Artículo de método

Control de la morfología de las células solares a granel-heterounión orgánica-inorgánica completamente para imprimir Sobre la base de un Ti-alcóxido y semiconductores de polímero

DOI:

10.3791/54923

⸱

10 de enero de 2017

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

En este artículo

Resumen

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Un método para células completamente imprimibles, libre de fullereno, altamente aire-estable, a granel heterounión solares basadas en alcóxidos de Ti como el aceptor de electrones y la fabricación de polímero donador de electrones se describe aquí. Por otra parte, se informa de un procedimiento para controlar la morfología de la capa fotoactiva a través del volumen molecular de las unidades de Ti-alcóxido.

Resumen

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La capa fotoactiva de una célula solar típica de heterojunción masiva de película delgada (BHJ) utiliza comúnmente derivados de fullereno como material receptor de electrones. Sin embargo, los derivados del fullereno son sensibles al aire; Por lo tanto, se necesita un material estable al aire como alternativa. En el presente estudio, proponemos y describimos las propiedades del alcóxido de Ti-como un material alternativo que acepta electrones a los derivados del fullereno para crear células solares BHJ altamente estables en el aire. Es bien sabido que el control de la morfología en la capa fotoactiva, que está construida con derivados de fullereno como aceptor de electrones, es importante para obtener una alta eficiencia general a través del método del solvente. El método convencional del disolvente es útil para materiales de alta solubilidad, como los derivados del fullereno. Sin embargo, para los alcóxidos de Ti, el método convencional de solventes es insuficiente, porque solo se disuelven en solventes específicos. Aquí, demostramos un nuevo enfoque para el control de la morfología que utiliza el volumen molecular de los alcóxidos de Ti-sin el método convencional de solventes. Es decir, este método es un enfoque para obtener células solares de heterounión a granel orgánico-inorgánicas altamente eficientes, estables en el aire.

Introducción

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Dispositivos fotovoltaicos orgánicos se consideran fuentes de energía renovables prometedores debido a su bajo coste de fabricación y el peso ligero 1-7. Debido a estas ventajas, un gran número de científicos ha estado inmerso en esta área prometedora. En la última década, sensibilizada por colorante, de película delgada orgánica, y las células solares sensibilizadas por perovskita han logrado avances significativos en la eficiencia de conversión de energía en esta zona 8.

En concreto, las células solares de película delgada orgánica y la tecnología de células solares de película delgada orgánica BHJ son soluciones eficientes y rentables para la utilización de la energía solar. Además, la eficiencia de conversión de la energía ha llegado a más de 10% con el uso de polímeros de baja de intervalo de banda como los derivados de los donantes de electrones y de fullereno como el aceptor de electrones (fenil-C 61 butírico-ácido-Metil Ester: [60] o PCBM fenil-C 71 butírico-ácido-metil Ester: [70] PCBM) 9-11. Por otra parte, algunos investigadores have ya se ha informado de la importancia de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que se construye con polímeros de baja band-gap y derivados de fullereno para obtener una alta eficiencia global. Sin embargo, los derivados de fullerenos son sensibles al aire. Por lo tanto, se requiere un material aceptor de electrones estable al aire como una alternativa. Algunos informes sugirieron previamente los nuevos tipos de células fotovoltaicas orgánicas que utilizan polímeros semiconductores de tipo n u óxidos metálicos como aceptores de electrones. Estos informes apoyan el desarrollo de las células,, orgánicos libres de fullereno con aire estable solares de película delgada 12-15.

Sin embargo, en contraste con los sistemas de fullereno o sistemas de polímero semiconductor de tipo n, la obtención de un rendimiento satisfactorio de la estructura BHJ en la capa fotoactiva, que tiene separación de carga y las capacidades de transferencia de carga, es difícil en los sistemas de óxido de metal 16-17. Además, los derivados de fullereno y polímeros semiconductores tipo n tienen alta solubilidaden muchos disolventes. Por lo tanto, es fácil de controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante la selección de una solución de tinta como el disolvente, que es el precursor de la capa fotoactiva 18-20. Por el contrario, en el caso de los sistemas de alcóxido de metal utilizados en combinación con un polímero donador de electrones, ambos semiconductores son insolubles en casi todos los disolventes. Esto se debe a alcóxidos de metales no tienen una alta solubilidad en el disolvente. Por lo tanto, la selectividad de disolventes para el control de la morfología es extremadamente bajo.

En este artículo, se presenta un método para controlar la morfología de la capa fotoactiva mediante el uso de voluminosidad molecular para fabricar células solares imprimibles y altamente BHJ aire-estable. Se describe la importancia del control de la morfología para el progreso de las células solares BHJ libre de fullereno.

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Protocolo

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1. Preparación de indio-estaño (ITO) de vidrio para la fabricación de la célula solar

  1. Cortar el sustrato ITO / vidrio.
    1. El uso de un cortador de vidrio, cortar el sustrato ITO / vidrio (10 cm x 10 cm) en trozos de aproximadamente 2 cm x 2 cm.
  2. Químicamente grabar la capa conductora ITO.
    1. El uso de un multímetro digital, compruebe que la parte superior de la pieza ITO / vidrio tiene un lado conductor.
    2. Coloque cinta adhesiva en ambos lados de la pieza de ITO / vidrio, dejando una zona central de 2 mm x 2 cm en el medio. Con cinta de enmascarar, proteger al resto de la capa conductora de ITO del grabado.
    3. Verter unas gotas de HCl (1 M) sobre la capa conductora ITO para eliminar la capa conductora ITO de la superficie de la pieza de ITO / vidrio. Después de aproximadamente 3 minutos, limpie el HCl usando un hisopo de algodón, y luego retire la cinta de enmascarar.
  3. Tratar previamente la pieza ITO / vidrio.
    1. Coloque las piezas de vidrio ITO / en unavitrina y llenar el caso del agua.
    2. Coloque la caja de cristal en un baño de agua que es dos tercios lleno de agua y adjuntar un limpiador ultrasónico. A continuación, encienda el baño de ultrasonido durante aproximadamente 15 minutos para eliminar los pocos restos de reactivo de ataque químico que queda en la pieza ITO / vidrio. Lavar estas piezas en un baño de ultrasonidos con agua, acetona y alcohol isopropílico, respectivamente, para 15 min cada uno, y luego secarlas en una corriente de aire seco. Realizar ultrasonidos a una frecuencia de oscilación de 42 kHz.
    3. Colocar las piezas ITO / de vidrio dentro de un ultravioleta-ozono (UV-O 3) limpiador y ejecutar la máquina para 30 min.

2. Preparación de la solución de precursor para la capa fotoactiva

  1. Disolver 0,5 mg de poli [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -alt-4,7-bis (tiofen-2-il) benzo-2,1,3-tiadiazol] (PFO-DBT) como un electrón donante y 1,0 mg de Ti-alcóxido en 1 ml de clorobenceno. Seleccione los siguientes alcóxidos de Ti como electronesaceptores: Ti (IV) isopropóxido, etóxido, butóxido de potasio, y el polímero de butóxido de potasio. A continuación, se disuelven 0,5 mg de PFO-DBT y 1,0 mg de [60] PCBM en 1 ml de clorobenceno como referencia.
    NOTA: En este caso, los niveles HOMO-LUMO son las siguientes 21. PFO-DBT: 5,4 a 3,53 eV, Ti (IV) isopropóxido: 7,49 a 3,86 eV, etóxido: 7,55 a 3,90 eV, butóxido: 7,53 a 3,76 eV, y el polímero de butóxido: 7,57 a 3,83 eV.
  2. En un agitador magnético caliente, calentar la solución de precursor a 70 ° C mientras se agita con una barra de agitación a una velocidad de rotación de 700 rpm. Hacer esto para 20 min en ausencia de la luz, hasta que la solución es visualmente clara para el ojo desnudo. Enfriar la solución a temperatura ambiente, de nuevo en ausencia de luz, para uso futuro.

3. La fabricación de la capa fotoactiva

  1. Depositar la película de recubrimiento por rotación.
    1. Se calienta la solución de precursor de la capa fotoactiva y la pieza de ITO / vidrio a 70 ° C. Durante 10 minutos, calentar la solución de precursor en una agitadora magnética calienterer calentó a 70 ° C y el uso de una barra de agitación a una velocidad de rotación de 700 rpm. Calentar la pieza ITO / vidrio en un plato caliente de cerámica se calienta a 70 ° C durante 5 min.
    2. Coloque la pieza de ITO / de vidrio en el centro del escenario vacío de la recubridora de rotación, calentarlo con una pistola de aire caliente a aproximadamente 70 ° C, y encienda el vacío.
      NOTA: El vacío se crea mediante el uso de una bomba de vacío con una velocidad de bombeo de 30 l / min. La presión final de la bomba de vacío es 26,6 × 10 3 Pa.
    3. Verter unas gotas de la solución de precursor de la capa fotoactiva en la pieza de ITO / vidrio y empezar la recubridora de rotación en 2,000-6,000 rpm durante 60 s en el aire.
      Nota: El volumen de la solución de precursor es de 0,5 ml, medidos con un spuit 1-mL.
    4. Se seca la superficie de la capa fotoactiva durante 10 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz para obtener una película de 50 nm de espesor como la capa fotoactiva.
  2. Retire la película adicional.
    1. Limpie el phot adicionalcapa oactive de la superficie de la pieza de ITO / de vidrio con un hisopo de algodón humedecido con clorobenceno.
    2. Se seca la capa fotoactiva de nuevo por 10 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz.
      NOTA: La temperatura de la habitación experimento se mantuvo a 25 ° C.

4. La fabricación del electrodo

  1. Imprimir el electrodo orgánica.
    1. El uso de una impresora de pantalla, imprimir un electrodo orgánica mediante la colocación de poli (3,4-etilendioxitiofeno) -poli (estirenosulfonato) (PEDOT-PSS) sobre la capa fotoactiva 22. La máscara de metal es 50 micras de espesor, y el área de impresión es 5 mm x 20 mm.
    2. Secar el electrodo orgánica durante 30 min a temperatura ambiente en una atmósfera de aire en ausencia de luz.

5. La laminación de las células solares

  1. Cortar el sustrato de vidrio en trozos con unas dimensiones de 1,5 cm x 2,5 cm utilizando un cortador de diamante. Untadouna resina epoxi sobre el sustrato de vidrio usando una espátula de plástico. Coloque el sustrato de vidrio con resina epoxi sobre la capa fotoactiva para protegerlo.

6. Preparación para medir el rendimiento de las células solares

  1. Limpiar los electrodos limpiándolos con un hisopo de algodón humedecido con acetona. Adjuntar un electrodo de soporte sobre el ITO mediante un sistema de soldadura por ultrasonidos. Operar el soldador a una frecuencia de 42 kHz y a 230 ° C.

7. Medición del rendimiento de las células solares

  1. Medir las características de corriente-tensión (JV) de las células solares mediante el uso de un sistema de monitor integrado de corriente continua de voltaje de corriente fuente /, con el simulador solar calibrada para proporcionar un AM1.5G simulada de 100 mW / cm 2 por el fotodiodo de silicio.
    NOTA: Información más detallada acerca de la medición de las curvas de riesgo compartido se puede encontrar en otros lugares 23, 24.

8. Analysis de la estructura de separación de fases

  1. Preparar películas individuales de capas fotoactivas construidos con Ti-alcóxido y PFO-DBT, usando el mismo método para la fabricación de células solares, sin el electrodo orgánico y sin el proceso de laminación.
  2. Utilice un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar la morfología de la capa fotoactiva con gran ampliación (50.000 ×) con el fin de analizar la estructura de separación de fases.
    NOTA: Información más detallada sobre el funcionamiento SEM se puede encontrar en otros lugares 25, 26.

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Resultados

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Hemos presentado un protocolo para la fabricación de células completamente imprimibles orgánicos-inorgánicos BHJ solares, así como un método para controlar la estructura de separación de fases. El rendimiento de células solares ha sido ampliamente investigado 27-31 cuando (IV) isopropóxido y etóxido se utilizaron Ti como aceptor de electrones materiales (Figura 1). Estas células solares exhiben una densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) que es aproximada...

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Discusión

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A fin de utilizar la voluminosidad de la molécula en este método, es importante conocer las condiciones para la formación de película mediante revestimiento por rotación. En primer lugar, los de tipo p y tipo n semiconductores deben ser capaces de disolverse en los disolventes. Cuando algún material permanece, se convertirá en el gran núcleo de los dominios en la capa fotoactiva. Se recomienda el uso de un filtro comercial adecuada para disolventes individuales para eliminar el material restante. A continuación, la solu...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Agradecimientos

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Este trabajo fue parcialmente apoyado por la JSPS KAKENHI la subvención Número 25871029, la Fundación Nippon Sheet Glass para la Ciencia de los Materiales e Ingeniería, y el Centro de Promoción Industrial de Tochigi. El Instituto Nacional de Tecnología, Oyama College, también ayudó con los gastos de publicación de este artículo.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Isopropóxido de Ti(IV) al 97%Sigma Aldrich205273
Etóxido de Ti(IV)Sigma Aldrich
244759 Butóxido de Ti(IV) de grado técnico, 97%Sigma Aldrich244112Polímero
de butóxido de Ti(IV)Sigma Aldrich 510718
Poli[2,7-(9,9-dioctilfluoreno)-alt-4,7-bis(tiofeno-2-il)benzo-2,1,3- tiadiazol] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-fenil-C61-butírico ácido metil éster ([60]PCBM) 99,5%Sigma Aldrich684449investigación
poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato) (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N Ácido clorhídricoWako083-01095
Clorobenceno 99.0%Wako032-07986
Acetona 99.5%Wako016-00346
Sustrato de vidrio recubierto de óxido de indio y estaño (ITO)Geomatec0002100× 100 veces; 1.1t (mm)
Sustrato de vidrioMatsunami GlassS7213 76× 26&veces; 1.2t (mm)
Cola de algodón Como uno1-8584-16
Resina epoxiNichibanAR-R30
Espátula de plásticoComo uno2-3956-02
Limpiador ultrasónicoComo unoAS482
Agitador magnético caliente ComounoRHS-1DN
Placa calefactora de cerámicaComo unCHP-17DN
RecubridorgiratorioKyowarikenK-359 S1
Bomba de vacíoULVACDA-30S
Limpiador UV-O3 Impresora deFilgenUV253E
Mitani ElectronicsMEC-2400
Sistema de soldadura ultrasónicaKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Voltaje de corriente continua y fuente de corriente continua / monitor integrado sistemaSan-Ei ElectricXES-40S1
Microscopio electrónico de barridoJEOL Ltd.JSM-7800
de grado reactivo Grado de serigrafía

Referencias

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