Artículo de método

Bien alineados verticalmente orientado a ZnO Nanorod matrices y su aplicación en invertida pequeña molécula de las células solares

DOI:

10.3791/56149

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25 de abril de 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, National United University, 2Research Center of Applied Science, Academia Sinica, 3Department of Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University, 4Department of Electronic Engineering, Chung Yuan Christian University

En este artículo

Resumen

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Este manuscrito describe cómo diseñar y fabricar células solares eficientes SMPV1:PC invertido71BM nanorods de ZnO (NRs) crecido en una capa de semilla del ZnO dopado Al (AZO) de alta calidad. Bien alineados verticalmente orientado a NRs ZnO exhiben alta cristalinas propiedades. La eficiencia de conversión de energía de células solares puede llegar a 6.01%.

Resumen

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Este manuscrito describe cómo diseñar y fabricar eficientes células solares invertidas, que se basan en una pequeña molécula conjugada bidimensional (SMPV1) y [6,6] - fenil - C71-metilester de ácido butírico (PC71BM), mediante la utilización de nanorods de ZnO (NRs) crecido en una capa de semilla del ZnO dopado Al (AZO) de alta calidad. Se fabrican las células SMPV1:PC invertido71BM solares con NRs de ZnO que creció en una capa procesada semilla AZO pulverización y sol-gel. En comparación con la película fina AZO preparada por el método sol-gel, la pulverización fina película AZO exhibe mejor cristalización y baja rugosidad superficial, según difracción de rayos x (DRX) y mediciones de fuerza atómica (AFM) de microscopio. La orientación de la NRs de ZnO en una capa de semilla AZO pulverización muestra mejor alineación vertical, que es beneficiosa para la deposición de la capa activa posterior, formando morfologías superficiales mejor. En general, la morfología superficial de la capa activa domina principalmente el factor de llenado (FF) de los dispositivos. En consecuencia, el NRs bien alineados de ZnO puede utilizarse para mejorar la colección de soporte de la capa activa y aumentar el FF de las células solares. Por otra parte, como una estructura de la reflexión, también pueden ser utilizado para mejorar la cosecha ligero de la capa de absorción, con la eficiencia de conversión de energía (PCE) de células solares llegando a 6.01%, mayor que el sol-gel basado en células solares con una eficiencia de 4.74 %.

Introducción

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Dispositivos fotovoltaicos orgánicos de (OPV) recientemente han experimentado notables progresos en la aplicación de las energías renovables. Tales dispositivos orgánicos tienen muchas ventajas, incluyendo el proceso de solución de compatibilidad, flexibilidad, bajo costo, peso ligero, etc.1,2,3,4,5 hasta ahora, de células solares poliméricas (PSC) con un PCE de más del 10% han sido desarrolladas mediante la utilización de los polímeros conjugados con PC71BM6. Comparado con el PSC con polímeros, pequeña molécula base VPL (SM-VPL) ha atraído más atención cuando se trata de fabricación de VPL debido a sus varias ventajas, incluyendo estructuras químicas bien definidas, fácil síntesis y purificación, y generalmente mayores voltajes de circuito abierto (Voc)7,8,9. En la actualidad, una estructura de 2-D conjugada molécula pequeña 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) con BDT-T (benzo [1, 2-b:4, 5-b'] dithiophene) como la unidad de base y 3-octylrodanine final-Grupo electrón-retirar10 ha sido diseñado y usado para mezcla con PC71BM prometedora aplicación sostenible de VPL. El PCE de células solares de molécula pequeña convencional (SM-VPL) basado en SMPV1 con PC71BM ha alcanzado más de 8.0%10,11.

En el pasado, PSCs podrían ser mejorados y optimizados simplemente ajustando el espesor de la capa activa. Sin embargo, a diferencia de los PSCs, SM-VPL en general tiene una longitud más corta de la difusión, que limita considerablemente el espesor de la capa activa. Por lo tanto, para aumentar aún más la poca densidad de corriente (Jsc) de VPL de SM, utilizando la nano-estructura12 o NRs9 para mejorar la absorción óptica de SM-VPL llegó a ser necesario.

Entre estos métodos, la estructura de NRs antirreflectante es generalmente eficaz para cosechar ligero de la capa activa en una amplia gama de longitudes de onda; por lo tanto, saber cómo crecer bien alineados verticalmente orientado de óxido de zinc (ZnO) NRs es muy crítico. La rugosidad de la superficie de la capa de semilla debajo de la capa de ZnO NRs tiene una gran influencia en la orientación de los arreglos de NR; por lo tanto, para poder depositar NRs bien orientadas, la cristalización de la capa de semilla debe ser precisamente controlada9.

En este trabajo, se preparan las películas AZO radiales-frecuencia (RF) técnica de sputtering. En comparación con otras técnicas, RF sputtering es conocido por ser una tecnología eficiente que es transferible a la industria porque es una técnica de deposición confiable, que permite la síntesis de alta pureza, uniforme, lisa y autosustentable AZO películas delgadas para crecer sobre sustratos de gran superficie. Utilizando la RF sputtering deposición permite la formación de películas de alta calidad AZO que exhiben alta cristalización con menor rugosidad de la superficie. Por lo tanto, en la capa de crecimiento posterior, las orientaciones de la NRs están altamente alineadas, más aún en comparación con películas de ZnO preparadas por el método sol-gel. Usando esta técnica, el PCE de las células solares de molécula pequeña invertida basada en matrices de ZnO NR orientadas verticalmente bien alineados puede llegar a 6.01%.

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Protocolo

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1. crecimiento de la capa de semilla pulverización AZO en sustrato ITO

  1. Pegar 4 piezas de cinta de la anticorrosión (0.3 x 1,5 cm) en un lado del substrato indio óxido de estaño (ITO) para formar un cuadrado (1,5 x 1,5 cm). Poner el ITO en ácido clorhídrico durante 15 min grabar el área expuesta de ITO.
  2. Retire la cinta y limpiar la muestra utilizando un sonicador; someter a ultrasonidos con desionizada (DI) agua, acetona, etanol y el isopropanol en vez de 30 minutos cada uno. Secar con secador el ITO modelada con una pistola de nitrógeno comprimido.
  3. Fije el limpiados sustratos ITO estampados sobre el soporte de sustrato por la cinta y cargar el soporte en la cámara principal de RF sistema de sputtering. La bomba la presión de cámara por debajo de 4 x 10-6 torr a través de la mecánica y la bomba de difusión para asegurar la pureza del medio ambiente.
  4. Introducir gas argón puro (caudal: 30 sccm) en la cámara principal y control de la bomba para mantener la presión de la cámara en 1 mtorr.
  5. Preparar las capas de semilla AZO con la RF (13.56 MHz) método, basado en el método divulgado13de la farfulla. Utilizar una cota de 2 circular AZO (2% peso Al2O3 en ZnO) cerámica blanco para depositar sobre sustratos de vidrio de ITO previamente limpiados. Mantener la distancia del objetivo al sustrato a 10 cm.
  6. Mantener la presión de trabajo en 1 mtorr y potencia de RF a 40 W durante la deposición. Control de la temperatura del substrato a temperatura ambiente. Establecer la parcialidad DC aplicada y tasa de deposición a 187 V y 4 nm/min, respectivamente, para depositar la película fina AZO. El espesor de la capa de semilla AZO debe ser controlado en 40 nm basado en el monitor de espesor de cristal de cuarzo.
  7. Después de la muestra se enfría hasta 30 ° C en la cámara, apague la bomba e introducir gas nitrógeno en la cámara principal hasta que la cámara se puede abrir. Retire la muestra del soporte del sustrato.

2. crecimiento del Sol-gel procesados capa de ZnO semillas en sustrato ITO

  1. Depositar la capa de semilla de ZnO en el sustrato ITO modelado por la vuelta del sol gel capa método14. El acetato de zinc dihidrato, 2-methoxethanol y monoetanolamina (MEA) se utilizan como materiales de partida, solvente y el estabilizador, respectivamente.
    1. Disolver el zinc acetato dihidrato (4,39 g) en una mezcla de 2-methoxethanol (40 mL) y MEA (1,22 g) para obtener la concentración de acetato de zinc de 0,5 M.
    2. Revolver la mezcla resultante a 60 ° C por 2 h. Deje la sol de 12 h formar una solución homogénea clara y transparente.
    3. Depósito de la capa de semilla de ZnO sobre limpiadas substratos de vidrio de ITO con dibujos usando el método de la capa de vuelta. Añadir 0,1 mL de solución de sol-gel sobre el substrato y gira a 3.000 rpm durante 30 s utilizando un recubridor spin.
    4. Después de la capa de la vuelta, secar la película a 200 ° C durante 30 min sobre una placa caliente para permitir que el disolvente se evapore y eliminar los residuos orgánicos. El espesor de la capa de semilla de ZnO debe ser alrededor de 40 nm14.

3. crecimiento de ZnO NR matriz sobre una capa de semilla

  1. Crecer la matriz de ZnO NR usando el método hidrotermal.
    1. Mezcla 1.49 g zinc nitrato hexahidrato (Zn (NO3)2·6H2O) y Hexametilentetramina (HMT) (C6H12N4) de la 0,7 g en 100 mL DI de agua. Revolver la mezcla resultante a temperatura ambiente durante 30 minutos.
    2. Coloque el lado del ITO de la capa de semilla pulverización AZO con las muestras de ZnO sol-gel para el vidrio de la cubierta con cinta. Poner las muestras de 50 mL tubo cónico de polipropileno llenas con lo 50 mL de solución de Zn (NO3)2·6H2O y HMT.
    3. Durante el crecimiento, calentar el tubo cónico de polipropileno por imposición horizontal en un horno de laboratorio con las muestras de vuelta cubierta mirando hacia abajo y mantener la temperatura a 90 ° C durante 90 minutos.
    4. Al final del período de crecimiento, eliminar los substratos de la solución y enjuague inmediatamente la superficie de la muestra con agua desionizada y el etanol (dentro de dos botellas de lavado) a su vez durante 1 minuto cada uno para eliminar la sal residual de la superficie. Secar la muestra usando una pistola de nitrógeno comprimido y hornear en una placa caliente a 250 ° C durante 10 minutos.

4. fabricación y medición de las células solares de molécula pequeña invertida

  1. Cargue el sustrato ITO con la matriz de ZnO NR en un recubridor spin en la guantera. Mezclar 1 mL de tolueno que contiene 15 mg de SMPV1 y 11,25 mg de PC71BM agregar 0,1 mL de la solución, girar la muestra a 2.000 rpm durante 40 s con un recubridor spin y recuecen a 60 ° C por 2 min.
  2. Después del proceso de recocido, colocar el sustrato en un sistema de evaporación térmica. La cámara de vacío inicialmente utilizando una bomba mecánica hasta que la presión alcanza 4 x 10-2 torr, a continuación, cambiar a un turbo bomba para la presión ambiente < 4 x 10-6 torr.
  3. Capa de depósito el de MoO3 a una velocidad de deposición de 0.1 nm/s calentando MoO3 en polvo en un barco de molibdeno resistente con un cociente de Z de 1.0 y una corriente de entrada de 105 A. depósito Ag de la capa a una velocidad de deposición de 0,5 nm/s por lingote de plata de calefacción en un resistente t ungsten barco con un cociente de Z de 0,529 y una corriente de entrada de 190 A. El sistema debe incluir a un monitor de ritmo de evaporación de cristal de cuarzo para controlar el proceso de evaporación. El espesor de las capas de Ag y MoO3 debe ser controlado para ser 5 y 150 nm, respectivamente, basadas en el monitor de espesor de cristal de cuarzo.
  4. Después de la muestra se enfría hasta 30 ° C en la cámara, apague la bomba e introducir gas nitrógeno en la cámara hasta que la cámara se puede abrir. Quitar la muestra del soporte del sustrato y la muestra de la carga en la guantera.
  5. Abrir el sistema de simulador solar y esperar 20 minutos hasta que la fuente de luz del sistema es estable. Iluminan la muestra a 100 mW/cm2 de un simulador solar con una masa de aire 1.5 global (AM 1.5G) filtro. Al mismo tiempo, utilice el analizador para barrer el dispositivo de -1 V + 1 V para obtener la curva de densidad de corriente-voltaje (V J)14,15.

5. Caracterización

  1. Llevar a cabo la difracción de rayos x medición16 con una fuente de Cu Kα para estudiar las estructuras de la NRs de ZnO, en la capa de semilla pulverización AZO y la capa de semilla de sol-gel procesado de ZnO. La velocidad de exploración debe ser 1 ° / min, y la exploración debe ser 10-90 º (2θ).
  2. La morfología superficial y la imagen corte transversal de las muestras se caracterizan por emisión de campo análisis de microscopia electrónica17 ajustando la tensión en 10 kV.
  3. Obtener la fotoluminiscencia micro espectros (PL) de todas las muestras usando un laser de He-Cd CW 325 nm (20 mW) como fuente de excitación con una reja de surcos/mm en la geometría de retrodispersión de 2.400. AllPL medidas18 debe realizarse a temperatura ambiente.

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Resultados

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La estructura acodada de los dispositivos consisten en un sustrato de ITO/AZO (40 nm) / capa de ZnO NRs, SMPV1:PC71BM (80 nm) / MoO3 (5 nm) /Ag (150 nm) como se muestra en la figura 1. En general, la capa de semilla AZO o ZnO es ampliamente utilizada como la capa de transporte de electrones (ETL) en dispositivos de PSCs. Aparte de PSCs, SM-VPL tiene generalmente una capa activa más corta, limitada por la difusión más corto longitud

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Discusión

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Mediante la utilización de la capa intermediaria de NRs, pueden mejorarse la Jsc y el FF de los dispositivos. Sin embargo, la rugosidad de la superficie de NRs también influirá en los posteriores procesos. Así, la orientación y la morfología superficial del NRs deben ser manipulados con cuidado. Durante mucho tiempo, el sol-gel procesados ETL como TiO2 y ZnO fueron utilizados comúnmente en PSC debido a sus sencillos procedimientos. Sin embargo, la cristalización de las capas del sol-gel procesado es...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Agradecimientos

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Los autores desean agradecer el Consejo Nacional de ciencia de China, para el apoyo financiero de esta investigación bajo contrato no. La mayoría 106-2221-E-239-035 y la mayoría 106-2119-M-033-00.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Objetivo de AZOUltimate Materials Technology Co., Ltd.ningunoAZO (2 % en peso de Al2O3 en ZnO) , 3" ψ x 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-Bis[2,5-bis(3-octilrodanina)-(3,3-dioctil-2,2':5,2''-tertiofeno)]-4,8-bis((5-etilhexilo)tiofeno-2-il)benzo[1,2-b:4,5-b']ditiofeno
Sistema de pulverización catódica RFKao Duen Technology Co., Ltdningunohttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Acetato de zinc dihidratadoJ. T. Baker59704564,39 g
MonoetanolaminaJ. T. Baker141435 1,22 g
2-metoxietanolSigma-Aldrich10986440 mL
Nitrato de zinc HexahidratadoJ. T. Baker101961861,49 g
HexametilentetraminaSigma-Aldrich100-97-00,7 g
Óxido de indio y estaño (ITO)RiTdisplayningunoSustratos de vidrio recubiertos (< 10 y Omega; sq– 1)
AFMVeecoInnova SPM SEM
FEINova 200 NanoSEMvoltaje de operación: 10 kV
XRDBrukerD8 difractómetro de rayos X2θ rango: 10– 90 °; Tamaño del paso: 0.008 °
PLHoribaJobin-Yvon HR800fuente de excitación: Láser UV de 325 nm 20 mW
simulador solarNewport91192AAM 1.5G
Analizador de parámetros de semiconductores de precisiónKeysight TechnologiesAgilent 4156Cbarrido de -1 a +1 V
toluenoSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311.25 mg
Sistema de evaporación térmicaKao Duen Technology Co., LtdSistema de PVD Kao Duenhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599.50%
lingote de plataADMAT Inc.ninguno100.00%
Controlador de deposición de película delgada CintaINFICONXTC
(película de poliimida)3M Taiwan Corporationningunohttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
-hiladorChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx
anticorrosión

Referencias

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