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Artículo de método

Método ambiente para la producción de un cátodo común iónicamente cerrada nanotubos de carbono en las células solares en tándem Orgánica

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DOI:

10.3791/52380

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5 de noviembre de 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

En este artículo

Resumen

Se presenta un método para fabricar, en condiciones ambientales, dispositivos fotovoltaicos orgánicos en tándem en una configuración paralela. Estos dispositivos cuentan con un cátodo común de nanotubos de carbono, semitransparente y procesado por aire.

Resumen

Se presenta un método de fabricación de tándems fotovoltaicos orgánicos (OPV) que no requiere procesamiento al vacío. Estos dispositivos están compuestos por dos células poliméricas procesadas en solución conectadas en paralelo por una capa intermedia de nanotubos de carbono transparentes (CNT). Esta estructura incluye mejoras en las técnicas de fabricación de dispositivos OPV en tándem. En primer lugar, se considera la necesidad de cátodos procesados a temperatura ambiente. El ánodo CNT en el dispositivo en tándem se ajusta a través de una compuerta iónica para convertirse en un cátodo común. La compuerta iónica emplea carga eléctrica de doble capa para reducir la función de trabajo del electrodo CNT. En segundo lugar, se aborda la dificultad de apilar secuencialmente capas en tándem mediante el procesamiento de soluciones. Los dispositivos se fabrican mediante solución y laminación en seco en condiciones ambientales con pasos de procesamiento paralelos. Se describe el método de fabricación de las celdas poliméricas individuales, los pasos necesarios para laminarlas junto con un cátodo CNT común y luego proporcionar algunos resultados representativos. Estos resultados demuestran la compuerta iónica del electrodo CNT para crear un cátodo común y la adición de corriente y eficiencia como resultado del procedimiento de laminación.

Introducción

Semiconductores de polímero son los fotovoltaicos orgánica (OPV) materiales principales debido a la alta capacidad de absorción, buenas propiedades de transporte, la flexibilidad, y la compatibilidad con sustratos sensibles a la temperatura. Dispositivos OPV eficiencia de conversión de energía, η, se han subido significativamente en los últimos años, con eficiencias de células individuales de hasta 9.1% 1, por lo que una tecnología de energía cada vez más viable.

A pesar de las mejoras en η, los espesores de las capas delgadas activos óptimos de los dispositivos limitan la absorción de luz y dificultan la fabricación confiable. Además, la anchura espectral de absorción de la luz de cada polímero está limitada en comparación con materiales inorgánicos. Polímeros de emparejamiento de diferente sensibilidad espectral no pasa por estas dificultades, por lo que las arquitecturas tándem 2 una innovación necesaria.

Dispositivos en tándem de la serie son la arquitectura tándem más común. En este diseño, un materi de transporte de electronesal, una capa de recombinación metálica opcional, y una capa de transporte de huecos se conectan dos capas fotoactivas independientes llamados sub-células. La vinculación de sub-células en una configuración en serie aumenta la tensión de circuito abierto del dispositivo de combinación. Algunos grupos han tenido éxito con capas de transporte dopadas degeneradamente de 3 - 5, pero más grupos han utilizado partículas de oro o plata para ayudar a la recombinación de huecos y electrones en la capa intermedia 6,7.

En contraste, los tándems paralelas requieren un electrodo de alta conductividad, ya sea ánodo o cátodo, que une las dos capas activas. La capa intermedia debe ser altamente transparente, lo que limita la serie en tándem capas intermedias que contienen partículas metálicas, y más aún para las capas intermedias en tándem paralelas, compuestas de electrodos de metal delgada y continua. Los nanotubos de carbono (CNT) hojas muestran mayor transparencia de capas de metal. Así que el Instituto NanoTech, en colaboración con la Universidad de Shimane, tiene introducido el concepto de usar como el electrodo en capa intermedia, dispositivos en tándem paralelas monolíticos 8.

Los esfuerzos previos del momento, OPV, dispositivos tándem paralelas monolíticas con hojas de la CNT que funcionan como ánodos de capa intermedia 8,9. Estos métodos requieren un cuidado especial para evitar el cortocircuito de una o dos células o capas precedentes perjudiciales al depositar capas posteriores. El nuevo método descrito en este documento facilita la fabricación colocando el electrodo de CNT en la parte superior de las capas activas poliméricos de dos células individuales, a continuación, laminación de los dos dispositivos separados entre sí como se muestra en la Figura 1. Este método es notable como el dispositivo, incluyendo un aire -stable cátodo CNT, puede ser fabricado en su totalidad en las condiciones ambientales que emplea sólo el procesamiento seco y la solución.

Hojas de CNT no son intrínsecamente buenas cátodos, ya que requieren el dopaje de tipo n para disminuir la función de trabajo a fin de recoger los electrones de la región fotoactivade una célula solar 10. Eléctrico de doble capa de carga en un electrolito, tal como un líquido iónico, se puede utilizar para cambiar la función de trabajo de CNT electrodos 11-14.

Como se describe en un documento anterior y 15 representado en la Figura 2, cuando el voltaje de puerta (V GATE) está aumenta, la función de trabajo del electrodo común CNT se disminuye, creando asimetría del electrodo. Esto evita que la colección agujero de donante de la vacuna antipoliomielítica oral en favor de la recogida de electrones del aceptador de la OPV, y los dispositivos de encender, cambiar de fotoresistor ineficiente en fotodiodo 15 comportamiento. También debe tenerse en cuenta que la energía utilizada para cargar el dispositivo y la potencia perdida debido a las corrientes de fuga puerta es trivial en comparación con la energía generada por la célula solar 15. Gating iónica de electrodos CNT tiene un gran efecto sobre la función de trabajo debido a la baja densidad de estados y el altorelación de superficie a volumen en los electrodos de la CNT. Métodos similares se han utilizado para mejorar una barrera Schottky en la interfase de CNT con n-Si 16.

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Protocolo

1. óxido de estaño e indio (ITO) Patrones y limpieza

NOTA: El uso 15Ω / □ vidrio ITO, y compra o cortar el vidrio ITO en tamaños adecuados para el recubrimiento por rotación y la fotolitografía. Es más eficiente para realizar los pasos 1.1 a 1.7 en un pedazo de vidrio tan grande como sea posible, y luego se corta en dispositivos más pequeños. También tenga en cuenta que los pasos 1.1 a 1.7 requieren el vidrio ITO a orientarse con el ITO-hacia arriba. Esto se puede comprobar fácilmente con el ajuste de la resistencia de un multímetro.

  1. Capa de la vuelta 1 ml de S1813 fotorresistente positivo en el lado ITO-del vidrio ITO a una velocidad de 3.000 rpm durante 1 min. Usar más para resistir grandes piezas de vidrio, asegúrese de que todo el vidrio está recubierta, y eliminar todas las burbujas antes de comenzar el revestidor de giro.
  2. Recocer el vidrio revestido resistir, en una placa caliente, a 115 ° C durante 1 min.
  3. Cargar la muestra y la fotomáscara sobre el alineador de contacto.
  4. Exponga el vidrio ITO fotoprotector recubierto por una aprotiempo proceda. El tiempo de exposición es de alrededor de 10 segundos, pero este tiempo puede variar en base a la intensidad de la lámpara UV, el tipo de resina fotosensible, y grosor.
  5. Desarrollar los sustratos UV-expuesta en desarrollador MF311. Proceso automatizado de un procesador de giro produce los mejores y más resultados repetibles, pero el desarrollo se puede hacer manualmente como sigue.
    1. Sumergir los sustratos expuestas a UV durante 1 min en el revelador, seguido de un enjuague en agua desionizada (DI) de agua y de secar con una pistola de nitrógeno. Debido a que el desarrollador pierde fuerza rápidamente, sustituya el revelador entre las muestras, o, alternativamente, aumentar el tiempo de desarrollo al reutilizar desarrollador.
  6. Etch los sustratos de ITO en ácido clorhídrico concentrado (HCl). Esto tarda entre 5-10 min dependiendo de la concentración del HCl. Enjuague en agua DI, seco, y poner a prueba la resistencia de las partes grabadas con un multímetro. Si cualquiera de conductividad permanece, grabar durante un tiempo más largo.
  7. Una vez que el grabado, retire la photoresist con acetona. Tenga en cuenta que la pronta eliminación de la fotoprotección impide HCl residual de sobre-grabado de la OIC con dibujos.
  8. Si es necesario, cortar los grabados sustratos de vidrio ITO en tamaños de los dispositivos.
  9. Limpiar los sustratos de ITO en un ultrasonicador baño en una secuencia de disolventes - agua DI, acetona, tolueno, metanol, y, finalmente, alcohol isopropílico.

2. OPV Fabricación de células Sub

  1. Preparar P3HT: PC 61 BM solución.
    NOTA: Para obtener los resultados más consistentes, preparar las soluciones en un ambiente de nitrógeno. Es posible seguir este procedimiento en las condiciones ambientales.
    1. Encuentre y anote la masa de dos limpias, ~ 4 ml frasco de vidrio y sus tapas, y marcarlos con un marcador permanente para distinguirlos de los otros.
    2. En una caja de guantes de nitrógeno o argón, transferir aproximadamente 10 mg de poli (3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT) a un vial y aproximadamente 10 mg de fenil-C 61 éster metílico del ácido butírico (PC 61 BM) a la otra.
    3. Pesar los viales otra vez para encontrar la masa de la P3HT y PC 61 BM.
    4. La transferencia de los viales con P3HT y PC 61 BM en una caja de guantes para el resto del proceso de toma de solución.
    5. Añadir una barra de agitación magnética en cada vial y luego agregue suficiente clorobenceno a cada uno para crear soluciones de 45 mg / ml.
    6. Colocar las soluciones sobre una placa de agitación magnética caliente a 55 ° C durante aproximadamente 2 horas o hasta que los solutos se han disuelto completamente.
    7. Mezclar volúmenes iguales de la P3HT y PC 61 BM soluciones juntos, y dejar que la solución mixta de agitación durante otra hora antes de su uso.
  2. Preparar PTB7: PC 71 BM solución.
    1. Repita los pasos 2.1.1 al 2.1.4 con 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) y 7,1-fenil-butírico éster metílico del ácido (PC 71 BM) en lugar de P3HT y PC61 BM.
    2. Haga una mezcla de 3% en volumen 1,8-diiodooctane (DIO) en clorobenceno. Esta mezcla se llama DIO-CB.
    3. Añadir una barra de agitación magnética en cada vial y luego añadir una cantidad suficiente DIO-CB al vial PTB7 tener una solución de 12 mg / ml y lo suficientemente DIO-CB a la PC 71 BM vial tener una solución 40 mg / ml.
    4. Deja que estas soluciones revuelven en un plato caliente a 70 ° C durante dos días.
    5. Mezclar las soluciones en una relación en peso de PTB7 a PC 71 BM de 1 a 1,5.
    6. Deje que la solución mixta de agitación durante otra hora a 70 ° C antes de su uso.
  3. Filtro de poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli- (estirenosulfonato) (PEDOT: PSS) a través de un filtro de nylon de tamaño de poro 0,45 micras. Tenga en cuenta este procedimiento utiliza P VP AI4083.
  4. Girar Coat capas activas.
    1. Coloque sustratos ITO limpiados, ITO-hacia arriba, en un limpiador UV-ozono durante 5 min.
    2. Spin-abrigo de 120 l de la PEDOT: PSS se filtraron a los rayos UV tratada con ozono, modelado ITO- sustrato de vidrios a 3.000 rpm durante 1 min. Esto debería producir una capa gruesa 30 nm.
    3. Recocer el PEDOT: PSS sustratos recubiertos de ITO durante 5 min a 180 ° C.
    4. Spin-abrigo de 70 l de la P3HT mixta: PC 61 BM solución sobre PEDOT: PSS recubierto ITO sustratos a aproximadamente 1.000 rpm durante 1 min. Variar la velocidad según sea necesario para depositar una capa activa nm de espesor 200.
    5. Recocer el P3HT: sustratos PC 61 BM recubierto a 170 ° C durante 5 min. Los resultados pueden variar de la temperatura óptima de recocido.
    6. Spin-abrigo de 70 l de la PTB7 mixta: PC 71 BM solución sobre PEDOT: PSS recubierto ITO sustratos a aproximadamente 700 rpm durante 1 min. Variar la velocidad según sea necesario para depositar una capa activa 100 nm de espesor.
    7. Cargue el PTB7: PC 71 BM sustratos recubiertos en un alto vacío (<2 x 10 -6 Torr) para eliminar la cámara de DIO residual. Por lo general, dejar las muestras en la cámara de O / N.

3. Fabrique el dispositivo Tandem

  1. Electrodos Laminado CNT.
    1. Cortar los sustratos PTB7 y P3HT por la mitad para hacer un dispositivo tándem. Un patrón de ITO especializada no requeriría este paso. El patrón de ITO debe tener al menos dos electrodos ITO paralelo que se extiende desde un borde a un mm de distancia de la otra.
    2. En primer lugar preparar el PTB7 y sustratos recubiertos por P3HT secándose polímero y PEDOT a partir de los bordes del vidrio, y exponer la tira de ITO que se utiliza como electrodo común como se ve en el primer panel de la Figura 1.
    3. Laminar el electrodo común CNT en la parte superior de los electrodos PTB7 y P3HT. Aplique una capa SWCNT colocando el lado de la CNT del papel de filtro en el dispositivo, presionando suavemente, y luego pelar el papel de filtro de distancia. Esto se muestra en el segundo panel de la Figura 1.
    4. Densificar el electrodo de CNT sobre la superficie mediante la aplicación de metoxi-nonafluorobutano (C 4 F 9 OCH 3) (HFE) y recubriendo la CNT con una pequeña amount del líquido y luego dejar que se seque.
    5. Limpie el polímero y CNT en la parte superior de la ITO y vidrio que tendrá el electrodo de puerta como se muestra en el tercer panel de la Figura 1. Retire todo el polímero desde el cristal para evitar fugas de puerta con una hoja de afeitar.
    6. Lamine el electrodo de puerta de la CNT en el área limpiada de los sustratos PTB7 y P3HT recubiertos. Lamine el MWCNT tirando del borde del bosque MWCNT con una hoja de afeitar y dejar que la hoja de pie libremente entre unos tubos capilares. Pase el dispositivo a través de la hoja independiente para laminar la CNT en el dispositivo. El electrodo de puerta debe tener 2-3 veces el número de capas tal como se establece en el electrodo común.
    7. Densificar el electrodo de puerta con HFE.
  2. Colocar una pequeña gota (≈10 l) de líquido iónico, N, N -dietil- N-metil-N - (2-metoxietil) tetrafluoroborato de amonio, DEME-BF 4, en la parte superior de ambos electrodos de CNT unode los sustratos.
  3. Colocar con cuidado el sustrato sin líquido iónico en la parte superior del sustrato con líquido iónico con los electrodos comunes de puerta y en la parte superior de cada-otro. Esto se muestra en el último panel de la Figura 1.
  4. Coloque una fotomáscara con un tamaño de abertura más pequeño que el tamaño del electrodo sobre el área activa. Use pequeños clips para mantener la fotomáscara en su lugar, así como para mantener el dispositivo juntos durante la prueba.

4. Medir el dispositivo

  1. Transferir el dispositivo en la guantera de medición.
  2. Realice las conexiones eléctricas.
    1. Conecte la fuente de suministro de puerta entre el electrodo común y el electrodo de puerta con el común como suelo.
    2. Conectar los dos ánodos de ITO a los cables que están conectados a un conmutador que permite la selección de cualquiera de ánodo o ánodos ambos.
    3. Conecte la salida del interruptor a la entrada de la unidad de medida de fuente.
    4. Conecte el suelo de las meas de origenunidad ure al electrodo común.
  3. Mida las características IV del dispositivo mediante la repetición de los siguientes pasos para ascender V Puerta.
    1. Set V Puerta al siguiente valor, a partir de V = 0 V Puerta a Puerta V = 2 V en incrementos de 0,25 V.
    2. Espere 5 minutos o hasta que se estabiliza la corriente de puerta. Lo ideal sería que la corriente de puerta debería estabilizarse en torno a 10s de nanoamperios.
    3. Ajuste el conmutador en ambas sub-células.
    4. Abra el obturador de la lámpara.
    5. Ejecutar un barrido de tensión en la unidad de medida de voltios fuente de -1 a +1 voltios en incrementos de alrededor de 100 o más.
    6. Ejecutar un barrido de tensión de 1 volt a -1 voltio.
    7. Cierre el obturador de la lámpara.
    8. Ejecute los barridos de tensión de nuevo.
    9. Ajuste el conmutador en la sub-celular frente.
    10. Repita los pasos 4.3.4 al 4.3.8.
    11. Ajuste el conmutador en la sub-celular de vuelta.
    12. Repita los pasos 4.3.4 al 4.3.8.
  4. Calcular los parámetros del dispositivo.
    1. Encuentra la corriente de cortocircuito (J SC) de cada sub-celular en cada puerta de V mediante la búsqueda de la corriente producida por el dispositivo cuando el voltaje a través de la sub-celular es 0 V.
    2. Encuentra la tensión de circuito abierto (V OC) de cada sub-celular en cada puerta de V mediante la búsqueda de la tensión producida por el dispositivo cuando la corriente a través de la sub-celular es 0 A.
    3. Encuentra la salida de potencia máxima de la célula solar multiplicando cada valor de la tensión con cada valor actual y seleccionando el valor máximo (más negativo). Esto supone que se mide la corriente actual como negativa la foto-generado.
    4. Encuentra la eficiencia de conversión de potencia (η) dividiendo la potencia máxima por la potencia de la luz de entrada.
    5. Calcula el factor de llenado (FF) dividiendo la potencia máxima por el producto de J SC y V OC.

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Resultados

Un dispositivo tándem formado a partir de diferentes polímeros, particularmente polímeros de diferentes significativamente las brechas de la banda, es de interés práctico, ya que estos dispositivos pueden absorber el rango espectral de la luz más grande. En esta estructura del dispositivo, el sub-celular PTB7 es la célula hacia atrás y P3HT es la sub-celular frente. Con ello se pretende absorber la mayor cantidad de luz que la sub-celular P3HT es en gran medida transparente a la luz de longitud de onda más larga absorbi...

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Discusión

Los resultados ponen de manifiesto algunas consideraciones en el diseño de células solares en tándem paralelo. Cabe destacar que, si uno de los sub-células está realizando mal, el rendimiento en tándem afectada negativamente. Los resultados muestran que hay dos efectos principales. Si está en corto un sub-celular, por ejemplo, muestra un comportamiento óhmico, el FF T no será mayor que el FF de la mala sub-celular. J T SC y V T OC se verán afectados de mane...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

El apoyo para este trabajo fue proporcionado por la subvención DE-SC0003664 del DOE STTR sobre Células Solares Orgánicas en Tándem Paralelas con Capas Intermedias de Láminas de Nanotubos de Carbono y la subvención AT-1617 de la Fundación Welch. Los autores agradecen a J. Bykova por proporcionar bosques de CNT y a A. R. Howard, K. Meilczarek y J. Velten por la asistencia técnica y las discusiones útiles.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Poli(3,4-etilendioxitiofeno):p oly-(estirenosulfonato)HeraeusClevios PVP AI 4083
poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil) Rieke Metals  Inc.P3HT:  P200
fenil-C61-butírico  ácido metil  éster1- MaterialPC61BM
Poli({4,8-bis[(2-etilhexilo)oxi]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofeno-2,6-diil}{3-fluoro-2-[(2-etilhexilo)carbonilo]tieno[3,4-b]tiofenediil}) 1- MaterialPTB7
fenil-C61-butírico ácido metil  ésterSolennePC71BM
1,8-diyodooctanoSigma Aldrich250295
clorobencenoSigma Aldrich284513
Vidrio recubierto de óxido de indio y estaño 15 ohmios / SQLumtec
S1813UTD Sala limpia
MF311UTD Sala
HClUTD Acetona
FisherScientificA18-20
ToluenoFisher ScientificT323-20
MetanolBDHBDH1135-19L
IsopropanolFisher ScientificA416-20
CEE SpincoaterBrewer Scientific
http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm Impresora de contactoQuintelQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
CPK Procesador
centrifugado http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm BarnizLaurellWS-400-6NPP/LITE
[header]
GuanteraM-BraunLab Master 130
Simulador SolarThermo Oriel/Newport
Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
Keithley 7002 MultiplexorKeithley/Techtronix7002
Limpiador ultrasónicoKendalHB-S-49HDT
MicropipetaEppendorf200 µ l
: Limpia de

Referencias

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  15. Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes. Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).
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