 3 mmt
+ 3 mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanin)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2''-terthiophen)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophen
HF-SputtersystemKao Duen Technology Co., Ltdkeinehttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Zinkacetat-DihydratJ. T. Baker59704564,39 g
MonoethanolaminJ. T. Baker1414351,22 g
2-MethoxyethanolSigma-Aldrich10986440 mL
Zinknitrat HexahydratJ. T. Baker101961861,49 g
HexamethylentetraminSigma-Aldrich100-97-00,7 g
Indiumzinnoxid (ITO)RiTdisplayunbeschichtete Glassubstrate (< 10 Ω q– 1)
AFMVeecoInnova SPM SEM
FEINova 200 NanoSEMBetriebsspannung: 10 kV
XRDBrukerD8 Röntgendiffraktometer2> Bereich: 10– 90 &Grad; Schrittgröße: 0,008 &Grad;
PLHoribaJobin-Yvon HR800Anregungsquelle: 325 nm UV-Laser 20 mW
SonnensimulatorNewport91192AAM 1,5G
Präzisions-Halbleiter-ParameteranalysatorKeysight TechnologiesAgilent 4156CSweep von -1 bis +1 V
ToluolSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 mg
Thermisches VerdampfungssystemKao Duen Technology Co., LtdKao Duen PVD Systemhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50%
SilberbarrenADMAT Inc.keine100.00%
Dünnschicht-AbscheidungsreglerINFICONXTC
Korrosionsschutzband (Polyimid-Folie)3M Taiwan Corporationkeinehttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
Spin-CoaterChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx
ab

Referenzen

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  8. Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
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Invertierte SolarzellenAl dotierte ZnO Keimschichtgesputterter AZO D nnfilmSol Gel verarbeitetes AZOvertikale Nanostab AusrichtungR ntgenbeugungsanalyseRasterkraftmikroskopieEnergiewandlungseffizienz

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