Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer
10. Januar 2017
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.
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.
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Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Herstellung vollständig druckbarer, fullerenerfreier Solarzellen mit Schichtübergang auf Basis sperriger Titanalkoxide als Elektronenakzeptoren beschrieben. Die Technik ermöglicht die Kontrolle über die Morphologie der photoaktiven Schicht, was entscheidend für die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen ist.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Solarenergieumwandlung
- Organisch-anorganische Hybridmaterialien
- Organische Solarzellen mit Schichtübergang
Hintergrund
- Massenheteroübergangs-Solarzellen sind eine aussichtsreiche Technologie zur Umwandlung von Solarenergie.
- Die Kontrolle der Phasenseparationsstruktur der photoaktiven Schicht ist entscheidend, um die Effizienz zu verbessern.
- Herkömmliche Methoden stoßen aufgrund von Löslichkeitsproblemen an ihre Grenzen.
- Bulky-Titanalkoxide können die Selbstorganisation behindern und bieten somit einen neuen Ansatz zur Kontrolle der Morphologie.
Zweck der Studie
- Herstellung von hochluftstabilen Solarzellen mit massiver Heteroübergangsstruktur ohne Fulleren.
- Untersuchung des Einflusses der molekularen Raumbeschaffenheit auf die Morphologie der photoaktiven Schicht.
- Verbesserung der Gesamteffizienz der Solarzelle durch optimierte Ladungstrennung und -übertragung.
Verwendete Methoden
- Verwendung sperriger Titanalkoxide als Elektronenakzeptoren.
- Kontrolle der Morphologie durch das molekulare Design der Alkoxid-Einheiten.
- Herstellung von Solarzellen unter Verwendung halbleitender Polymere wie P3HT oder PTV7.
- Untersuchung der Phasenseparationsstrukturen in der aktiven Schicht.
Hauptergebnisse
- Zeigte die Fähigkeit, die Morphologie der photoaktiven Schicht effektiv zu steuern.
- Wies ein Potenzial für höhere Solarzellenwirkungsgrade aufgrund verbesserter Ladungsdynamik nach.
- Lieferte Erkenntnisse zum PFO-DVT-Elektronendonatorsystem.
- Bestätigte die Verträglichkeit mit verschiedenen halbleitenden Polymeren.
Schlussfolgerungen
- Die Methode bietet einen neuartigen Ansatz zur Herstellung effizienter Solarzellen.
- Bulke Titanalkoxide stellen eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Methoden dar.
- Diese Forschung trägt zur Weiterentwicklung organischer und anorganischer Hybrid-Solarzellentechnologien bei.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Diese Methode begegnet der Herausforderung im Entdeckungsstadium, die Phasenseparations-Morphologie in organisch-anorganischen Hybrid-Solarzellen zu kontrollieren, ohne auf herkömmliche, lösungsmittelbasierte Ansätze angewiesen zu sein. Durch die Verwendung sperriger Titanalkoxide als morphologiekontrollierende Elektronenakzeptoren ermöglicht sie eine vorhersagbare Zuverlässigkeit hinsichtlich der Ladungstrennungseffizienz und unterstützt die Portfolioauswahl luftstabiler, fullerendifreier photovoltaischer Materialien. Der Ansatz wirkt sich auf frühe Entdeckungsphasen aus, indem er einen löslichkeitunabhängigen Weg bietet, um die Nanostruktur der aktiven Schicht zur Verbesserung der Energieumwandlung gezielt einzustellen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen der molekularen Größe auf die Phasenseparationsstruktur, um die Elektronenakzeptorfunktion in hybriden Systemen zu validieren.
- Operativer Wert: Bietet ein löslichkeitsunabhängiges Verfahren zur Untersuchung von Titanalkoxid-Varianten hinsichtlich der Morphologiesteuerung und verringert damit die Abhängigkeit von der Optimierung des Lösungsmittels.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die Hypothesenprüfung darüber, wie die Größe des Alkoxids die Ladungserzeugung und -transport beeinflusst, und leitet dadurch die Materialauswahl zur Risikominimierung an.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Phasenseparationsdaten mittels REM-Bildgebung, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für die Akzeptorauswahl zu etablieren.
- Operativer Wert: Ermöglicht reproduzierbare Dünnschichtfertigung unter standardisierten Spin-Beschichtungsbedingungen und damit die Hochdurchsatzbewertung von Alkoxid-Polymer-Kombinationen.
- Skalierbarkeitswert: Verwendet druckbare, lösungsprozessierbare Komponenten, die mit der Rolle-zu-Rolle-Herstellung kompatibel sind, und unterstützt die Wiederverwendung der Plattform über verschiedene Materialbibliotheken hinweg.
Translationale und präklinische Forschung
- Übertragbarer Wert: Gewährleistet Kontinuität von der Entdeckung bis zur geräteebenen Bewertung, indem nanoskalige Morphologie mit makroskopischer Ladungstrennung und Strom-Spannungs-Kennlinien verknüpft wird.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Identifiziert Alkoxid-Kandidaten (z. B. Titanethoxid/Isopropoxid) mit akzeptabler Phasenseparation zur Priorisierung, während übermäßig voluminöse Varianten (z. B. Butoxid-Polymer) entpriorisiert werden, da sie die Leistung beeinträchtigen.
- Mechanistische Risikominimierung: Klärt, wie der molekulare Aufbau von Alkoxiden die Selbstorganisationshemmung beeinflusst, und reduziert damit die Unschärfe in Struktur-Funktions-Beziehungen für hybride optoelektronische Systeme.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der frühen Materialprüfung über die Identifizierung von Wirkstoffkandidaten bis hin zur präklinischen Gerätevalidierung, insbesondere für organisch-anorganische Hybrid-Photovoltaiksysteme, bei denen die Morphologie die funktionale Leistung bestimmt.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die hypothesengeleitete Untersuchung, wie die Kompaktheit von Titanalkoxiden die Selbstorganisation stört, um die nanoskalige Phasenseparation in der photoaktiven Schicht zu steuern.
- Screening: Ermöglicht die vorbereitete Herstellung einheitlicher 50 nm dicker Schichten durch Schleuderbeschichtung und damit eine konsistente morphologische Analyse über verschiedene Materialvarianten hinweg.
- Analytik: Liefert quantitative Ergebnisse, darunter die Kurzschlussstromdichte und die aus REM-Bildern abgeleitete Qualität der Phasenseparation, und ermöglicht so die vergleichende Bewertung der Ladungserzeugungseffizienz.
- Translationale Forschung: Verbindet die Kontrolle der Morphologie auf molekularer Ebene mit elektrischen Eigenschaften auf Bauelementebene und schafft so eine Brücke von der Materialentdeckung zur Bewertung funktionsfähiger Prototypen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Methode zur Bewertung beliebiger sterisch gehinderter Elektronenakzeptoren in druckbaren Solarzellen, unabhängig von Löslichkeitsbeschränkungen des Lösungsmittels.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert das Vorhersagevertrauen bei der Ladungstrennung, indem die Kontrolle der Morphologie über das molekulare Design und nicht über die Anpassung des Lösungsmittels ermöglicht wird.
- Operativer Wert: Gewährleistet Reproduzierbarkeit und Standardisierung durch feste Beschichtungsparameter (2.000–6.000 U/min, 60 s) und Substratpräparationsprotokolle.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch, indem die Stärke der Alkoxid-Verzweigung mit der Qualität der Phasenseparation und der Ladungserzeugung verknüpft wird, wodurch das Risiko spätzeitiger Ausfälle in der photovoltaischen Entwicklung verringert wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Titanalkoxiden basierend auf morphologischer und elektrischer Leistung und lenkt Investitionen hin zu optimalen Elektronenakzeptor-Kandidaten.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Aufbereitung von Lösungen, dem Spin-Beschichten und der Charakterisierung photovoltaischer Bauelemente.
- Benötigt Instrumente wie einen Spin-Beschichter, einen Ultraschallreiniger, einen UV-Ozon-Reiniger, einen Sonnensimulator sowie REM/ optische Mikroskopie.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über Teamgrenzen hinweg bei der Ätzung, Reinigung und Temperbehandlung der Substrate voraus, um morphologische Konsistenz sicherzustellen.
- Erfordert Anpassungen, wenn das Verfahren auf andere halbleitende Polymere (z. B. P3HT, PTV7) oder auf Alkoxidketten unterschiedlicher Länge und Sterischer Hinderung ausgedehnt wird.
- Beinhaltet praktische Einschränkungen, wie beispielsweise die Notwendigkeit von Chlorbenzol als Verarbeitungslösungsmittel sowie mögliche Limitierungen bei Alkoxiden mit starker Sterischer Hinderung, die eine optimale Phasenseparation stören können.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:22
Indium Tin Oxide (ITO) Glass Preparation
2:50
Preparation and Fabrication of the Photoactive Layer
5:21
Fabrication and Measurement of the Solar Cell
6:47
Results: Phase Separation and Current–Voltage Characteristics of Ti(IV)-alkoxide Bulk-heterojunction (BHJ) Solar Cells
7:57
Conclusion
