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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist die Herstellung von vollständig druckbaren, fullerenfreien Bulk-Heterojunction-Solarzellen unter Verwendung von sperrigen Titanalkoxiden als morphologiesteuernde Elektronenakzeptoren. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Bulk-Heterojunction-Solarzellen zur Kontrolle der Phasentrennungsstruktur der photoaktiven Schicht von organisch-anorganischen Hybrid-Bulk-Heterojunction-Solarzellen zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Phasentrennungsstruktur kontrolliert, indem sie die Selbstorganisation mit sperrigen Molekülen behindert, ohne die Löslichkeitseinschränkungen der herkömmlichen Lösungsmittelmethode.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Erzielung eines höheren Gesamtwirkungsgrads von Solarzellen, da geladene Trennungen und Ladungstransfer immer in der aktiven Schicht stattfinden. Diese Methode kann also einen Einblick in das PFO-DVT-Elektronendonorsystem geben. Es kann auch mit halbleitenden Polymeren wie P3HT oder PTV7 betrieben werden.

Zu Beginn des Verfahrens schneiden Sie mit einem Glasschneider ein 1,1 Millimeter dickes ITO-Glassubstrat in zwei Zentimeter mal zwei Zentimeter große Quadrate. Identifizieren Sie die leitfähige Seite jedes Quadrats mit einem Digitalmultimeter. Decken Sie die leitfähige Seite jedes Quadrats mit zwei Streifen Kreppband ab und lassen Sie in der Mitte einen zwei Millimeter mal zwei Zentimeter großen Bereich frei.

Geben Sie einige Tropfen einmolare Salzsäure auf die freiliegende, leitfähige Fläche jedes Quadrats. Lassen Sie die Quadrate drei Minuten lang ruhen, um einen Streifen in die leitfähige Schicht zu ätzen. Wischen Sie dann die Salzsäure mit einem Wattestäbchen ab und entfernen Sie das Kreppband.

Lege die Quadrate in einen Glasbehälter und fülle den Behälter mit entionisiertem Wasser. Stellen Sie den Behälter in ein Wasserbad mit Ultraschallreiniger. Lassen Sie den Ultraschallreiniger 15 Minuten lang bei 42 Kilohertz laufen.

Reinigen Sie dann die Quadrate jeweils 15 Minuten lang in Aceton und Isopropanol. Trocknen Sie die Quadrate unter einem Strahl trockener Luft. Reinigen Sie dann die trockenen Quadrate 30 Minuten lang mit einem UV-Ozonreiniger

Zur Herstellung der Vorläuferlösungen lösen Sie 0,5 Milligramm PFO-DBT und 1,0 Milligramm des gewählten Titanalkoxids in einem Milliliter Chlorbenzol. Wickeln Sie das Fläschchen in Aluminiumfolie ein, um Licht auszuschließen. Die Vorläufermischung unter Rühren bei 700 U/min auf 70 Grad Celsius erhitzen.

Rühren Sie die Mischung bei dieser Temperatur etwa 20 Minuten lang. Sobald die Lösung klar erscheint, lasse sie auf Raumtemperatur abkühlen. 0,5 Milligramm PFO-DBT und 1,0 Milligramm 60-PCBM werden in einem Milliliter Chlorbenzol als Referenzstandard gelöst.

Erhitzen, rühren und kühlen Sie das Referenznormal unter den gleichen Bedingungen wie die Vorläufer. Zur Vorbereitung eines Schleuderauftrags erhitzen Sie den Vorläufer oder die Referenzlösung auf einer Heizplatte bei 70 Grad Celsius unter Rühren bei 700 U/min für 10 Minuten. Erhitzen Sie ein Quadrat aus geätztem ITO-Glassubstrat auf einer Keramikkochplatte bei 70 Grad für fünf Minuten.

Platzieren Sie dann das erwärmte ITO-Glasquadrat in der Mitte des Vakuumtisches des Spin-Coaters. Erwärmen Sie dieses Quadrat mit einer Heißluftpistole auf 70 Grad und schalten Sie dann die Vakuumpumpe ein, um das Quadrat zu fixieren. Ziehen Sie 0,5 Milliliter des warmen Vorläufers oder der Referenzlösung in eine Ein-Milliliter-Spritze und geben Sie die Lösung sofort auf das Quadrat.

Lassen Sie dann den Spin Coater 60 Sekunden lang mit 2.000 bis 6.000 U/min an der Luft laufen, um einen 50 Nanometer dicken Film zu erzeugen. Lassen Sie die Oberfläche 10 Minuten bei Raumtemperatur unter Lichteinfall trocknen. Verwenden Sie dann ein mit Chlorbenzol angefeuchtetes Wattestäbchen, um überschüssiges photoaktives Material zu entfernen.

Trocknen Sie die Oberfläche unter den gleichen Bedingungen erneut. Um die Phasentrennungsstruktur zu analysieren, stoppen Sie die Vorbereitung hier und verwenden Sie ein optisches oder Rasterelektronenmikroskop, um Bilder der photoaktiven Schicht zu erhalten. Um eine organische Elektrode auf ein mit photoaktivem Material beschichtetes ITO-Glasquadrat zu drucken, verwenden Sie einen Siebdrucker mit einer 50 Mikrometer dicken Metallmaske, um ein fünf Millimeter x 20 Millimeter großes Rechteck aus PDOT-PSS auf die Oberfläche des Quadrats zu drucken.

Lassen Sie die Elektrode 30 Minuten lang an der Luft bei Raumtemperatur unter Lichteinfall trocknen. Schneiden Sie dann mit einem Diamantschneider ein 1,5 Zentimeter mal 2,5 Zentimeter großes Stück 1,2 Millimeter dickes Glassubstrat aus. Verteilen Sie Epoxidharz mit einem Kunststoffspatel auf das Glasstück.

Legen Sie das Glas mit der Epoxidseite nach unten auf die Probe und lassen Sie eine Seite der Probenoberfläche frei. Reinigen Sie die Stützelektroden mit Aceton und einem Wattestäbchen. Verwenden Sie einen Ultraschall-Lötkolben, um die Stützelektroden auf die verbleibende freiliegende Oberfläche des Quadrats zu löten.

Messen Sie die Stromspannungseigenschaften der Zelle mit einem Sonnensimulator. Dieses Verfahren ist für jedes zu prüfende Titanalkoxid und für PFO-DBT als Referenz zu wiederholen. Organisch-anorganische Bulk-Heterojunction-Solarzellen wurden unter Verwendung von vier verschiedenen Titanalkoxiden als Elektronenakzeptoren hergestellt.

Die Eigenschaften der Stromspannung wurden signifikant durch die Alkoxideigenschaften beeinflusst, was auf Unterschiede in der Phasentrennungsstruktur der photoaktiven Schicht zurückzuführen ist. Die Kurzschlussstromdichten der Zellen mit Titan-Vier-Isopropoxid, Ethoxid und Butoxid waren viel höher als die der Zellen mit einem Butoxidpolymer. Die Rasterelektronenmikroskopie der photoaktiven Schichten zeigte akzeptable Phasentrennungsstrukturen für die Titan-Vier-Ethoxid- und Isopropoxid-Zellen.

Die Titan-Vier-Butoxid-Zelle zeigte eine etwas schlechtere Phasentrennung, was auf die Sperrigkeit des Butoxids zurückgeführt wurde. Das noch größere Volumen des Titan-Vier-Butoxid-Polymers war für eine optimale Phasentrennung unerschwinglich, was zu einer schlechten Ladungserzeugung in der photoaktiven Schicht führte. Nach jeder Entwicklung ebnete diese Technik den Forschern auf dem Gebiet der organisch-anorganischen Hybridsolarzellen den Weg, die Kombinationen verschiedener Materialien für hocheffiziente photoaktive Schichten zu erforschen.