Name: Método ambiente para la producción de un cátodo común iónicamente cerrada nanotubos de carbono en las células solares en tándem Orgánica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-11-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 37 s
Description: Aprende a fabricar células solares en tándem en condiciones ambientales usando nanotubos de carbono como cátodo común ionizado. Este método elimina procesos de vacío, reduciendo costos y simplificando la producción de dispositivos fotovoltaicos orgánicos eficientes.

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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.

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. <ol><li> 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. </li><li> Recocer el vidrio revestido resistir, en una placa caliente, a 115 ° C durante 1 min. </li><li> Cargar la muestra y la fotomáscara sobre el alineador de contacto. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Si es necesario, cortar los grabados sustratos de vidrio ITO en tamaños de los dispositivos. </li><li> Limpiar los sustratos de ITO en un ultrasonicador baño en una secuencia de disolventes - agua DI, acetona, tolueno, metanol, y, finalmente, alcohol isopropílico. </li></ol> 2. OPV Fabricación de células Sub <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Pesar los viales otra vez para encontrar la masa de la P3HT y PC 61 BM. </li><li> 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. </li><li> Añadir una barra de agitación magnética en cada vial y luego agregue suficiente clorobenceno a cada uno para crear soluciones de 45 mg / ml. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Preparar PTB7: PC 71 BM solución. <ol><li> 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. </li><li> Haga una mezcla de 3% en volumen 1,8-diiodooctane (DIO) en clorobenceno. Esta mezcla se llama DIO-CB. </li><li> 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. </li><li> Deja que estas soluciones revuelven en un plato caliente a 70 ° C durante dos días. </li><li> Mezclar las soluciones en una relación en peso de PTB7 a PC 71 BM de 1 a 1,5. </li><li> Deje que la solución mixta de agitación durante otra hora a 70 ° C antes de su uso. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Girar Coat capas activas. <ol><li> Coloque sustratos ITO limpiados, ITO-hacia arriba, en un limpiador UV-ozono durante 5 min. </li><li> 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. </li><li> Recocer el PEDOT: PSS sustratos recubiertos de ITO durante 5 min a 180 ° C. </li><li> 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. </li><li> Recocer el P3HT: sustratos PC 61 BM recubierto a 170 ° C durante 5 min. Los resultados pueden variar de la temperatura óptima de recocido. </li><li> 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. </li><li> Cargue el PTB7: PC 71 BM sustratos recubiertos en un alto vacío (&lt;2 x 10 -6 Torr) para eliminar la cámara de DIO residual. Por lo general, dejar las muestras en la cámara de O / N. </li></ol></li></ol> 3. Fabrique el dispositivo Tandem &lt;ol&gt; <li> Electrodos Laminado CNT. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Densificar el electrodo de puerta con HFE. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 4. Medir el dispositivo <ol><li> Transferir el dispositivo en la guantera de medición. </li><li> Realice las conexiones eléctricas. <ol><li> Conecte la fuente de suministro de puerta entre el electrodo común y el electrodo de puerta con el común como suelo. </li><li> 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. </li><li> Conecte la salida del interruptor a la entrada de la unidad de medida de fuente. </li><li> Conecte el suelo de las meas de origenunidad ure al electrodo común. </li></ol></li><li> Mida las características IV del dispositivo mediante la repetición de los siguientes pasos para ascender V Puerta. <ol><li> Set V Puerta al siguiente valor, a partir de V = 0 V Puerta a Puerta V = 2 V en incrementos de 0,25 V. </li><li> 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. </li><li> Ajuste el conmutador en ambas sub-células. </li><li> Abra el obturador de la lámpara. </li><li> 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. </li><li> Ejecutar un barrido de tensión de 1 volt a -1 voltio. </li><li> Cierre el obturador de la lámpara. </li><li> Ejecute los barridos de tensión de nuevo. </li><li> Ajuste el conmutador en la sub-celular frente. </li><li> Repita los pasos 4.3.4 al 4.3.8. </li><li> Ajuste el conmutador en la sub-celular de vuelta. </li><li> Repita los pasos 4.3.4 al 4.3.8. </li></ol></li><li> Calcular los parámetros del dispositivo. &lt;ol&gt; <li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Encuentra la eficiencia de conversión de potencia (η) dividiendo la potencia máxima por la potencia de la luz de entrada. </li><li> Calcula el factor de llenado (FF) dividiendo la potencia máxima por el producto de J SC y V OC. </li></ol></li></ol>

<ol><li>He, Z., Zhong, C., Su, S., Xu, M., Wu, H., Cao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+power-conversion+efficiency+in+polymer+solar+cells+using+an+inverted+device+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">Enhanced power-conversion efficiency in polymer solar cells using an inverted device structure.</a> Nature Photonics. 6, 591-595 (2012).</li>
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<li>Cook, A. B., Yuen, J. D., Zakhidov, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemically+gated+organic+photovoltaic+with+tunable+carbon+nanotube+cathodes%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Electrochemically gated organic photovoltaic with tunable carbon nanotube cathodes.</a> Applied Physics Letters. 103 (16), (2013).</li>
<li>Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+Junction+Control+in+a+Nanotube-Semiconductor+Schottky+Junction+Solar+Cell%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoletters%22%5BJournal%5D)">Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell.</a> Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Poli(3,4-etilendioxitiofeno):p oly-(estirenosulfonato)</td><td>Heraeus</td><td>Clevios PVP AI 4083</td><td></td></tr><tr><td>poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil)&nbsp;</td><td>Rieke Metals&nbsp; Inc.</td><td>P3HT:&nbsp; P200</td><td></td></tr><tr><td>fenil-C61-butírico&nbsp; ácido metil&nbsp; éster</td><td>1- Material</td><td>PC61BM</td><td></td></tr><tr><td>Poli({4,8-bis[(2-etilhexilo)oxi]benzo[1,2-b:4,5-b&prime;]ditiofeno-2,6-diil}{3-fluoro-2-[(2-etilhexilo)carbonilo]tieno[3,4-b]tiofenediil})&nbsp;</td><td>1- Material</td>: <td>PTB7</td><td></td></tr><tr><td>fenil-C61-butírico ácido metil&nbsp; éster</td><td>Solenne</td><td>PC71BM</td><td></td></tr><tr><td>1,8-diyodooctano</td><td>Sigma Aldrich</td><td>250295</td><td></td></tr><tr><td>clorobenceno</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td></td></tr><tr><td>Vidrio recubierto de óxido de indio y estaño 15 ohmios / SQ</td><td>Lumtec</td><td></td><td></td></tr><tr><td>S1813</td><td>UTD Sala limpia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MF311</td><td>UTD Sala</td><td></td><td></td>Limpia</tr><tr><td>HCl</td><td>UTD Acetona</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fisher</td><td>Scientific</td><td>A18-20</td><td></td></tr><tr><td>Tolueno</td><td>Fisher Scientific</td><td>T323-20</td><td></td></tr><tr><td>Metanol</td><td>BDH</td><td>BDH1135-19L</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>A416-20</td><td></td></tr><tr><td>CEE Spincoater</td><td>Brewer Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm Impresora de contacto</td><td>Quintel</td><td>Q4000-6</td><td>http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm</td></tr><tr><td>CPK Procesador</td><td></td><td></td> de <td></td></tr><tr><td>centrifugado http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm Barniz</td><td>Laurell</td><td>WS-400-6NPP/LITE</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>Guantera</td><td>M-Braun</td><td>Lab Master 130</td><td></td></tr><tr><td>Simulador Solar</td><td>Thermo Oriel/Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Keithley 2400 SMU</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Keithley 7002 Multiplexor</td><td>Keithley/Techtronix</td><td>7002</td><td></td></tr><tr><td>Limpiador ultrasónico</td><td>Kendal</td><td>HB-S-49HDT</td><td></td></tr><tr><td>Micropipeta</td><td>Eppendorf</td><td>200 &micro; l</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

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.

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...

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.

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

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

El objetivo general del siguiente experimento es demostrar que una celda solar en tándem puede fabricarse completamente en un entorno ambiente, sin que intervengan procesos de deposición en alto vacío. Esto se logra fabricando dos subcélulas fotovoltaicas orgánicas sobre dos sustratos de vidrio con patrón de óxido de indio y estaño separados, como segundo paso; luego, se laminan electrodos comunes de nanotubos de carbono y GA en la parte superior de los dispositivos. La compuerta permitirá controlar la función de trabajo del electrodo común, que actuará como cátodo para las dos subcélulas fotovoltaicas orgánicas.A continuación, coloque el líquido iónico sobre los electrodos de nanotubos de carbono y presione ambos juntos, formando un electrodo común de nanotubos de carbono impregnado con líquido iónico. Los resultados muestran que los electrodos de nanotubos de carbono pueden convertirse eficientemente en cátodos mediante carga, y se puede observar el rendimiento de una celda solar en tándem paralelo en el dispositivo, basado en mediciones de las características corriente-voltaje del dispositivo bajo iluminación. La principal ventaja de esta técnica frente a procesos existentes, como el procesamiento al vacío, es que podemos realizarlo en condiciones ambientales.Esto ahorra dinero y también es más eficiente energéticamente. Pero además, también podemos hacerlo mucho más fácilmente porque, en un proceso normal, se apilan las capas unas encima de otras, mientras que nosotros hacemos algunas capas y luego laminamos todo junto. Esto es mucho más sencillo.Por lo tanto, aunque este método puede proporcionarnos información sobre los fotovoltaicos orgánicos, también puede aplicarse a otros sistemas. Ejemplos incluyen transistores de efecto de campo, diodos emisores de luz, y combinaciones de dispositivos como compuertas lógicas y celdas solares orgánicas con almacenamiento de energía integrado. Demostrar visualmente el laminado de nanotubos de carbono es importante porque los nanotubos son ligeros, resistentes y pueden ser difíciles de manipular eficazmente. Este video comienza con la fabricación de la celda solar en tándem.Antes de este paso, se han depositado capas activas fotovoltaicas sobre sustratos de óxido de indio y estaño o ITO. Hay dos sustratos, ambos hechos de vidrio, con electrodos de ITO grabados. Cada sustrato tiene dos electrodos paralelos de óxido de indio y estaño que se extienden desde un borde hasta al menos un milímetro del otro borde.Cada sustrato también está recubierto con 30 nanómetros de pdot. PSS; un sustrato tiene una capa de 200 nanómetros de espesor compuesta por una mezcla uno a uno de P tres HT y PC 61 bm, mientras que el otro tiene una capa de 100 nanómetros de espesor compuesta por una mezcla de dos a tres de PTB siete y PC 71 bm.Los siguientes pasos serán idénticos para las muestras. El video se centrará en solo una de ellas; tome una toallita para sala limpia y humedézcala con una pequeña cantidad de tolueno. Úsela para eliminar las capas poliméricas y exponer los bordes del sustrato y la tira de óxido de indio y estaño que servirá como electrodo común en el dispositivo.Tenga cuidado de no exponer partes del otro electrodo de ITO, que se utilizará en una etapa posterior. El siguiente paso consiste en laminar el electrodo común de nanotubos de carbono. Un lado de este papel de filtro contiene nanotubos de carbono de pared simple creados mediante un proceso de deposición química de vapor con catalizador flotante.Coloque el lado del papel filtro con nanotubos encima de la capa activa del sustrato, de manera que conecte la capa con el electrodo ITO que se utilizará como electrodo común. Aplique suavemente presión sobre el papel filtro para transferir los nanotubos de carbono. Luego retire cuidadosamente el papel filtro, dejando los nanotubos de carbono sobre la superficie.Para mejorar la adhesión del electrodo de nanotubos de carbono, utilice el metoxi hidrofluoroéter, nonafluorobutano con una pipeta. Aspire un poco del HFE para colocarlo sobre las muestras. Deposite el HFE sobre la parte superior de los nanotubos de carbono.Deje que el HFE se evapore antes de continuar. Una vez que los sustratos se hayan secado, identifique la región que tendrá el electrodo de marcha. Utilice una toallita humedecida con tolueno para eliminar cualquier polímero y nanotubos de carbono en esa región.A continuación, utilice una cuchilla de afeitar para eliminar cualquier polímero restante en la región. Para prevenir fugas en la puerta, limpie cualquier residuo de polímero con una pistola de nitrógeno y utilice un multímetro para verificar que los electrodos estén aislados antes de continuar. En este punto, prepárese para laminar nanotubos de carbono sobre la región limpia con el fin de crear el electrodo de puerta.Este sustrato de silicio sostiene un bosque de nanotubos de carbono de múltiples paredes altamente alineados, fabricados mediante un proceso de deposición química en fase vapor. Monte el sustrato cerca del borde de una plataforma elevada, adyacente al sustrato y al mismo nivel. Deben sobresalir dos tubos capilares paralelos.Un sustrato mostrado aquí en un soporte debería poder encajar entre ellos. Para iniciar la laminación de los nanotubos, presione una cuchilla contra el borde del bosque y tire lateralmente alejándose del bosque, paralelamente a la oblea y hacia los tubos. Una lámina autoportante se autoensambla.Una vez iniciada la hoja, utilice un tubo capilar para seguir tirando de ella sobre los tubos salientes. A continuación, acerque el dispositivo sostenido con pinzas para obleas, orientado de manera que exponga la región limpia a la hoja. Transfiera la hoja soportada entre los tubos a la región limpia del dispositivo haciendo pasar el dispositivo a través de la hoja.Utilice un tubo capilar para extraer una hoja adicional, luego agregue otra capa. Repita el proceso hasta que se hayan aplicado cinco capas de nanotubos de carbono de paredes múltiples. Después del laminado, utilice una pipeta para extraer aproximadamente 100 microlitros de HFE, coloque gotas del HFE sobre el electrodo de la puerta y deje secar.Después de que ambos sustratos, P tres HT y PTB siete, hayan tenido electrodos añadidos, el siguiente paso consiste en introducir el líquido iónico. En este video, deme tetra fluoro bore.Aquí se muestran el sustrato P tres HT a la izquierda y el sustrato PTB siete a la derecha. Colóquelos de forma simétrica uno frente al otro. Seleccione un electrodo con el que trabajar y utilice un trozo de tubo capilar para colocar varias gotas pequeñas del fluido sobre el electrodo común.Aproximadamente 10 microlitros en total. Haga lo mismo con el electrodo de marcha. Continúe tomando el sustrato sin el líquido iónico y alineándolo con el otro.Oriente los sustratos de manera que ambos electrodos comunes y ambos electrodos de puerta se alineen y enfrenten entre sí. Luego coloque el sustrato sin el líquido iónico encima del otro. Añada una máscara fotográfica sobre el área activa del P3HT con un tamaño de apertura menor que el tamaño del electrodo.Utilice pequeños clips para mantener el dispositivo unido y sujetar la máscara fotográfica en su lugar durante los siguientes pasos. El dispositivo se ha transferido a una caja de guantes de medición equipada con un simulador solar. La caja de guantes tiene un ambiente de nitrógeno que ayuda a prevenir la degradación debida a la exposición al aire.Durante la prueba, coloque la celda en tándem bajo el simulador solar. Oriente el dispositivo de manera que la celda de P3HT y la máscara fotográfica enfrenten la salida del simulador solar. Comience a realizar las conexiones eléctricas necesarias a la fuente de alimentación de la compuerta, la unidad de medición de fuente y el multiplexor.Primero, conecte la fuente de alimentación de la compuerta entre el electrodo común y el electrodo de compuerta, utilizando el común como tierra. A continuación, conecte los dos ánodos de ITO a un multiplexor para permitir la selección del ánodo de la celda frontal de P3HT, del cátodo trasero de PTB7 o de ambos. La salida del dispositivo se introduce en la unidad de medición de fuente.Finalmente, conecte la tierra de la unidad de medición de fuente al electrodo común. Para la configuración en tándem, la configuración de la celda frontal y la configuración de la celda posterior miden las características IV del dispositivo. En este experimento, las mediciones son automáticas.Para seleccionar la subcélula que se va a medir, active y desactive el obturador de la lámpara y realice barridos IV. El voltaje de compuerta se varía manualmente entre cero y dos voltios. Tras seleccionar un voltaje de compuerta y esperar a que la corriente de compuerta se estabilice en el rango de decenas de nanoamperios, inicie las mediciones seleccionando una subcélula y realizando los barridos IV bajo luz desde menos uno hasta un voltio.Realice el mismo barrido con la lámpara del simulador solar apagada. Cada barrido tarda aproximadamente 15 segundos. Cada subcélula y la combinación en paralelo de ambas deben medirse a cada voltaje de compuerta.Continúe incrementando el voltaje de la compuerta hasta su siguiente valor y realizando los seis pares de barridos hasta explorar todo el rango de voltaje de la compuerta. A continuación se muestran curvas IV medidas para la celda en tándem utilizando dos voltajes de compuerta diferentes. Las curvas negras corresponden a un voltaje de compuerta de 1,5 voltios y las curvas rojas a un voltaje de compuerta de 2,25 voltios.Los círculos son datos recopilados utilizando ambas celdas en tándem; los cuadrados están asociados con el uso de la celda frontal. Los triángulos representan la celda trasera PTB7. Las curvas altamente lineales para la celda frontal y las celdas en tándem a 1,5 voltios sugieren que la subcelda P3HT actúa como una derivación en su estado apagado.En contraste, la celda posterior siete PTB demuestra características DDE a 1,5 voltios y 2,25 voltios. Donde su rendimiento se degrada, los datos pueden utilizarse para extraer parámetros de la celda solar en función del voltaje de puerta. Aquí se encuentran el voltaje de circuito abierto, la corriente de cortocircuito, el factor de llenado y la eficiencia de conversión de potencia.Las curvas negras corresponden a las celdas en tándem, las azules a la celda frontal, y las rojas a la celda trasera. PTB siete celdas centrándose en el voltaje de circuito abierto.Las curvas rojas muestran la celda PTB de siete celdas encendida a 0,5 voltios. La celda alcanza su pico a 1,5 voltios. Las curvas azules muestran la celda P3HT comenzando a encenderse alrededor de un voltio.Se activa completamente por encima de dos voltios. Al realizar este procedimiento, es necesario medir la resistencia de todos los contactos para asegurarse de que no ocurran cortocircuitos, especialmente en los electrodos comunes y de puerta de nanotubos de carbono. En conclusión de todo el excelente trabajo que fue descrito tan bellamente por mis colegas más jóvenes, quienes realizaron en realidad todos estos hermosos experimentos, quiero mencionar que esta forma de fabricar dispositivos monolíticos de partes sólidas y líquidas, simplemente construyendo piezas sobre cada trozo de vidrio, añadiendo una capa muy delgada de líquido y colocando otro vidrio en contacto en la parte superior, es un diseño nuevo y muy interesante que permitirá no solo construir dispositivos más complejos sin necesidad de vacío ni de muchas, muchas, muchas capas superpuestas, sino que también abre el camino para comprender la física detrás del funcionamiento de las capas orgánicas.Y asimismo, esto permitirá optimizar el rendimiento de la etiqueta fotovoltaica orgánica en el futuro. Después de ver este video, usted deberá ser capaz de utilizar nanotubos de carbono para fabricar un ánodo encima de un dispositivo orgánico. A continuación, deberá ser capaz de construir un dispositivo en tándem a partir de los dos dispositivos fabricados por separado.Y finalmente, puede utilizar líquidos iónicos para convertir ese ánodo en un cátodo. No olvide que trabajar con nanotubos de carbono y disolventes halogenados es extremadamente peligroso. Por lo tanto, siempre se deben tomar precauciones como trabajar en cabinas con guantes y utilizar equipo de protección personal al realizar este procedimiento.

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Investigación

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Ingeniería

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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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