Article de méthode

Contrôle Morphologie pour Bulk-hétérojonction cellules solaires organiques-inorganiques entièrement imprimables Basé sur un Ti-alcoolate et Polymer Semiconductor

DOI :

10.3791/54923

⸱

10 janvier 2017

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

Dans cet article

Résumé

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Procédé pour, en vrac, hétérojonction cellules solaires imprimables entièrement libre fullerène très stables à l'air sur la base des alcoolates de Ti comme accepteur d'électrons, et la fabrication du polymère donneur d'électrons est décrite ici. En outre, un procédé pour contrôler la morphologie de la couche photoactive par l'encombrement moléculaire des unités alcoxyde de Ti est signalée.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La couche photoactive d’une cellule solaire à hétérojonction en vrac (BHJ) organique à couche mince typique utilise couramment des dérivés de fullerène comme matériau acceptant les électrons. Cependant, les dérivés du fullerène sont sensibles à l’air ; Par conséquent, un matériau stable à l’air est nécessaire comme alternative. Dans la présente étude, nous proposons et décrivons les propriétés du Ti-alcoxyde en tant que matériau alternatif acceptant les électrons aux dérivés du fullerène pour créer des cellules solaires BHJ hautement stables dans l’air. Il est bien connu que le contrôle de la morphologie de la couche photoactive, qui est construite avec des dérivés de fullerène comme accepteur d’électrons, est important pour obtenir une efficacité globale élevée grâce à la méthode du solvant. La méthode conventionnelle par solvant est utile pour les matériaux à haute solubilité, tels que les dérivés du fullerène. Cependant, pour les alcoxydes de Ti, la méthode conventionnelle des solvants est insuffisante, car ils ne se dissolvent que dans des solvants spécifiques. Ici, nous démontrons une nouvelle approche du contrôle de la morphologie qui utilise l’encombrement moléculaire des alcoxydes de sodium sans la méthode conventionnelle des solvants. C’est-à-dire que cette méthode est une approche pour obtenir des cellules solaires à hétérojonction en vrac organique-inorganique hautement efficaces, stables à l’air.

Introduction

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Dispositifs photovoltaïques organiques sont considérés comme des sources d'énergie renouvelables prometteuses en raison de leur faible coût de fabrication et le poids léger 1-7. En raison de ces avantages, un grand nombre de scientifiques ont été immergés dans ce domaine prometteur. Dans la dernière décennie, à colorant, organique à film mince, et les cellules solaires sensibilisées perovskite ont réalisé des progrès significatifs en matière d' efficacité de conversion de puissance dans ce domaine 8.

Plus précisément, les cellules solaires à couches minces organiques et la technologie solaire-cellulaire BHJ organique à couche mince sont des solutions efficaces et rentables pour l'utilisation de l'énergie solaire. En outre, le rendement de conversion d'énergie a atteint plus de 10% avec l'utilisation de polymères à faible bande interdite que les dérivés donneurs d'électrons et fullerène comme accepteur d'électrons (Phényl-C 61 butyrique-acide-ester méthylique de [60]: PCBM ou Phenyl-C 71 butyrique-acide-Methyl Ester: [70] PCBM) 9-11. Par ailleurs, certains chercheurs have déjà signalé l'importance de la structure BHJ dans la couche photoactive, qui est construit avec des polymères à faible bande interdite et les dérivés de fullerène pour obtenir un rendement global élevé. Cependant, les dérivés de fullerène sont sensibles à l'air. Par conséquent, un matériau accepteur d'électrons stable à l'air est nécessaire comme alternative. Quelques rapports précédemment proposé de nouveaux types de cellules photovoltaïques organiques qui ont utilisé des polymères de type n ou semi-conductrices d'oxydes métalliques comme accepteurs d'électrons. Ces rapports ont soutenu le développement de, sans fullerène, les cellules solaires d'air stables organiques en couches minces 12-15.

Cependant, contrairement à fullerène ou les systèmes de polymères semi - conducteur de type n, en obtenant un rendement satisfaisant de la structure BHJ dans la couche photosensible, qui a une séparation de charge et de charge des capacités de transfert, il est difficile dans des systèmes d'oxydes métalliques 16-17. En outre, les dérivés de fullerène et des polymères semi-conducteurs de type n ont une solubilité élevéedans de nombreux solvants. Par conséquent, il est facile de contrôler la morphologie de la couche photoactive par la sélection d' une solution d'encre en tant que solvant, qui est le précurseur de la couche photoactive 18-20. En revanche, dans le cas des systèmes alcoolates métalliques utilisés en combinaison avec un polymère donneur d'électrons, les deux semi-conducteurs sont insolubles dans la plupart des solvants. En effet, les alcoxydes métalliques ne possèdent pas une solubilité élevée dans le solvant. Par conséquent, la sélectivité de solvants pour le contrôle de la morphologie est extrêmement faible.

Dans cet article, nous présentons une méthode pour contrôler la morphologie de la couche photoactive en utilisant bouffant moléculaire pour fabriquer des cellules solaires BHJ imprimables et très stables à l'air. Nous décrivons l'importance du contrôle de la morphologie pour le progrès de cellules solaires BHJ libre fullerène.

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Protocole

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1. Préparation d'Indium-oxyde d'étain (ITO) en verre pour les cellules solaires de fabrication

  1. Couper le substrat ITO / verre.
    1. L'utilisation d'un coupe-verre, couper le substrat ITO / verre (10 cm x 10 cm) en morceaux mesurant environ 2 cm x 2 cm.
  2. graver chimiquement la couche conductrice d'ITO.
    1. L'utilisation d'un multimètre numérique, vérifiez que le haut de la pièce ITO / verre a un côté conducteur.
    2. Placez du ruban adhésif sur les deux côtés de la pièce ITO / verre, en laissant une zone centrale de 2 mm x 2 cm dans le milieu. En utilisant du ruban adhésif, protéger le reste de la couche conductrice d'ITO de la gravure.
    3. Verser quelques gouttes de HCl (1 M) sur la couche conductrice d'ITO pour enlever la couche conductrice d'ITO de la surface de la pièce ITO / verre. Après environ 3 min, essuyer le HCl en utilisant un coton-tige, puis retirez le ruban de masquage.
  3. Prétraiter la pièce ITO / verre.
    1. Placez les ITO / morceaux de verre dans uncas de verre et remplir le cas avec de l'eau.
    2. Placez le boîtier de verre dans un bain d'eau qui est aux deux tiers d'eau et fixer un nettoyeur à ultrasons. Ensuite, mettez le nettoyeur à ultrasons pendant environ 15 min pour éliminer les quelques traces de gravure chimique restant sur la pièce ITO / verre. Lavez ces pièces dans un bain à ultrasons avec de l'eau, l'acétone et l'alcool isopropylique, respectivement, pour 15 minutes chacun, puis les sécher dans un courant d'air sec. Effectuer ultrason à une fréquence oscillatoire de 42 kHz.
    3. Placez les morceaux ITO / verre à l' intérieur d' un ultraviolet-ozone (UV-O 3) propre et faire fonctionner la machine pendant 30 min.

2. Préparation de la solution précurseur pour la couche photoactive

  1. Dissoudre 0,5 mg de poly [2,7- (9,9-dioctylfluorene) -ALt-4,7-bis (thiophén-2-yl) benzo-2,1,3-thiadiazole] (PFO-DBT) comme un électron donneur et 1,0 mg de Ti-alcoxyde dans 1 ml de chlorobenzène. Sélectionnez les Ti-alcoxydes suivantes électronsaccepteurs: Ti (IV), l'isopropoxyde, l'éthylate, le butylate et le polymère butoxyde. Ensuite, on dissout 0,5 mg de PFO-TCD et 1,0 mg de [60] PCBM dans 1 ml de chlorobenzène en tant que référence.
    NOTE: Ici, les niveaux HOMO-LUMO sont les suivantes 21. FOP-DBT: 5,4 à 3,53 eV, Ti (IV), l'isopropoxyde: 7,49 à 3,86 eV, l'éthylate: 7,55 à 3,90 eV, le butylate: 7,53 à 3,76 eV, et d'un polymère butylate: 7,57 à 3,83 eV.
  2. Sur un agitateur magnétique à chaud, chauffer la solution de précurseur à 70 ° C tout en agitant avec un barreau d'agitation à une vitesse de 700 tours par minute. Pour ce faire, pendant 20 minutes en l'absence de lumière, jusqu'à ce que la solution est visuellement limpide à l'oeil nu. Refroidir la solution à la température ambiante, à nouveau en l'absence de lumière, pour une utilisation future.

3. Fabrication de la couche photoactive

  1. Déposez le film par spin-coating.
    1. Chauffer la solution de précurseur de la couche photoactive et la pièce ITO / verre à 70 ° C. Pour 10 min, chauffer la solution de précurseur sur une agitation magnétique à chaudDürer chauffé à 70 ° C et utiliser une barre d'agitation à une vitesse de 700 tours par minute. Chauffer la pièce ITO / verre sur une plaque chauffante en céramique chauffé à 70 ° C pendant 5 min.
    2. Placez le morceau ITO / verre au centre de la scène sous vide de la tournette, la chaleur avec un pistolet à air chaud à environ 70 ° C, et tourner sur le vide.
      NOTE: Le vide est créé à l'aide d'une pompe à vide à une vitesse de pompage de 30 L / min. La pression ultime de la pompe à vide est de 26,6 x 10 3 Pa.
    3. Verser quelques gouttes de la solution de précurseur de la couche photoactive sur le ITO / pièce de verre et commencer la tournette à 2,000-6,000 rpm pendant 60 s dans l'air.
      NOTE: Le volume de la solution de précurseur est de 0,5 ml, mesurée avec un spuit 1 ml.
    4. Sécher la surface de la couche photosensible pendant 10 min à température ambiante dans une atmosphère d'air en l'absence de lumière pour obtenir un film de 50 nm d'épaisseur en tant que couche photoactive.
  2. Retirez le film supplémentaire.
    1. Essuyez le phot supplémentaireoactive couche de la surface de la pièce d'ITO / verre avec un coton-tige imbibé d'chlorobenzène.
    2. Sécher à nouveau la couche photoactive pendant 10 min à température ambiante dans une atmosphère d'air en l'absence de lumière.
      NOTE: La température de notre salle d'expérimentation est maintenue à 25 ° C.

4. La fabrication de l'électrode

  1. Imprimer l'électrode organique.
    1. Utilisation d' une imprimante à l'écran, imprimer une électrode organique en plaçant le poly (3,4-éthylènedioxythiophène) -poly (styrènesulfonate) (PEDOT-PSS) sur la couche photoactive 22. Le masque métallique est de 50 um d'épaisseur, et la zone d'impression est de 5 mm x 20 mm.
    2. Sécher l'électrode organique pendant 30 min à température ambiante dans une atmosphère d'air en l'absence de lumière.

5. Laminage pour les cellules solaires

  1. Découper le substrat de verre en morceaux ayant des dimensions de 1,5 cm x 2,5 cm en utilisant un dispositif de coupe en diamant. Propagerune résine époxy sur le substrat en verre à l'aide d'une spatule en plastique. Placer le substrat en verre avec une résine époxy sur la couche photosensible pour la protéger.

6. Préparation de mesure de la performance des cellules solaires

  1. Nettoyer les électrodes en les essuyant avec un coton-tige humidifié avec de l'acétone. Fixer une électrode de support sur l'ITO au moyen d'un système de soudage par ultrasons. Faire fonctionner le fer à souder à une fréquence de 42 kHz et à 230 ° C.

7. Mesure de la Performance solaire-cellule

  1. Mesurer les caractéristiques courant-tension (JV) des cellules solaires à l'aide d' un moniteur / système intégré de source de courant continu de tension de courant, avec le simulateur solaire calibré pour fournir une AM1.5G simulée de 100 mW / cm 2 par la photodiode au silicium.
    NOTE: Plus d' informations détaillées sur la mesure des courbes JV peut être trouvée ailleurs 23, 24.

8. Analysis de la structure de la phase de séparation

  1. Préparer des films individuels des couches photosensibles construits avec Ti-alcoolate et PFO-DBT, en utilisant même méthode pour la fabrication de cellules solaires, sans l'électrode organique et sans le procédé de stratification.
  2. Utiliser un microscope optique ou un microscope électronique à balayage (MEB) pour observer la morphologie de la couche photosensible à un fort grossissement (x 50 000) afin d'analyser la structure de séparation de phases.
    NOTE: Des informations plus détaillées sur le fonctionnement SEM peut être trouvée ailleurs 25, 26.

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Résultats

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Nous avons présenté un protocole de fabrication de cellules entièrement imprimables organiques-inorganiques BHJ solaires, ainsi qu'un procédé de contrôle de la structure de séparation de phases. Les performances des cellules solaires ont été abondamment étudiées 27-31 quand Ti (IV) et l' isopropylate éthylate ont été utilisés comme accepteur d' électrons des matières (figure 1). Ces cellules solaires présentent une densité de courant de court-circuit (Jsc) qui...

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Discussion

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Afin d'utiliser l'encombrement de la molécule dans ce procédé, il est important de connaître les conditions de formation de film par revêtement par centrifugation. Tout d'abord, les semi-conducteurs de type p et de type n doivent pouvoir être dissous dans les solvants. Lorsque certains matériaux reste, il deviendra le grand cœur des domaines dans la couche photoactive. L'utilisation d'un filtre commercial adéquat pour les solvants individuels est recommandé d'enlever la matière restante. Ensuite,...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun intérêt financier concurrents.

Remerciements

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Ce travail a été partiellement soutenu par JSPS KAKENHI Grant Number 25871029, la Nippon Sheet Foundation en verre pour la science des matériaux et en génie, et Tochigi Industrial Promotion Center. L'Institut national de technologie, Oyama College, a également aidé avec les frais de publication de cet article.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
isopropoxyde de Ti(IV), 97 %Sigma Aldrich205273
éthoxyde de Ti(IV)Sigma Aldrich244759
Butoxyde de Ti(IV) de qualité technique, 97 %Sigma Aldrich244112polymère
de butoxyde de Ti(IV)Sigma Aldrich510718
Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorène)-alt-4,7-bis(thiophène-2-yl)benzo-2,1,3- thiadiazole] (PFO-DBT)Sigma Aldrich754013
[6,6]-phényl-C61-butyrique ester méthylique ([60]PCBM) 99,5 %Sigma Aldrich684449
poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate) de qualité recherche (PEDOT-PSS)HeraeusClevios S V3
1 N Acide chlorhydriqueWako083-01095
Chlorobenzène 99,0 %Wako032-07986
Acétone 99,5 %Wako016-00346
Substrat de verre recouvert d’oxyde d’indium-étain (ITO)Geomatec0002100× ; 100&fois ; 1.1t (mm)
Substrat en verreMatsunami GlassS721376× ; 26&fois ; 1,2 t (mm)
Queue en coton  ;Comme un1-8584-16
Résine époxyNichibanAR-R30
Spatule en plastiqueComme un2-3956-02
Nettoyeur à ultrasonsComme unAS482
Agitateur magnétique à chaudComme unRHS-1DN
Plaque chauffante en céramiqueComme unCHP-17DN
Spin coaterKyowarikenK-359 S1
Pompe à videULVACDA-30S
Nettoyeur UV-O3FilgenUV253E
Imprimante sérigraphiqueMitani ElectronicsMEC-2400
Système de soudage par ultrasonsKuroda TechnoSUNBONDER USM-5
Tension et courant continu source/moniteur intégrés systèmeSan-Ei ElectricXES-40S1
Microscope électronique à balayageJEOL Ltd.JSM-7800
de qualité réactif

Références

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