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

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.

El objetivo general de este experimento es fabricar células solares de heterounión masiva totalmente imprimibles y sin fullereno utilizando alcóxidos de titanio voluminosos como aceptores de electrones que controlan la morfología. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de las células solares de heterounión masiva sobre el control de la estructura de separación de fases de la capa fotoactiva de las células solares de heterounión masiva híbridas orgánicas-inorgánicas. La principal ventaja de esta técnica es que controla la estructura de separación de fases al dificultar la autoorganización con moléculas voluminosas sin las limitaciones de solubilidad del método convencional con solventes.

Las implicaciones de esta técnica se extienden a la obtención de una mayor eficiencia general de las células solares, ya que las separaciones cargadas y la transferencia cargada ocurren siempre en la capa activa. Por lo tanto, este método puede proporcionar información sobre el sistema donante de electrones PFO-DVT. También puede funcionar con polímeros semiconductores como P3HT o PTV7.

Para comenzar el procedimiento, con un cortador de vidrio, corte un sustrato de vidrio ITO de 1,1 milímetros de grosor en cuadrados de dos centímetros por dos centímetros. Identifica el lado conductor de cada cuadrado con un multímetro digital. Cubre el lado conductor de cada cuadrado con dos tiras de cinta adhesiva, dejando un área de dos milímetros por dos centímetros expuesta en el centro.

Coloque unas gotas de ácido clorhídrico de un molar en el área conductora expuesta de cada cuadrado. Deje que los cuadrados se asienten durante tres minutos para grabar una raya en la capa conductora. Luego, limpia el ácido clorhídrico con un intercambiador de algodón y retira la cinta adhesiva.

Coloque los cuadrados en un recipiente de vidrio y llene el recipiente con agua desionizada. Coloque el recipiente en un baño de agua limpiador ultrasónico. Haga funcionar el limpiador ultrasónico a 42 kilohercios durante 15 minutos.

Luego, limpie los cuadrados con acetona e isopropanol durante 15 minutos cada uno. Seque los cuadrados bajo un chorro de aire seco. Luego, limpie los cuadrados secos con un limpiador de ozono ultravioleta durante 30 minutos.

Para preparar las soluciones precursoras, disuelva 0,5 miligramos de PFO-DBT y 1,0 miligramos del alcóxido de titanio elegido en un mililitro de clorobenceno. Envuelva el vial en papel de aluminio para excluir la luz. Caliente la mezcla precursora a 70 grados centígrados mientras revuelve a 700 RPM.

Remueve la mezcla a esa temperatura durante unos 20 minutos. Una vez que la solución parezca transparente, deje que se enfríe a temperatura ambiente. Disuelva 0,5 miligramos de PFO-DBT y 1,0 miligramos de 60-PCBM en un mililitro de clorobenceno como estándar de referencia.

Calentar, agitar y enfriar el patrón de referencia en las mismas condiciones que los precursores. Para prepararse para un recubrimiento por centrifugación, precaliente el precursor o la solución de referencia en una placa caliente a 70 grados Celsius mientras revuelve a 700 RPM durante 10 minutos. Caliente un cuadrado de sustrato de vidrio ITO grabado en una placa calefactora de cerámica a 70 grados durante cinco minutos.

Luego, coloque el cuadrado de vidrio ITO calentado en el centro de la etapa de vacío del recubrimiento giratorio. Vuelva a calentar este cuadrado a 70 grados con una pistola de calor y luego encienda la bomba de vacío para fijar el cuadrado en su lugar. Extraiga 0,5 mililitros de precursor tibio o solución de referencia en una jeringa de un mililitro e inmediatamente coloque la solución en el cuadrado.

A continuación, haga funcionar el recubridor giratorio a 2.000 a 6.000 RPM durante 60 segundos en el aire para crear una película de 50 nanómetros de grosor. Deje que la superficie se seque durante 10 minutos a temperatura ambiente en ausencia de luz. Luego, use un hisopo de algodón, humedecido con clorobenceno, para eliminar el exceso de material fotoactivo.

Secar la superficie de nuevo en las mismas condiciones. Para analizar la estructura de separación de fases, detenga la preparación aquí y utilice un microscopio óptico o electrónico de barrido para obtener imágenes de la capa fotoactiva. Para imprimir un electrodo orgánico en un cuadrado de vidrio ITO recubierto de material fotoactivo, utilice una impresora de serigrafía con una máscara metálica de 50 micrómetros de grosor para imprimir un rectángulo de cinco milímetros por 20 milímetros de PDOT-PSS en la superficie del cuadrado.

Deje que el electrodo se seque durante 30 minutos al aire a temperatura ambiente en ausencia de luz. A continuación, corta una pieza de 1,5 centímetros por 2,5 centímetros de sustrato de vidrio de 1,2 milímetros de grosor con un cortador de diamante. Extienda resina epoxi sobre la pieza de vidrio con una espátula de plástico.

Coloque el vidrio con el lado epoxi hacia abajo sobre la muestra, dejando expuesto un lado de la superficie de la muestra. Limpie los electrodos de soporte con acetona y un bastoncillo de algodón. Utilice un soldador ultrasónico para soldar los electrodos de soporte en la superficie expuesta restante del cuadrado.

Mida las características de voltaje de corriente de la celda con un simulador solar. Repita este procedimiento para cada alcóxido de titanio que se vaya a probar y para el PFO-DBT como referencia. Se fabricaron células solares de heterounión a granel orgánico-inorgánicas utilizando cuatro alcóxidos de titanio diferentes como aceptores de electrones.

Las características del voltaje de corriente se vieron significativamente afectadas por las propiedades del alcóxido, lo que se atribuyó a las diferencias en la estructura de separación de fases de la capa fotoactiva. Las densidades de corriente de cortocircuito de las celdas que usaban titanio cuatro isopropóxido, etóxido y butóxido eran mucho más altas que las de la celda que usaba un polímero de butóxido. La microscopía electrónica de barrido de las capas fotoactivas mostró estructuras de separación de fases aceptables para las células de titanio, cuatro etóxidos e isopropóxidos.

La celda de cuatro butóxidos de titanio mostró una separación de fases algo peor, lo que se atribuyó al volumen del butóxido. El volumen aún mayor del polímero de titanio y cuatro butóxidos era prohibitivo para la separación óptima de fases, lo que resultaba en una mala generación de carga en la capa fotoactiva. Después de cada desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de las células solares híbridas orgánico-inorgánicas exploraran las combinaciones de varios materiales para capas fotoactivas altamente eficientes.