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Article de méthode

Méthode ambiante pour la production d'un ionique Gated nanotubes de carbone cathode commune dans les cellules solaires organiques Tandem

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DOI :

10.3791/52380

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5 novembre 2014

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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

Dans cet article

Résumé

Une méthode de fabrication, dans des conditions ambiantes, de dispositifs photovoltaïques organiques en tandem dans une configuration parallèle est présentée. Ces appareils sont dotés d’une cathode commune en nanotubes de carbone traitée à l’air, semi-transparente.

Résumé

Une méthode de fabrication de tandems photovoltaïques organiques (OPV) qui ne nécessite aucun traitement sous vide est présentée. Ces dispositifs sont composés de deux cellules polymères traitées en solution reliées en parallèle par une couche intermédiaire de nanotubes de carbone (CNT) transparents. Cette structure comprend des améliorations dans les techniques de fabrication des dispositifs OPV en tandem. Tout d’abord, la nécessité de cathodes traitées à température ambiante est prise en compte. L’anode CNT dans le dispositif tandem est réglée via un déclenchement ionique pour devenir une cathode commune. La porte ionique utilise une charge électrique à double couche pour abaisser la fonction de travail de l’électrode CNT. Deuxièmement, la difficulté d’empiler séquentiellement des couches en tandem par traitement en solution est abordée. Les appareils sont fabriqués par mise en solution et laminage à sec dans des conditions ambiantes avec des étapes de traitement parallèles. La méthode de fabrication des cellules polymères individuelles, les étapes nécessaires pour les laminer ensemble avec une cathode CNT commune, puis fournir des résultats représentatifs sont décrites. Ces résultats démontrent la prise ionique de l’électrode CNT pour créer une cathode commune et l’ajout de courant et d’efficacité à la suite de la procédure de laminage.

Introduction

Semi-conducteurs polymères sont les principaux photovoltaïques organiques (OPV) matériaux raison de la forte capacité d'absorption, de bonnes propriétés de transport, la flexibilité, et la compatibilité avec des substrats sensibles à la température. Dispositif VPO efficacité de conversion de puissance, η, ont augmenté considérablement au cours des dernières années, avec l'efficacité des cellules simples aussi élevées que 9,1% 1, les une technologie d'énergie de plus en plus viable faire.

Malgré les améliorations dans η, les minces optimales des épaisseurs de couches actives des dispositifs limitent l'absorption de lumière et empêchent la fabrication fiable. En outre, la largeur spectrale de l'absorption de lumière de chaque polymère est limitée par rapport aux matériaux inorganiques. Polymères appariement des différentes sensibilité spectrale contourne ces difficultés, ce qui rend les architectures en tandem 2 Une innovation nécessaire.

Dispositifs série en tandem sont l'architecture en tandem le plus commun. Dans cette conception, un materi de transport d'électronsAl, une couche métallique de recombinaison facultatifs, et une couche de transport de trous relient deux couches photoactives indépendantes appelées sous-cellules. Liaison sous-cellules dans une configuration en série augmente la tension du dispositif de combinaison de circuit ouvert. Certains groupes ont eu du succès avec les couches de transport dégénéré dopées 3 - 5, mais plusieurs groupes ont utilisé des particules d'or ou d'argent pour aider la recombinaison de trous et d'électrons dans la couche intermédiaire 6,7.

En revanche, les tandems parallèles nécessitent une électrode à haute conductivité, soit anode ou de cathode, l'assemblage des deux couches actives. La couche intermédiaire doit être très transparent, ce qui limite les intercalaires en tandem de la série contenant des particules métalliques, et plus encore pour les intercalaires en tandem parallèles composées de fines électrodes métalliques continues. nanotubes de carbone (CNT) feuilles montrent une plus grande transparence de couches métalliques. Ainsi, le Nanotech Institute, en collaboration avec l'Université de Shimane, a introduit l'idée d'utiliser comme électrode de couche intermédiaire dans des dispositifs monolithiques, 8 parallèles en tandem.

Les efforts précédents sélectionnée monolithiques, parallèles, appareils tandem de VPO avec des feuilles CNT fonctionnant comme anodes entre les couches 8,9. Ces méthodes nécessitent des soins spéciaux pour éviter un court-circuit d'un ou de deux cellules ou des couches précédentes dommageables au moment du dépôt des couches ultérieures. Le nouveau procédé décrit dans ce document facilite la fabrication en plaçant l'électrode CNT au-dessus des couches actives polymères de deux cellules individuelles, puis la stratification des deux dispositifs séparés ensemble comme représenté sur la figure 1. Ce procédé est remarquable que le dispositif, y compris l'air -stable cathode CNT, peut être fabriqué entièrement dans les conditions ambiantes en utilisant seulement le traitement à sec et solution.

Feuilles CNT ne sont pas intrinsèquement bonnes cathodes, car ils nécessitent dopage de type n de diminuer la fonction de travail afin de recueillir des électrons de la zone photosensibled'une cellule solaire 10. À double couche électrique de charge dans un électrolyte, comme un liquide ionique, peut être utilisé pour déplacer la fonction de travail de CNT électrodes 11-14.

Comme décrit dans un papier précédent et 15 représentée sur la figure 2, lorsque la tension de grille (V Gate) est augmente, la fonction de travail de l'électrode commune CNT est diminuée, ce qui crée une asymétrie électrode. Cela empêche la collecte de trou de bailleur de fonds du VPO en faveur de la collecte des électrons de l'accepteur de l'OPV, et les appareils sous tension, changement de photorésistance inefficace dans photodiode 15 comportement. Il convient également de noter que l'énergie utilisée pour charger l'appareil et la puissance perdue en raison des courants de fuite de grille est insignifiant comparé à l'énergie produite par la cellule solaire 15. Déclenchement ionique d'électrodes CNT a un grand effet sur la fonction de travail en raison de la faible densité d'états et la hauteaire de surface par rapport au volume dans les électrodes de CNT. Des procédés similaires ont été utilisées pour améliorer une barrière de Schottky à l'interface de CNT avec du n-Si 16.

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Protocole

1. Indium Tin Oxide (ITO) Modélisation et nettoyage

REMARQUE: Utilisez 15Ω / □ ITO verre, et l'achat ou de couper le verre de l'ITO en tailles appropriées pour le revêtement par centrifugation et la photolithographie. Il est plus efficace d'effectuer les étapes 1.1 à 1.7 sur un morceau de verre aussi vaste que possible, puis couper en petits appareils. Notez également que les étapes 1.1-1.7 exigent le verre ITO être orienté avec l'OIC vers le haut. Ceci peut être vérifié facilement avec le réglage de la résistance d'un multimètre.

  1. manteau de spin 1 ml de résine positive S1813 sur le ITO côté du verre ITO à un taux de 3,000 rpm pendant 1 min. Utilisez plus résister à de gros morceaux de verre, assurez-vous que tout le verre est revêtu, et éliminer toutes les bulles avant de commencer la tournette.
  2. Recuire la résine verre revêtu, sur une plaque chaude à 115 ° C pendant 1 min.
  3. Charger l'échantillon et le photomasque sur le dispositif d'alignement de contact.
  4. Exposer la résine photosensible revêtue d'ITO verre pour une approtemps échéant. Le temps d'exposition est de l'ordre de 10 s, mais cette fois-ci varie en fonction de l'intensité de la lampe UV, du type de résine photosensible, et l'épaisseur.
  5. Développer les substrats exposées aux UV dans MF311 développeur. Le processus automatisé de Spin processeur produit les meilleurs et les plus reproductibles résultats, mais le développement peut se faire manuellement comme suit.
    1. Immerger le substrat exposées aux UV pendant 1 minute dans le révélateur, suivi d'un rinçage à l'eau désionisée (DI) de l'eau et séchage avec un pistolet à azote. Parce que le développeur perd de sa résistance rapidement, remplacer le développeur entre les échantillons, ou bien augmenter le temps de développement en réutilisant développeur.
  6. Graver les substrats d'ITO dans l'acide chlorhydrique concentré (HCl). Cela prend entre 5 à 10 min en fonction de la concentration du HCl. Rincer à l'eau DI, sec, et tester la résistivité des parties attaquées avec un multimètre. Si une conductivité reste, graver pour un temps plus long.
  7. Une fois la gravure terminée, retirez le photoresist avec de l'acétone. Notez que le retrait rapide de la résine empêche HCl résiduelle de sur-gravure de la ITO à motifs.
  8. Si nécessaire, couper les substrats de verre ITO gravées dans la taille de l'appareil.
  9. Nettoyer les substrats ITO dans un appareil à ultrasons à bain à une séquence de solvants - de l'eau déminéralisée, de l'acétone, le toluène, le méthanol, l'alcool isopropylique et enfin.

2. VPO sous-cellule de fabrication

  1. Préparer P3HT: PC 61 BM solution.
    REMARQUE: Pour obtenir des résultats plus cohérents, préparer les solutions dans un environnement d'azote. Il est possible de suivre la procédure suivante dans les conditions ambiantes.
    1. Trouvez et notez la masse de deux propres, ~ 4 ml flacon en verre et leurs chapeaux, et les marquer avec un marqueur permanent pour les distinguer des autres.
    2. Dans une boîte à gants de l'azote ou de l'argon, transférer environ 10 mg de poly (3-hexylthiophène-2,5-diyle) (P3HT) et à un flacon à environ 10 mg de phényl-C 61 ester méthylique de l'acide butyrique (PC 61 BM) à l'autre.
    3. Peser à nouveau les fioles de trouver la masse du P3HT et PC 61 BM.
    4. Transférer les flacons de P3HT et PC 61 BM dans une boîte à gants pour le reste du processus de prise de solution.
    5. Ajouter une barre d'agitation magnétique dans chaque flacon, puis ajouter assez chlorobenzène à chaque à la création de 45 mg / ml solutions.
    6. Placer les solutions sur une plaque d'agitation magnétique chaude à 55 ° C pendant environ 2 heures ou jusqu'à ce que les solutés sont complètement dissous.
    7. Mélanger des volumes égaux de la P3HT et PC 61 BM ensemble des solutions, et de laisser l'agitation de la solution mixte pendant une heure avant de l'utiliser.
  2. Préparer PTB7: PC 71 BM solution.
    1. Répétez les étapes 2.1.1 à 2.1.4 avec 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) et phényl-7,1-butyrique ester méthylique d'acide (PC 71 BM) au lieu de P3HT et PC61 BM.
    2. Faire un mélange de 3% en volume 1,8-diiodooctane (DIO) dans le chlorobenzène. Ce mélange est appelé DIO-CB.
    3. Ajouter une barre d'agitation magnétique dans chaque flacon, puis ajouter assez DIO-CB pour le flacon de PTB7 d'avoir une solution à 12 mg / ml et assez DIO-CB pour le PC 71 BM flacon d'avoir un / ml, solution à 40 mg.
    4. Que ces solutions remuer sur une plaque chauffante à 70 ° C pendant deux jours.
    5. Mélanger les solutions dans un rapport en poids de PC à PTB7 BM 71 de 1 à 1,5.
    6. Laissez le bruit de solution mixte pendant une heure à 70 ° C avant de l'utiliser.
  3. Filtre poly (3,4-éthylènedioxythiophène): poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) à travers un filtre en nylon taille de 0,45 um de pores. Notez que cette procédure utilise P VP AI4083.
  4. Spin Coat couches actives.
    1. Placez substrats ITO nettoyés, ITO vers le haut, dans un nettoyeur UV-ozone pendant 5 min.
    2. Spin-coat 120 pi du PEDOT filtré PSS sur UV-traitée à l'ozone, à motifs ITO- substrat de verres à 3000 rpm pendant 1 min. Ceci devrait vous donner une épaisse couche de 30 nm.
    3. Recuire le PEDOT: PSS substrats ITO revêtus pendant 5 min à 180 ° C.
    4. Spin-manteau 70 pi du P3HT mixte: PC 61 BM solution sur PEDOT: PSS enduit ITO substrats à environ 1000 rpm pendant 1 min. Varier la vitesse que nécessaire pour déposer une couche active d'épaisseur 200 nm.
    5. Recuire le P3HT: PC substrats enduits BM 61 à 170 ° C pendant 5 min. Les résultats peuvent varier de la température de recuit optimal.
    6. Spin-manteau 70 pi de la PTB7 mixte: PC 71 BM solution sur PEDOT: PSS enduit ITO substrats à environ 700 rpm pendant 1 min. Varier la vitesse que nécessaire pour déposer une couche active d'épaisseur de 100 nm.
    7. Chargez le PTB7: PC 71 substrats revêtus BM dans un vide poussé (<2 x 10 -6 Torr) chambre à supprimer l'OID résiduelle. En règle générale, les échantillons à partir de la chambre O / N.

3. fabriquer le dispositif Tandem

  1. Électrodes flottant CNT.
    1. Couper les substrats PTB7 et P3HT en deux pour faire un dispositif de tandem. Un modèle de ITO spécialisé ne nécessiterait pas cette étape. Le motif ITO doit avoir au moins deux électrodes en ITO parallèle étendant d'un bord à un mm de l'autre.
    2. Préparer d'abord la PTB7 et P3HT substrats recouverts par essuyant polymère et PEDOT des bords de la vitre, et exposer la bande d'ITO qui sera utilisé comme électrode commune comme on le voit dans le premier panneau de la figure 1.
    3. Laminer l'électrode commune CNT au-dessus des électrodes PTB7 et P3HT. Appliquer un film de SWCNT en plaçant le côté CNT du papier filtre sur l'appareil, en appuyant doucement, puis peler le papier filtre loin. Ceci est illustré dans le deuxième panneau de la figure 1.
    4. Densifier le CNT électrode sur la surface en appliquant méthoxy-nonafluorobutane (C 4 F 9 OCH 3) (HFE) et en revêtant la CNT avec une petite amount du liquide, puis laisser sécher.
    5. Essuyer le polymère CNT et au-dessus de l'ITO et le verre qui aura l'électrode de grille, comme indiqué dans le troisième panneau de la figure 1. Retirer tout le polymère à partir de la vitre pour éviter toute fuite de grille avec une lame de rasoir.
    6. Laminer la porte électrode CNT sur la zone nettoyée des substrats PTB7 et P3HT enrobés. Laminer la MWCNT en tirant à partir du bord de la forêt MWCNT avec une lame de rasoir et laissez reposer la feuille librement entre des tubes capillaires. Passez le dispositif à travers la feuille autonome pour laminer la CNT sur l'appareil. L'électrode de grille doit avoir 3.2 fois le nombre de couches comme indiqué sur l'électrode commune.
    7. Densifier l'électrode de grille avec HFE.
  2. Placer une petite goutte (≈10 pi) de liquide ionique, N, N -Diethyl- N méthyl-N-- (2-méthoxy) tétrafluoroborate d'ammonium, DEME-BF 4, au-dessus de deux électrodes CNT d'unedes substrats.
  3. Placez délicatement le substrat sans liquide ionique sur le dessus du substrat avec un liquide ionique avec les électrodes communes et porte sur le dessus de chaque-autre. Ceci est illustré dans le dernier panneau de la figure 1.
  4. Placer un photomasque avec une dimension d'ouverture plus petite que la taille de l'électrode au-dessus de la zone active. Utilisez de petits clips pour maintenir le photomasque en place ainsi que de tenir l'appareil en même temps pendant les essais.

4. Mesurer l'appareil

  1. Transférer le dispositif dans la boîte à gants de mesure.
  2. Effectuer les raccordements électriques.
    1. Branchez l'alimentation de porte approvisionnement entre l'électrode commune et l'électrode de grille avec la commune sol.
    2. Raccorder les deux anodes d'ITO à des fils qui sont connectés à un commutateur qui permet de sélectionner une ou l'autre anode ou les anodes.
    3. Connectez la sortie de l'interrupteur à l'entrée de l'unité de mesure de la source.
    4. Connectez le sol des AME sourceure unité à l'électrode commune.
  3. Mesurez les caractéristiques IV de l'appareil en répétant les étapes suivantes pour monter V Gate.
    1. Porte ensemble V à la valeur suivante, à partir de V = 0 V Porte de V 2 = V porte en incréments de 0,25 V.
    2. Attendre 5 minutes, ou jusqu'à ce que le courant de grille est stabilisé. Idéalement, le courant de gâchette doit se stabiliser autour de 10 s de nanoampères.
    3. Réglez le commutateur à deux sous-cellules.
    4. Ouvrez le volet de la lampe.
    5. Exécuter une détection de tension sur l'unité de mesure de la source de volt à -1 volt à environ 1 100 incréments ou plus.
    6. Exécution d'une détection de tension de 1 volt à 1 volt.
    7. Fermez le volet de la lampe.
    8. Exécutez de nouveau les balayages de tension.
    9. Réglez le commutateur de la sous-cellule avant.
    10. Répétez les étapes 4.3.4 à 4.3.8.
    11. Réglez le commutateur de la sous-cellule arrière.
    12. Répétez les étapes 4.3.4 à 4.3.8.
  4. Calculer les paramètres de l'appareil.
    1. Trouver le courant de court-circuit (SC J) de chaque sous-cellule au niveau de chaque porte de V en trouvant le courant produit par le dispositif lorsque la tension aux bornes de la sous-cellule est égal à 0 V.
    2. Trouver la tension en circuit ouvert (V OC) de chaque sous-cellule au niveau de chaque porte de V en trouvant la tension produite par le dispositif lorsque le courant à travers la sous-cellule est de 0 A.
    3. Trouver la puissance maximale de la cellule solaire en multipliant chaque valeur de tension à chacune des valeurs de courant et la sélection de la valeur maximale (la plus négative). Cela suppose que l'on mesure photo-courant généré courant négatif.
    4. Trouver le rendement de conversion de puissance (η) en divisant la puissance maximale de la puissance de lumière d'entrée.
    5. Trouver le facteur de remplissage (FF) en divisant la puissance maximale par le produit de V et J SC CO.

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Résultats

Un dispositif de tandem formé de polymères, en particulier les polymères de sensiblement différents largeurs de bande différentes, est d'un intérêt pratique, car ces appareils peuvent absorber la plus large gamme spectrale de la lumière. Dans cette structure de l'appareil, la sous-cellule est la cellule PTB7 arrière et P3HT est la sous-cellule d'entrée. Ceci est destiné à absorber la plus grande quantité de lumière que la sous-cellule P3HT est en grande partie transparente à la lumière de longueur d'onde...

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Discussion

Les résultats mettent en évidence quelques considérations lors de la conception des cellules solaires tandem parallèle. Notamment, si l'un des sous-cellules est peu performant, les performances du tandem dans négativement affectée. Les résultats montrent qu'il existe deux principaux effets. Si une sous-cellule est court-circuitée, par exemple, montre un comportement ohmique, la FF T ne sera pas plus élevé que la FF de la sous-cellule mauvais. J T SC et V T

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Le soutien de ce travail a été fourni par la subvention STTR du DOE DE-SC0003664 sur les cellules solaires organiques en tandem parallèle avec des intercalaires de feuilles de nanotubes de carbone et la subvention AT-1617 de la Fondation Welch. Les auteurs remercient J. Bykova pour la fourniture des forêts CNT et A. R. Howard, K. Meilczarek et J. Velten pour l’assistance technique et les discussions utiles.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Poly(3,4-éthylènedioxythiophène):p oly-(styrènesulfonate)HeraeusClevios PVP AI 4083
poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl)  ;Rieke Metals  ; Inc.P3HT : P200
phényl-C61-butyrique  ; ester méthyle acide1- MatériauPC61BM
Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b :4,5-b&prime ;]dithiophène-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-éthylhexyl)carbonyl]thiéno[3,4-b]thiophènediyl})  ;1- MatériauPTB7
phényl-C61-butyrique ester méthyleSolennePC71BM
1,8-diiodooctaneSigma Aldrich250295
ChlorobenzèneSigma Aldrich284513
Indium Oxyde d’étain Verre 15 Ohm/SQLumtec
S1813UTD Salle blanche
MF311UTD Salle blanche
HClUTD Salle blanche
Acétone Fisher ScientificA18-20
ToluèneFisher ScientificT323-20
MéthanolBDHBDH1135-19L
IsopropanolFisher ScientificA416-20
CEE SpincoaterBrewerScientific http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CEESpinCoater.htm
Imprimante contactQuintelQ4000-6http://www.utdallas.edu/research/cleanroom/QuintelPrinter.htm
CPK Spin Processorhttp://www.utdallas.edu/research/cleanroom/tools/CPKsolvent.htm
Spin CoaterLaurellWS-400-6NPP/LITE
[en-tête]
Boîte à gantsM-BraunLab Master 130
Simulateur solaireThermo Oriel/Newport
Keithley 2400 SMUKeithley/Techtronix2400
Keithley 7002 MultiplexeurKeithley/Techtronix7002
Nettoyeur à ultrasonsKendalHB-S-49HDT
MicropipetteEppendorf200 µ ;
l

Références

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  3. Kim, J. Y., et al. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science. 317 (5835), 222-225 (2007).
  4. Yu, B., Zhu, F., Wang, H., Li, G., Yan, D. All-organic tunnel junctions as connecting units in tandem organic solar cell. Journal of Applied Physics. 104 (11), (2008).
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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).
  16. Wadhwa, P., Liu, B., McCarthy, M. A., Wu, Z., Rinzler, A. G. Electronic Junction Control in a Nanotube-Semiconductor Schottky Junction Solar Cell. Nanoletters. 10 (12), 5001-5005 (2010).

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Photovolta que organiquePolarisation ioniqueCellule solaire tandemTraitement ambiantTraitement en solutionDouble couche lectriqueLaminage parall lelectrode de grille
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