Article de méthode

Bien alignées verticalement orienté ZnO nanotige tableaux et leur Application en inversé petite molécule Solar Cells

DOI :

10.3791/56149

⸱

25 avril 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

Dans cet article

Résumé

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

Ce manuscrit décrit comment concevoir et fabriquer SMPV1:PC inversé efficace des cellules solaires71BM avec nanotiges de ZnO (NRs) cultivé sur une couche de graines de ZnO dopé Al (AZO) de haute qualité. Le bien alignées verticalement orienté ZnO roupies pièce hautes propriétés cristallines. L’efficacité de conversion énergétique des cellules solaires peut atteindre 6,01 %.

Résumé

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

Cet article décrit comment concevoir et fabriquer efficace inversée des cellules solaires, qui reposent sur une molécule de petite conjuguée à deux dimensions (SMPV1) et [6,6] - phényl - C71-ester méthylique de l’acide butyrique (PC71BM), en utilisant des nanotiges de ZnO (SNR) cultivé sur une couche de graines de ZnO dopé Al (AZO) de haute qualité. Cellules solaires71BM SMPV1:PC inversé avec ZnO NRs qui poussaient sur les deux une couche de graine AZO transformés pulvérisée et sol-gel sont fabriqués. Par rapport à la couche mince AZO préparée par la méthode sol-gel, la couche mince pulvérisée AZO expose mieux cristallisation et rugosité de la surface inférieure, selon la diffraction des rayons x (DRX) et les mesures de force atomique microscope (AFM). L’orientation des ORA ZnO développées sur une couche de graine AZO pulvérisés montre mieux alignement vertical, ce qui est bénéfique pour le dépôt de la couche active ultérieure, formant des morphologies surfaces mieux. Généralement, la morphologie de la surface de la couche active domine principalement le facteur de remplissage des appareils (FF). Par conséquent, le SNA de ZnO bien alignées peut être utilisé pour améliorer la collecte de transporteur du calque actif et augmenter les FF des cellules solaires. En outre, comme une structure d’anti-reflet, il peut également être utilisé pour améliorer la récolte légère de la couche d’absorption, avec le rendement de conversion de puissance (PCE) de cellules solaires atteignant 6,01 %, plus élevé que le sol-gel base de cellules solaires avec un rendement de 4,74 %.

Introduction

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

Dispositifs photovoltaïques organiques de (VPO) ont récemment subi une évolution remarquable dans l’application des énergies renouvelables. Ces dispositifs organiques présentent de nombreux avantages, y compris la compatibilité de la solution-process, faible coût, poids léger, souplesse, etc.1,2,3,4,5 , jusqu'à présent, piles solaires de polymère (PSC) avec une PCE de plus de 10 % ont été développés en utilisant les polymères conjugués mélangés avec PC71BM6. Comparativement à base de polymères de PSC, petites molécule axée sur les variétés à pollinisation libre (SM-variétés à pollinisation libre) ont attiré plus d’attention lorsqu’il s’agit de fabriquer des variétés à pollinisation libre en raison de leurs plusieurs avantages distincts, y compris les structures chimiques bien définies, de synthèse facile et de purification, et généralement plus élevé tension circuit ouvert (Voc)7,8,9. À l’heure actuelle, une structure 2D conjugué petite molécule 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) avec BDT-T (benzo [1, 2-b:4, 5-b'] dithiophene) comme unité de base et 3-octylrodanine que le groupe fin d’électroattracteurs10 a été conçu et utilisé pour mélange avec PC71BM pour application prometteuse de variétés à pollinisation libre durable. Le PCE de photopiles classiques de petites molécules (SM-variétés à pollinisation libre) basée sur SMPV1 mélangé avec PC71BM a atteint plus de 8,0 %10,11.

Dans le passé, PSC pourrait être amélioré et optimisé en ajustant l’épaisseur de la couche active simplement. Cependant, contrairement aux entreprises de sécurité privées, SM-variétés à pollinisation libre ont en général une plus courte longueur de diffusion, qui limite considérablement l’épaisseur de la couche active. Par conséquent, pour augmenter encore plus la densité de courant courte (Jsc) de SM-variétés à pollinisation libre, utilisant la nanostructure12 ou SNR9 afin d’améliorer l’absorption optique des SM-variétés à pollinisation libre devenait nécessaire.

Parmi ces méthodes, la structure de NRs anti-reflet est généralement efficace pour récolter lumière du calque actif sur une large gamme de longueurs d’onde ; par conséquent, savoir comment faire pousser bien alignées verticalement orienté oxyde de zinc (ZnO) NRs est très critique. La rugosité de la surface de la couche de semences sous la couche de ZnO NRs a une grande influence sur l’orientation des tableaux NR ; par conséquent, afin d’y déposer les NRs bien orientées, la cristallisation de la couche de semence doit être précisément contrôlé9.

Dans cet ouvrage, les films AZO sont préparés par radio-fréquence (RF), technique de pulvérisation. Par rapport aux autres techniques, RF sputtering est connue pour être une technologie efficace qui est transférable à l’industrie pour qu’elle est une technique de dépôt fiable, qui permet la synthèse de haute pureté, uniforme, lisse et durable AZO minces à croître sur des substrats de grande surface. Utilisant le RF sputtering dépôts permet la formation de films AZO de haute qualité qui présentent une forte cristallisation avec réduction rugosité de surface. Par conséquent, dans la couche de croissance subséquente, les orientations des ORA sont fortement alignées, plus encore par rapport aux films de ZnO préparés par la méthode sol-gel. En utilisant cette technique, le PCE de l’inversé de petites molécules des cellules solaires basées sur des tableaux de ZnO NR orientées verticalement bien alignées peut atteindre 6,01 %.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Protocole

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

1. croissance de couche AZO graine pulvérisée sur substrat de ITO

  1. Coller les 4 morceaux de ruban de protection contre la corrosion (0,3 x 1,5 cm) sur un côté du substrat indium tin oxide (ITO) pour former un carré (1,5 x 1,5 cm). Mettre l’ITO en acide chlorhydrique pendant 15 min à graver la surface exposée de l’ITO.
  2. Enlever le ruban et nettoyer l’échantillon en utilisant un sonicateur ; soniquer eau additionnée de désionisée (DI), acétone, éthanol, isopropanol à son tour de 30 min chacun. Séchez l’OTI à motifs avec un fusil de l’azote comprimé.
  3. Fixez les substrats d’ITO à motifs nettoyés sur le porte-substrat en bande et le titulaire de charge dans la chambre principale de RF sputtering système. Pompe de pression dans la chambre au dessous de 4 x 10-6 torr via la mécanique et de la pompe à diffusion pour assurer la pureté environnementale.
  4. Insert gaz argon pur (débit : 30 sccm) dans la chambre principale et le contrôle de la pompe afin de maintenir la pression de chambre à 1 mtorr.
  5. Préparer les couches AZO graines à l’aide de la RF (13,56 MHz) bredouillement méthode, basée sur la méthode déclarés13. Utiliser une circulaire de la dimension en 2 azoïques (2 % en poids Al2O3 en ZnO) cible en céramique pour les déposer sur des substrats de verre ITO préalablement nettoyés. Garder la distance de la cible-à-substrat à 10 cm.
  6. Maintenir la pression de service 1 mtorr et de puissance RF à 40 W durant la déposition. Contrôler la température du substrat à la température ambiante. Mettre le biais DC appliqué et les taux de dépôt à 187 V et 4 nm/min, respectivement de déposer la couche mince AZO. L’épaisseur de la couche de semence AZO doit être contrôlée à 40 nm, basé sur le moniteur d’épaisseur de cristal de quartz.
  7. Après que l’échantillon se refroidit jusqu'à 30 ° C dans la chambre, arrêter la pompe et insérer l’azote gazeux dans la chambre principale jusqu'à ce que la chambre peut être ouvert. Retirez le porte-substrat de l’échantillon.

2. la croissance de la Sol-gel traitée couche de graine de ZnO sur substrat de ITO

  1. Déposer la couche de graine de ZnO sur le substrat de ITO modelé par la rotation de la sol-gel revêtement méthode14. Le dihydrate d’acétate de zinc, 2-methoxethanol et la monoéthanolamine (MEA) sont utilisés comme les matières premières, solvant et le stabilisateur, respectivement.
    1. Dissoudre le dihydrate d’acétate de zinc (4,39 g) dans un mélange de 2-methoxethanol (40 mL) et MEA (1,22 g) pour obtenir la concentration d’acétate de zinc de 0,5 M.
    2. Remuer le mélange à 60 ° C pendant 2 h. Laisser le sol pendant 12 h former une solution homogène claire et transparente.
    3. Dépôt de la couche de graine de ZnO sur des substrats de verre ITO à motifs nettoyés à l’aide de la méthode de revêtement de spin. Ajouter 0,1 mL de solution de sol-gel sur le substrat et faire tourner à 3 000 tr/min pendant 30 s à l’aide d’une coucheuse spin.
    4. Après spin coating, sécher le film à 200 ° C pendant 30 min sur une plaque chauffante afin de permettre au solvant de s’évaporer et éliminer les résidus organiques. L’épaisseur de la couche de graine de ZnO devrait être environ 40 nm14.

3. croissance du ZnO NR tableau sur une couche de graine

  1. Cultiver le tableau de ZnO NR à l’aide de la méthode hydrothermale.
    1. Mix 1,49 g nitrate de zinc hexahydraté (Zn (NO3)2·6H2O) et hexaméthylènetétramine 0,7 g (HMT) (C6H12N4) dans l’eau 100 mL DI. Remuer le mélange à température ambiante pendant 30 min.
    2. Fixer le côté ITO de la couche AZO graine pulvérisée avec les échantillons de sol-gel de ZnO pour le couvercle en verre à l’aide de ruban adhésif. Placer les échantillons dans un 50 mL tube à fond conique polypropylène rempli avec le 50 mL de solution de Zn (NO3)2·6H2O et HMT.
    3. Au cours de la croissance, faire chauffer le tube à fond conique polypropylène en le posant horizontalement dans un four de laboratoire avec les échantillons de spin couché vers le bas et maintenir la température à 90 ° C pendant 90 min.
    4. À la fin de la période de croissance, supprimer les substrats de la solution et rincer immédiatement la surface de l’échantillon avec l’eau distillée et d’éthanol (à l’intérieur de deux flacons) à son tour de 1 min chacun, pour enlever le sel résiduel de la surface. Sécher l’échantillon à l’aide d’un pistolet d’azote comprimé et faire cuire sur une plaque chauffante à 250 ° C pendant 10 min.

4. fabrication et mesure des cellules solaires inversé petite molécule

  1. Charger le substrat ITO avec le tableau de ZnO NR sur une coucheuse spin dans la boîte à gants. Mélanger 1 mL de toluène contenant 15 mg de SMPV1 et 11,25 mg de PC71BM. Ajouter 0,1 mL de solution, faites tourner l’échantillon à 2 000 tr/min pour 40 s à l’aide d’une coucheuse spin et il recuire à 60 ° C pendant 2 min.
  2. Après le recuit, placer le substrat dans un système d’évaporation thermique. La chambre à vide au départ avec une pompe mécanique jusqu'à ce que la pression atteint 4 x 10-2 torr, puis passage à un turbo la pompe fonctionne à la pression ambiante < 4 x 10-6 torr.
  3. Couche de dépôt le MoO3 à un taux de dépôt de 0,1 nm/s en chauffant MoO3 poudre dans un bateau de molybdène résistif avec un Z-rapport de 1,0 et un courant d’entrée de 105 A. dépôt du Ag superposer à un taux de dépôt de 0,5 nm/s en lingot argent chauffage résistif t bateau d’ungsten avec un Z-rapport de 0,529 et un courant d’entrée de 190 A. Le système devrait comprendre un moniteur de fréquence d’évaporation de cristal de quartz pour contrôler le processus d’évaporation. L’épaisseur des couches de Ag et MoO3 doit être contrôlée pour être de 5 à 150 nm, respectivement basés sur le moniteur d’épaisseur de cristal de quartz.
  4. Après que l’échantillon se refroidit jusqu'à 30 ° C dans la chambre, arrêter la pompe et insérer l’azote gazeux dans la chambre jusqu'à ce que la chambre peut être ouvert. Retirez le porte-substrat de l’échantillon et charger l’échantillon dans la boîte à gants.
  5. Ouvrez le système simulateur solaire et attendre 20 min jusqu'à ce que la source lumineuse du système est stable. Illuminer l’échantillon à 100 mW/cm2 d’un simulateur solaire à l’aide d’une masse d’air 1.5 global (AM 1.5G) filtre. En même temps, utilisez l’analyseur de balayer le dispositif de -1 V au + 1 V d’obtenir la densité de courant-tension (J-V) courbe14,15.

5. Techniques de caractérisation

  1. Effectuer la diffraction des rayons x measurment16 avec une source de Cu Kα pour étudier les structures des ORA ZnO, sur la couche AZO graine pulvérisée et la couche de graines du sol-gel traitée ZnO. La vitesse de scan devrait être 1 ° / min, et la plage de balayage doit être de 10 à 90 ° (2θ).
  2. Caractériser la morphologie de la surface et l’image coupe transversale des échantillons par l’émission de champ17 de la microscopie électronique à balayage en réglant la tension de fonctionnement à 10 kV.
  3. Obtenir la photoluminescence micro spectres (PL) de tous les échantillons à l’aide d’un laser à He-Cd CW 325 nm (20 mW) comme la source d’excitation avec un 2 400 râpage rainures/mm dans la géométrie de rétrodiffusion. AllPL mesures18 doit être effectuée à la température ambiante.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Résultats

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

La structure en couches des dispositifs consistant en un substrat/AZO ITO (40 nm) / ZnO NRs couche, SMPV1:PC71BM (80 nm) / MoO3 (5 nm) documentation (150 nm) comme illustré à la Figure 1. En général, la couche de semence azoïques ou ZnO est largement utilisée pour servir de la couche de transport d’électrons (ETL) dans des dispositifs de PSC. En dehors de PSC, SM-variétés à pollinisation libre ont généralement une couche active plus cour...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Discussion

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

En utilisant l’intercalaire NRs, tant la Jsc et le FF des dispositifs peuvent être améliorées. Toutefois, la rugosité de surface de NRs influencera également les processus ultérieurs. Ainsi, l’orientation et la morphologie de surface des ORA doivent être manipulés avec précaution. Pendant une longue période, le sol-gel traitées ETL, comme TiO2 et ZnO étaient couramment utilisés dans les entreprises de sécurité privées en raison de leurs procédures simples. Toutefois, la cristallisation des couches d...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Déclarations de divulgation

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

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.

Remerciements

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

Les auteurs tiennent à remercier le Conseil National des sciences de Chine pour le soutien financier de cette recherche sous le contrat no. La plupart 106-2221-E-239-035 et la plupart 106-2119-M-033-00.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Objectif AZOUltimate Materials Technology Co., Ltd.aucunAZO (2 % en poids d’Al2O3 dans le ZnO), 3" &psi ; x 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Collage
SMPV1Luminescence Technology Corp.1651168-29-42,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2' :5,2''-terthiophène)]-4,8-bis((5-éthylhexyl)thiophène-2-yl)benzo[1,2-b :4,5-b']dithiophène
de pulvérisation RFKao Duen Technology Co., Ltdaucunhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Acétate de zinc dihydratéJ. T. Baker59704564,39 g
MonoéthanolamineJ. T. Baker1414351,22 g
de 2-méthoxyéthanolSigma-Aldrich10986440 mL
de nitrate de zinc hexahydraté. T. Baker101961861,49 g
Sigma-Aldrich100-97-00,7 g d’oxyde
d’indium et d’étain (ITO)RiTdisplayaucunsubstrats de verre à revêtement (< 10 et oméga ; sq&ndash ; 1)
AFMVeecoInnova SPM
SEMFEINova 200 NanoSEMtension de fonctionnement : 10 kV
XRDBrukerD8 Diffractomètre à rayons X2&thêta ; gamme : 10&ndash ; 90 ° ;; Taille du pas : 0.008 ° ;
PLHoribaJobin-Yvon HR800source d’excitation : 325 nm Laser UV 20 mW
simulateur solaireNewport91192AAM 1.5G
Precision Semiconductor Parameter AnalyzerKeysight Technologies Agilent4156Cbalayage de -1 à +1 V
toluèneSigma-Aldrich108-88-31 mL
PC71BMSigma-Aldrich609771-63-311,25 mg
Système d’évaporation thermiqueKao Duen Technology Co., LtdSystème PVD Kao Duenhttp://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HClSigma-Aldrich7647-01-0
MoO3Alfa Aesar1313-27-599,50 %
lingot d’argentADMAT Inc.aucun100.00 %
Contrôleur de dépôt de couche minceINFICONXTC
(film polyimide)3M Taiwan Corporationnonehttp://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-coaterChemat Technology, IncKW-4Ahttp://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx
Système Jd’hexaméthylènetétramine Ruban anti-corrosion

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dou, L., et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer. Nat. Photonics. 6 (3), 180-185 (2012).
  2. You, J., et al. Metal Oxide Nanoparticles as an Electron-Transport Layer in High Performance and Stable Inverted Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 24 (38), 5267-5272 (2012).
  3. Dou, L., et al. Systematic Investigation of Benzodithiophene- and Diketopyrrolopyrrole-Based Low-Bandgap Polymers Designed for Single Junction and Tandem Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (24), 10071-10079 (2012).
  4. Li, G., Zhu, R., Yang, Y. Polymer solar cells. Nat. Photonics. 6 (3), 153-161 (2012).
  5. You, J., et al. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency. Nat. Commun. 4, 1446(2013).
  6. Chen, J. D., et al. Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10% Power Conversion Efficiency. Adv. Mater. 27 (6), 1035-1041 (2015).
  7. Zhang, H., et al. Developing high-performance small molecule organic solar cells via a large planar structure and an electron-withdrawing central unit. Chem. Commun. 53, 451-454 (2017).
  8. Zhou, H., et al. Conductive Conjugated Polyelectrolyte as Hole-Transporting Layer for Organic Bulk Heterojunction Solar Cells. Adv. Mater. 26 (5), 780-785 (2014).
  9. Lin, M. Y., et al. Enhance the light-harvesting capability of the ITO-free inverted small molecule solar cell by ZnO nanorods. Opt. Express. 24 (16), 17910-17915 (2016).
  10. Liu, Y., et al. Solution-processed small-molecule solar cells: breaking the 10% power conversion efficiency. Sci. Rep. 3, 3356(2013).
  11. Farahat, M. E., et al. Toward environmentally compatible molecular solar cells processed from halogen-free solvents. J. Mater. Chem. A Mater. Energy Sustain. 4 (19), 7341-7351 (2016).
  12. Lin, M. Y., et al. Plasmonic ITO-free polymer solar cell. Opt. Express. 22 (S2), A438-A445 (2014).
  13. Donato, A., et al. RF sputtered ZnO-ITO films for high temperature CO sensors. Thin Solid Films. 517 (22), 6184-6187 (2009).
  14. Lin, M. Y., et al. Sol-gel processed CuOx thin film as an anode interlayer for inverted polymer solar cells. Org. Electron. 11 (11), 1828-1834 (2010).
  15. Vandewal, K., et al. On the origin of the open-circuit voltage of polymer-fullerene solar cells. Nat. Mater. 8, 904-909 (2009).
  16. Sharma, R., et al. X-ray diffraction: a powerful method of characterizing nanomaterials. Recent Research in Science and Technology. 4 (8), 77-79 (2012).
  17. Huggett, J. M., Shaw, H. F. Field emission scanning electron microscopy a high-resolution technique for the study of clay minerals in sediments. Clay Miner. 32, 197-203 (1997).
  18. Lou, S., et al. Laser beam homogenizing system design for photoluminescence. Appl. Opt. 53 (21), 4637-4644 (2014).
  19. Huang, J. S., Lin, C. F. Influences of ZnO sol-gel thin film characteristics on ZnO nanowire arrays prepared at low temperature using all solution-based processing. J. Appl. Phys. 103, 014304(2008).
  20. Leung, S. F., et al. Light Management with Nanostructures for Optoelectronic Devices. J. Phys. Chem. Lett. 5, 1479-1495 (2014).
  21. Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Réimpressions et autorisations

Demander l’autorisation de réutiliser le texte ou les figures de cet article JoVE

Demander une autorisation

Mots-clés

Cellules solaires invers escouche d amor age de ZnO dop l Alfilm mince d AZO pulv risAZO trait par sol gelalignement vertical des nanob tonnetsanalyse par diffraction des rayons Xmicroscopie force atomiqueefficacit de conversion nerg tique

Articles connexes