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Engineering

अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग Nanorod arrays और उल्टे छोटे अणु सौर कोशिकाओं में उनके आवेदन

Published: April 25, 2018 doi: 10.3791/56149
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 4, 4, 1, 2, 2
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

Summary

इस पांडुलिपि का वर्णन कैसे डिजाइन और कुशल औंधा SMPV1 बनाना: पीसी७१बीएम nanorods (एनआरएस) एक उच्च गुणवत्ता वाले अल मैगनीज जिंग (डाइज) बीज परत पर हो के साथ सौर कोशिकाओं । अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग एनआरएस उच्च क्रिस्टलीय गुणों का प्रदर्शन । सौर कोशिकाओं की शक्ति रूपांतरण क्षमता ६.०१% तक पहुंच सकते हैं ।

Abstract

इस पांडुलिपि का वर्णन कैसे डिजाइन और कुशल औंधा सौर कोशिकाओं है, जो एक दो आयामी संयुग्मित छोटे अणु (SMPV1) और [6, 6 पर आधारित है बनाना]-फिनाइल-C71-butyric एसिड मिथाइल एस्टर (पीसी७१बीएम), का उपयोग करके जिंग nanorods (एनआरएस) एक उच्च गुणवत्ता अल मैगनीज जिंग (डाइज) बीज परत पर उगाया । उल्टे SMPV1: पीसी७१बीएम एनआरएस है कि दोनों एक sputtered और सोल-जेल संसाधित डाइज बीज परत पर पले के साथ सौर कोशिकाओं गढ़े हैं । सोल-जेल विधि द्वारा तैयार डाइज तनु फिल्म के साथ तुलना में, sputtered डाइज तनु फिल्म बेहतर क्रिस्टलीकरण और निचली सतह किसी न किसी प्रकार का प्रदर्शन, एक्स-रे विवर्तन (XRD) और परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोप (AFM) माप के अनुसार । एक sputtered डाइज बीज परत पर हो जिंग एनआरएस के उंमुखीकरण बेहतर ऊर्ध्वाधर संरेखण है, जो बाद में सक्रिय परत के जमाव के लिए फायदेमंद है, बेहतर सतह morphologies बनाने से पता चलता है । आम तौर पर, सक्रिय परत की सतह आकृति विज्ञान मुख्य रूप से भरण फैक्टर (एफएफ) के उपकरणों पर हावी है । नतीजतन, अच्छी तरह से संरेखित जिंग एनआरएस सक्रिय परत के वाहक संग्रह में सुधार करने के लिए और सौर कोशिकाओं के एफएफ बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इसके अलावा, एक विरोधी प्रतिबिंब संरचना के रूप में, यह भी अवशोषण परत के प्रकाश संचयन को बढ़ाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, बिजली रूपांतरण दक्षता (PCE) सौर कोशिकाओं के ६.०१% तक पहुंचने के साथ, सोल से उच्च जेल आधारित सौर कोशिकाओं की एक दक्षता के साथ ४.७४ %.

Introduction

कार्बनिक फोटोवोल्टिक (सेव्य) उपकरणों हाल ही में अक्षय ऊर्जा स्रोतों के आवेदन में उल्लेखनीय विकास आया है । इस तरह के कार्बनिक उपकरणों के समाधान-प्रक्रिया अनुकूलता, कम लागत, हल्के वजन, लचीलापन, आदिसहित कई फायदे हैं,1,2,3,4,5 अब तक, बहुलक सौर कोशिकाओं (पीएससी) से अधिक 10% की एक PCE के साथ संयुग्मित पीसी के साथ मिश्रित पॉलिमर का उपयोग करके विकसित किया गया है७१बीएम6। बहुलक आधारित पीएससी, छोटे अणु आधारित OPVs (एसएम-OPVs) की तुलना में अधिक ध्यान आकर्षित किया है जब यह उनके कई अलग लाभ के कारण OPVs के निर्माण की बात आती है, अच्छी तरह से परिभाषित रासायनिक संरचनाओं, सतही संश्लेषण और शुद्धि सहित, और आम तौर पर उच्च ओपन सर्किट वोल्टेज (वीoc)7,8,9. वर्तमान में, एक 2-डी संरचना संयुग्मित छोटे अणु SMPV1 (2, 6-बीआईएस [2, 5-बीआईएस (3-octylrhodanine)-(3, 3-dioctyl-2, 2 ': 5, 2 ' '-terthiophene)]-4, 8-भा ((5-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1, 2-b:4, 5-ब '] dithiophene) with BDT-T (benzo [1, 2-b:4, 5-b '] dithiophene) के रूप में कोर इकाई और 3-octylrodanine के रूप में इलेक्ट्रॉन-पूर्णरूपेण अंत-समूह10 डिजाइन किया गया है और टिकाऊ OPVs आवेदन का वादा करने के लिए पीसी७१बीएम के साथ मिश्रण करने के लिए इस्तेमाल किया । पीसी के साथ मिश्रित SMPV1 पर आधारित पारंपरिक छोटे अणु सौर कोशिकाओं (एसएम-OPVs) के PCE७१बीएम से अधिक ८.०%10,11तक पहुंच गया है ।

अतीत में, पीएससी और बढ़ाया जा सकता है बस सक्रिय परत की मोटाई का समायोजन करके अनुकूलित । हालांकि, पीएससी के विपरीत, SM-OPVs सामांय में एक छोटे प्रसार की लंबाई है, जो बहुत सक्रिय परत की मोटाई सीमा है । इसलिए, sm-OPVs के कम वर्तमान घनत्व (Jsc) को आगे बढाने के लिए, नैनो-संरचना12 या एनआरएस9 का उपयोग करके sm-OPVs के ऑप्टिकल अवशोषण में सुधार करने के लिए आवश्यक हो गया ।

इन तरीकों के अलावा, विरोधी प्रतिबिंब एनआरएस संरचना तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला पर सक्रिय परत के प्रकाश संचयन के लिए आम तौर पर प्रभावी है; इसलिए, जाने कैसे अच्छी तरह से विकसित करने के लिए गठबंधन खड़ी उंमुख जस्ता ऑक्साइड (जिंग) एनआरएस बहुत महत्वपूर्ण है । जिंग एनआरएस परत के नीचे बीज परत की सतह असहजता NR arrays के उंमुखीकरण पर एक महान प्रभाव है; इसलिए, क्रम में अच्छी तरह से उंमुख एनआरएस जमा करने के लिए, बीज परत के क्रिस्टलीकरण को ठीक9नियंत्रित करने की जरूरत है ।

इस काम में डाइज फिल्मों को theRadio-फ्रीक्वेंसी (RF) sputtering तकनीक द्वारा तैयार किया जाता है. अंय तकनीकों के साथ तुलना में, आरएफ sputtering एक कुशल तकनीक है कि उद्योग के लिए हस्तांतरणीय है के लिए यह एक विश्वसनीय जमाव तकनीक है, जो उच्च शुद्धता, वर्दी, चिकनी, और आत्म टिकाऊ डाइज पतली फिल्मों के संश्लेषण की अनुमति देता है बढ़ने के लिए जाना जाता है बड़े क्षेत्र सब्सट्रेट पर । आरएफ sputtering जमाव का उपयोग उच्च गुणवत्ता डाइज फिल्मों है कि सतह के कम किसी न किसी के साथ उच्च क्रिस्टलीकरण प्रदर्शन के गठन में सक्षम बनाता है । इसलिए, बाद में वृद्धि की परत में, एनआरएस के झुकाव अत्यधिक संरेखित हैं, और भी तो जब सोल-जेल विधि द्वारा तैयार जिंग फिल्मों की तुलना में । इस तकनीक का प्रयोग, उल्टे छोटे अणु सौर कोशिकाओं के PCE अच्छी तरह से संरेखित खड़ी उंमुख जिंग NR arrays ६.०१% तक पहुंच सकते है पर आधारित है ।

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Protocol

1. इतो सब्सट्रेट पर डाइज Sputtered बीज परत की वृद्धि

  1. छड़ी 4 विरोधी जंग टेप टुकड़े (०.३ x १.५ सेमी) इंडियम टिन ऑक्साइड (इतो) सब्सट्रेट के एक तरफ एक वर्ग (१.५ एक्स १.५ सेमी) के रूप में । इतो के उजागर क्षेत्र खोदना करने के लिए 15 मिनट के लिए हाइड्रोक्लोरिक एसिड में इतो रखो ।
  2. टेप निकालें और एक sonicator का उपयोग कर नमूना साफ; sonicate के साथ (DI) पानी, एसीटोन, इथेनॉल, और isopropanol में 30 मिनट के लिए प्रत्येक के लिए बारी । ब्लो-ड्राई एक संकुचित नाइट्रोजन बंदूक के साथ नमूनों इतो ।
  3. टेप द्वारा सब्सट्रेट धारक पर साफ नमूनों इतो सब्सट्रेट देते हैं, और आरएफ sputtering प्रणाली के मुख्य चैंबर में धारक लोड । पर्यावरण शुद्धता सुनिश्चित करने के लिए यांत्रिक और प्रसार पंप के माध्यम से 4 एक्स 10-6 torr नीचे करने के लिए चैंबर दबाव पंप ।
  4. मुख्य चैंबर में शुद्ध आर्गन गैस (फ्लो दर: 30 sccm) डालें और 1 mtorr पर चैंबर के दबाव को बनाए रखने के लिए पंप को नियंत्रित करें ।
  5. डाइज बीज परतें आरएफ (१३.५६ MHz) sputtering पद्धति का उपयोग कर, रिपोर्ट की गई विधि13के आधार पर तैयार करें । आयाम डाइज में एक परिपत्र 2 का प्रयोग करें (2 wt% अल2हे3 में जिंग) सिरेमिक लक्ष्य उंहें पूर्व साफ इतो ग्लास सब्सट्रेट पर जमा करने के लिए । 10 सेमी पर लक्ष्य-से-सब्सट्रेट दूरी रखें ।
  6. ४० W पर जमाव के दौरान 1 mtorr और आरएफ पावर पर काम कर दबाव बनाए रखें । कमरे के तापमान पर सब्सट्रेट तापमान नियंत्रित करते हैं । डाइज पतली फिल्म जमा करने के लिए क्रमशः १८७ वी और 4 एनएम/मिनट के लिए लागू डीसी पूर्वाग्रह और जमाव दर निर्धारित करें । डाइज बीज परत की मोटाई ४० समुद्री मील की दूर क्वार्ट्ज क्रिस्टल मोटाई मॉनिटर के आधार पर नियंत्रित किया जाना चाहिए ।
  7. कक्ष में 30 डिग्री सेल्सियस के लिए नीचे नमूना ठंडा करने के बाद, पंप बंद कर देते हैं और मुख्य चैंबर में नाइट्रोजन गैस डालने जब तक चैंबर खोला जा सकता है. सब्सट्रेट धारक से नमूना निकालें ।

2. सोल-जेल संसाधित इतो सब्सट्रेट पर जिंग बीज परत की वृद्धि

  1. सोल-जेल स्पिन कोटिंग विधि14द्वारा patterned इतो सब्सट्रेट पर जिंग बीज परत जमा । जिंक एसीटेट डाईहाइड्रेट, 2-methoxethanol, और monoethanolamine (मेे) क्रमशः प्रारंभिक सामग्री, विलायक, और स्थिरता के रूप में उपयोग किया जाता है ।
    1. जस्ता एसीटेट डाईहाइड्रेट (४.३९ ग्राम) 2-methoxethanol (४० मिलीलीटर) और मेे (१.२२ ग्राम) के मिश्रण में ०.५ एम के जस्ता एसीटेट एकाग्रता प्राप्त करने के लिए भंग ।
    2. 2 एच के लिए ६० डिग्री सेल्सियस पर परिणामी मिश्रण हिलाओ । सोल एक स्पष्ट और पारदर्शी सजातीय समाधान फार्म के लिए 12 घंटे के लिए बैठते हैं ।
    3. पर जिंग बीज परत जमा साफ इतो नमूनों ग्लास सब्सट्रेट स्पिन कोटिंग विधि का उपयोग कर । सब्सट्रेट पर ०.१ एमएल सोल जेल समाधान जोड़ें और एक स्पिन कोट का उपयोग कर 30 एस के लिए ३,००० rpm पर घुमाएं ।
    4. स्पिन कोटिंग के बाद, एक गर्म थाली पर 30 मिनट के लिए २०० ° c पर फिल्म सूखी विलायक लुप्त हो जाना और कार्बनिक अवशेषों को दूर करने के लिए अनुमति देते हैं । जिंग सीड लेयर की मोटाई ४० एनएम14के आसपास होनी चाहिए ।

3. एक बीज परत पर जिंग NR सरणी के विकास

  1. जलतापीय विधि का उपयोग कर जिंग NR सरणी बढ़ाएँ.
    1. मिक्स १.४९ जी जिंक नाइट्रेट hexahydrate (Zn (NO3)2· 6H2ओ) और ०.७ ग्राम hexamethylenetetramine (एचएमटी) (सी6एच12एन4) में १०० एमएल डि पानी । 30 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर परिणामी मिश्रण हिलाओ ।
    2. कवर ग्लास टेप का उपयोग करने के लिए जिंग सोल-जेल नमूनों के साथ डाइज sputtered बीज परत के इतो पक्ष संलग्न करें । नमूने एक ५० मिलीलीटर में डाल शंकु ट्यूब Zn के ५० मिलीलीटर समाधान से भरा (कोई3)2· 6H2ओ और एचएमटी ।
    3. वृद्धि के दौरान, नीचे का सामना करना पड़ स्पिन लेपित नमूनों के साथ एक प्रयोगशाला ओवन में क्षैतिज बिछाने, और ९० मिनट के लिए ९० डिग्री सेल्सियस पर तापमान बनाए रखने के द्वारा...
    4. वृद्धि की अवधि के अंत में, समाधान से सब्सट्रेट निकालें और तुरंत के लिए बारी में DI पानी और इथेनॉल के साथ नमूना सतह कुल्ला (दो धोने की बोतलों के अंदर) 1 मिनट के लिए प्रत्येक सतह से अवशिष्ट नमक को हटाने के लिए । झटका-एक संपीड़ित नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर नमूना और 10 मिनट के लिए २५० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर सेंकना ।

4. निर्माण और उल्टे छोटे अणु सौर कोशिकाओं का मापन

  1. glovebox में एक स्पिन कोट पर जिंग NR सरणी के साथ इतो सब्सट्रेट लोड. मिश्रण टोल्यूनि के 1 मिलीलीटर SMPV1 के 15 मिलीग्राम और ११.२५ पीसी के मिलीग्राम७१बीएम । ०.१ मिलीलीटर समाधान जोड़ें, ४० एस के लिए २,००० rpm पर नमूना स्पिन एक स्पिन कोट का उपयोग कर, और यह ऐनी 2 मिनट के लिए ६० ° c पर ।
  2. एनीलिंग प्रक्रिया के बाद, एक थर्मल वाष्पीकरण प्रणाली में सब्सट्रेट जगह है । वैक्यूम चैंबर शुरू में एक यांत्रिक पंप का उपयोग कर पंप जब तक दबाव 4 x 10-2 torr तक पहुंच जाता है, तो एक टर्बो पंप करने के लिए स्विच करने के लिए परिवेश दबाव < 4 x 10-6 torr ।
  3. ०.१ एनएम/एस के एक बयान दर पर मू3 परत जमा १.० के एक Z अनुपात के साथ एक प्रतिरोधक मोलिब्डेनम नाव में मू3 पाउडर और १०५ a के एक इनपुट वर्तमान ताप द्वारा । एक प्रतिरोधक टी में हीटिंग सिल्वर पिंड द्वारा ०.५ एनएम/एस की एक जमाव दर पर एजी परत जमा एक Z के साथ ungsten नाव ०.५२९ के अनुपात और १९० a के एक इनपुट वर्तमान प्रणाली वाष्पीकरण की प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल वाष्पीकरण दर मॉनिटर शामिल करना चाहिए । मू3 और एजी परतों की मोटाई 5 और १५० एनएम, क्रमशः क्वार्ट्ज क्रिस्टल मोटाई मॉनिटर के आधार पर नियंत्रित किया जाना चाहिए ।
  4. कक्ष में 30 डिग्री सेल्सियस के लिए नीचे नमूना ठंडा करने के बाद, पंप बंद कर देते हैं, और चैंबर में नाइट्रोजन गैस डालें जब तक चैंबर खोला जा सकता है । सब्सट्रेट धारक से नमूना निकालें और glovebox में नमूना लोड ।
  5. सौर सिंयुलेटर प्रणाली खोलो और 20 मिनट प्रतीक्षा जब तक प्रणाली के प्रकाश स्रोत स्थिर है । एक एयर मास १.५ ग्लोबल (AM 1.5 g) फ़िल्टर का उपयोग कर एक सौर सिम्युलेटर से १०० मेगावाट/cm2 पर नमूना रोशन करें । इसके साथ ही, विश्लेषक का उपयोग करने के लिए-1 वी से डिवाइस स्वीप करने के लिए + 1 v वर्तमान घनत्व वोल्टेज (J-v) वक्र14,15प्राप्त करने के लिए ।

5. लक्षण वर्णन तकनीक

  1. डाइज sputtered बीज परत और जिंग सोल-जेल संसाधित बीज परत पर जिंग एनआरएस की संरचनाओं का अध्ययन करने के लिए एक घन Kα स्रोत के साथ एक्स-रे विवर्तन measurment16 प्रदर्शन । स्कैन गति 1 ° लैंडलाइंस होना चाहिए, और स्कैन श्रेणी 10-90 ° (2θ) होना चाहिए ।
  2. 10 केवी पर ऑपरेटिंग वोल्टेज की स्थापना करके क्षेत्र उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी17 द्वारा नमूनों की सतह आकृति विज्ञान और क्रॉस-अनुभागीय छवि की विशेषता ।
  3. माइक्रो photoluminescence (PL) स्पेक्ट्रा एक ३२५ एनएम का उपयोग कर नमूने के सभी प्राप्त करें वह सीडी CW लेजर (20 मेगावाट) के साथ उत्तेजना स्रोत के रूप में एक २,४०० खांचे/mm backscattering ज्यामिति में कसा हुआ । AllPL माप18 कमरे के तापमान पर किया जाना चाहिए ।

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Representative Results

उपकरणों की स्तरित संरचना एक इतो सब्सट्रेट/डाइज (४० एनएम)/ZnO एनआरएस परत, SMPV1: पीसी७१बीएम (८० एनएम)/MoO3 (5 एनएम)/Ag (१५० एनएम) के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया । सामांय में, डाइज या जिंग बीज परत व्यापक रूप से पीएससी उपकरणों में इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (ETL) के रूप में कार्य करने के लिए प्रयोग किया जाता है । पीएससी के अलावा, एसएम-OPVs आम तौर पर एक छोटे सक्रिय परत है, छोटे प्रसार लंबाई8द्वारा सीमित है । इसलिए, उपकरणों की प्रकाश संचयन क्षमता में सुधार करने के लिए, जिंग एनआरएस परत को बीज परत पर उगाया जा करने के लिए पेश किया जाता है, घटना प्रकाश के संग्रह को बढ़ाने के लिए एक विरोधी प्रतिबिंब परत के रूप में काम करने के लिए, और वाहक के लिए इंटरफेस क्षेत्र में वृद्धि करने के लिए एक ही समय में12,14संग्रह ।

भूतल आकृति विज्ञान और बीज परत की किसी न किसी एक महत्वपूर्ण प्रभाव NR arrays के उंमुखीकरण पर है । sputtering विधि और सोल-जेल विधि के आधार पर बीज परत का चित्र 2a और चित्र b बी areAFM छवियां क्रमशः । सोल-जेल संसाधित बीज परत की सतह आकृति विज्ञान के लिए न केवल उच्च किसी न किसी प्रदर्शन को देखा जा सकता है, लेकिन यह भी एक प्राकृतिक रिज पैटर्न के रूप में । एक परिणाम के रूप में, NR arrays के उंमुखीकरण सोल-जेल प्रसंस्कृत परत पर हो sputtering तकनीक का उपयोग बढ़ परतों से ज्यादा किसी न किसी हो जाएगा । चित्र 2c और चित्र 2d sputtered बीज परत और सोल-जेल संसाधित बीज परत पर क्रमशः NR arrays के स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) छवियों को दिखाते हैं । जाहिर है, sputtered डाइज परत पर उगाया NR arrays के उन्मुखीकरण सोल-जेल प्रसंस्कृत जिंग परत पर हो उन से बेहतर होने के लिए मनाया जा सकता है ।

SEM छवियों के अलावा, आगे nr arrays के उन्मुखीकरण का अनुमान लगाने के लिए, XRD विश्लेषण (चित्रा 3) अभिविन्यास और nr arrays के क्रिस्टलीकरण की पहचान करने के लिए प्रयोग किया जाता है. एक सोल-जेल प्रसंस्कृत बीज परत पर हो एनआरएस के XRD स्पेक्ट्रा के साथ तुलना में, एक sputtered बीज परत पर आधारित NR arrays के स्पेक्ट्रा ३४.५ डिग्री पर एक अपेक्षाकृत मजबूत चोटी दिखाने के लिए, यह दर्शाता है कि न केवल अभिविन्यास लेकिन यह भी जिंग NR arrays के क्रिस्टलीकरण मैं एस सोल-जेल प्रक्रिया परत पर से sputtered परत पर बेहतर है ।

साथ ही बीज परत के XRD माप के µ-पीएल स्पेक्ट्रा की एनआरएस भी मापी जाती है । चित्रा 4 अलग जमाव तरीकों के साथ NR arrays के PL स्पेक्ट्रा से पता चलता है । ३८५ एनएम पर उत्सर्जन चरम excitonic पुनर्संयोजन19से उत्पंन होती है । दूसरी ओर, स्पेक्ट्रा के ग्रीन उत्सर्जन ऑक्सीजन रिक्तियों (आंतरिक दोष) से आता है, फिर इसका मतलब है कि sputtered परत की फिल्म गुणवत्ता सोल-जेल विधि द्वारा बनाई गई फिल्म की गुणवत्ता से बेहतर है । यह देखा जा सकता है कि sputtered डाइज पर जिंग एनआरएस के PL स्पेक्ट्रा सोल पर जिंग एनआरएस की तुलना में ३८५ एनएम पर एक काफी कमजोर चोटी से पता चलता है-जेल जिंग । इस महत्वपूर्ण PL शमन sputtered डाइज बीज परत पर जिंग NR सरणी में होता है, जिसका अर्थ है कि डाइज बीज परत बेहतर exciton पृथक्करण और चार्ज जुदाई की क्षमता से जिंग सोल-जेल बीज परत की है । परिणामों से पता चलता है कि sputtering प्रक्रिया के आधार पर डाइज/जिंग एनआरएस परत के समाधान की प्रक्रिया पर आधारित है कि तुलना में एक बेहतर इलेक्ट्रॉन परिवहन परत प्रतीत होता है ।

चित्रा 5 एक sputtered डाइज बीज परत और एक सोल जेल संसाधित जिंग बीज परत के साथ उपकरणों के J-V विशेषताओं से पता चलता है । शॉर्ट सर्किट वर्तमान जंमूअनुसूचित जाति, खुले सर्किट वोल्टेज वीओसी, एफएफ, और PCE से प्राप्त किया जा सकता है j-V curves । एक sputtered बीज परत के साथ उपकरणों का प्रदर्शन जंमूअनुसूचित जाति के ११.९६ mA/०.८७ वी के वीoc , ५७.८% के एफएफ, और ६.०१% है, जो सोल-जेल प्रसंस्कृत से बेहतर है PCE के जेअनुसूचित जाति के साथ के १०.०१ mA/cm2, voc के ०.८८ वी , ५३.८% के एफएफ, और ४.७४% की PCE ।

तालिका 1 विभिंन बीज परतों वाले डिवाइसेज़ का प्रदर्शन दिखाता है । sputtered बीज परत का उपयोग करके, अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग NR ETL का गठन किया जा सकता है, और इस तरह न केवल अवशोषण लेकिन यह भी वाहक संग्रह क्षमता बढ़ाया जा सकता है । एक परिणाम के रूप में, सोल-जेल प्रसंस्कृत उपकरणों के साथ तुलना में, एक sputtered बीज परत प्रदर्शनी के साथ उपकरणों उच्च जंमूअनुसूचित जाति के मूल्य (११.९६ mA/cm2) और बेहतर एफएफ मूल्य (५७.८%), के रूप में तालिका 1में दिखाया गया है ।

Figure 1
चित्रा 1: उल्टे छोटे अणु सौर सेल संरचना के योजनाबद्ध आरेख । इतो सब्सट्रेट/डाइज (४० एनएम)/ZnO एनआरएस परत, SMPV1: पीसी७१बीएम (८० एनएम)/MoO3 (5 एनएम)/Ag (१५० एनएम) के शामिल उपकरणों की स्तरित संरचना । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: AFM और SEM NR सरणी की छवियां । AFM छवियां की जिंग NR सरणी पर उगाया (a) एक sputtered डाइज बीज परत और (b) एक सोल-जेल संसाधित जिंग बीज परत; SEM ऊपर-देखें छवियां की जिंग NR सरणी पर बड़े हो (c) एक sputtered डाइज बीज परत और (d) एक सोल-जेल संसाधित जिंग बीज परत । भूतल आकृति विज्ञान और जिंग एनआरएस परत की असहजता AFM और SEM छवियों के माध्यम से मनाया जा सकता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: XRD स्पेक्ट्रा जिंग NR सरणी के. जिंग NR सरणी के XRD पैटर्न एक sputtered डाइज बीज परत और एक सोल जेल संसाधित जिंग बीज परत पर उगाया । अभिविंयास और एनआरएस के क्रिस्टलीकरण XRD स्पेक्ट्रा द्वारा पहचाना जा सकता है । जिंग NR सरणी के विभिन्न बीज परतों पर उगाया लगभग एक ही अभिविन्यास (002) दर्शाती है. sputtered डाइज बीज परत पर एनआरएस के लिए (002) चोटी की ताकत है कि सोल-जेल संसाधित जिंग बीज परत पर से मजबूत है, खुलासा है कि sputtered डाइज बीज परत पर जिंग एनआरएस (002) धुरी के साथ बेहतर ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास दर्शाती है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: डाइज और जिंग बीज परत के पीएल स्पेक्ट्रा. एक sputtered डाइज बीज परत और सोल जेल संसाधित जिंग बीज परत के PL स्पेक्ट्रा । दोष और एनआरएस के exciton पृथक्करण क्षमता PL स्पेक्ट्रा द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है । ३८५ एनएम पर उत्सर्जन पीक excitonic पुनर्संयोजन से होता है और स्पेक्ट्रा के ग्रीन उत्सर्जन जिंग NR सरणी के ऑक्सीजन रिक्तियों से आता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: विभिन्न बीज परतों के साथ उपकरणों की J-V वक्र. एक sputtered डाइज बीज परत और एक सोल जेल संसाधित जिंग बीज परत के साथ रोशनी के तहत उपकरणों के J-V विशेषताओं । सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन से प्राप्त किया जा सकता है J-V curves14। कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

उपकरणों voc (v) Jsc (एमए/ एफएफ (%) PCE (%)
Sputtering बीज परत ०.८७ ११.९६ ५७.८ ६.०१
सोल-जेल संसाधित बीज परत ०.८८ १०.०१ ५३.८ ४.७४

तालिका 1: विभिन्न बीज परतों वाले डिवाइस का प्रदर्शन. कम सर्किट वर्तमान, खुले सर्किट वोल्टेज, भरण फैक्टर सहित J-V curves से व्युत्पंन उपकरणों के प्रदर्शन का एक सारांश, और बिजली रूपांतरण दक्षता

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Discussion

एनआरएस की परत का उपयोग करके, दोनों जंमूअनुसूचित जाति और उपकरणों के एफएफ सुधार किया जा सकता है । हालांकि, एनआरएस की सतह किसी भी बाद की प्रक्रियाओं को प्रभावित करेगा । इस प्रकार, अभिविंयास और एनआरएस की सतह आकृति विज्ञान सावधानी से हेरफेर किया जाना चाहिए । एक लंबे समय के लिए, सोल-जेल ऐसी TiO2 और जिंग के रूप में संसाधित ETL सामांयतः पीएससी में उनके सरल प्रक्रियाओं के कारण इस्तेमाल किया गया । हालांकि, सोल-जेल प्रसंस्कृत परतों के क्रिस्टलीकरण को अमली प्रकार से आम तौर पर होता है, और परतों की सतह आकृति विज्ञान मामलों के बहुमत में किसी न किसी है । इसलिए, इस अध्ययन में, बीज परत की फिल्म की गुणवत्ता को ठीक नियंत्रण करने के लिए, sputtered बीज परत सोल-जेल संसाधित बीज परत की जगह चुना गया है । sputtered डाइज सीड लेयर पर उगाई गई जिंग एनआरएस भी बेहतर वर्टिकल संरेखण दिखाती है, जो बाद की प्रक्रियाओं के लिए फायदेमंद है । यह उल्लेखनीय है कि एनआरएस वृद्धि की प्रक्रिया के अंत में, एनआरएस पर अवशिष्ट पूर्ववर्ती विलायक को हटा दिया जाना चाहिए, और इस प्रकार नमूने को पूरी तरह से अवशिष्ट विलायक सूख सुनिश्चित करने के लिए गर्म प्लेट पर बेक किया जाना चाहिए । इसके अलावा, सतह आकृति विज्ञान बदलने एनीलिंग प्रभाव से बचने के लिए, सुखाने का तापमान २५० डिग्री सेल्सियस पर सेट है, जो जिंग के क्रिस्टलीकरण तापमान के नीचे है ।

सामांय में, सेव्य उपकरणों के परिवहन परत वाहक संग्रह और सौर कोशिकाओं के परिवहन पर हावी है । नतीजतन, परिवहन परतों की गतिशीलता में सुधार बहुत महत्वपूर्ण है9. सोल-जेल प्रसंस्कृत फिल्म के विपरीत, आरएफ शक्ति, जमाव तापमान, और डाइज लक्ष्य के डोपिंग एकाग्रता का समायोजन करके, sputtered डाइज बीज परत फिल्म उच्च क्रिस्टलीकरण और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता बनाए रख सकते हैं ।

यहां तक कि इस निर्माण प्रक्रिया के विभिंन वातावरण या शर्तों के तहत, यह अभी भी प्रयोग के परिणामों को दोहराने के लिए आसान है । जब तक बीज परत की फिल्म गुणवत्ता अच्छी तरह से नियंत्रित है, अच्छी तरह से संरेखित खड़ी उंमुख जिंग NR सरणी आसानी से प्राप्त किया जा सकता है ।

हालांकि जिंग nr सरणी OPVs में ETL के रूप में कार्य करने के लिए महान क्षमता से पता चलता है, जिंग NR सरणी के पत्रक प्रतिरोध अभी भी अधिक है. इसलिए, जिंग NR arrays इतो की जगह नहीं है और इतो या अंय अनुप्रयोगों के दौरान पारदर्शी इलेक्ट्रोड के साथ संगत होने की जरूरत है ।

एसएम-OPVs में ETL के रूप में कार्य करने के अलावा, अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग NR arrays एक कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (OLED) में एक विरोधी प्रतिबिंब परत के रूप में काम करने के लिए प्रकाश उत्सर्जन में वृद्धि कर सकते है20। इसके अलावा, प्रदीप्ति अनुप्रयोगों के लिए, यह एक दाता के रूप में कार्य करने के लिए छेद के साथ गठबंधन के लिए एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य21के प्रकाश का उत्सर्जन कर सकते हैं । नतीजतन, हम मानते है कि उच्च गुणवत्ता sputtered डाइज फिल्म और अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग NR arrays भविष्य में optoelectronics उद्योग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभानी होगी ।

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Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgments

अनुबंध सं के तहत इस शोध के वित्तीय समर्थन के लिए लेखकों ने राष्ट्रीय विज्ञान परिषद चीन का शुक्रिया अदा करना चाहूंगा । सबसे अधिक 106-2221-ई-239-035, और सबसे 106-2119-एम-033-00 ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AZO target Ultimate Materials Technology Co., Ltd. none AZO (2 wt% Al2O3 in ZnO) , 3”ψx 3mmt
+ 3mmt Cu B/P + Bonding
SMPV1 Luminescence Technology Corp. 1651168-29-4 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
RF sputtering system Kao Duen Technology Co., Ltd none http://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
Zinc Acetate Dihydrate J. T. Baker 5970456 4.39 g
Monoethanolamine J. T. Baker 141435 1.22 g
2-methoxyethanol Sigma-Aldrich 109864 40 mL
Zinc Nitrate Hexahydrate J. T. Baker 10196186 1.49 g
Hexamethylenetetramine Sigma-Aldrich 100-97-0 0.7 g
Indium tin oxide (ITO) RiTdisplay none coated glass substrates (<10 Ω sq–1)
AFM Veeco Innova SPM
SEM FEI Nova 200 NanoSEM operation voltage: 10 kV
XRD Bruker D8 X-ray diffractometer 2θ range: 10–90 °; step size: 0.008 °
PL Horiba Jobin-Yvon HR800 excitation source: 325 nm UV Laser 20 mW
solar simulator Newport 91192A AM 1.5G
Precision Semiconductor Parameter Analyzer Keysight Technologies Agilent 4156C sweep from -1 to +1 V
toluene Sigma-Aldrich 108-88-3 1 mL
PC71BM Sigma-Aldrich 609771-63-3 11.25 mg
Thermal evaporation system Kao Duen Technology Co., Ltd Kao Duen PVD System http://www.kaoduen.com.tw/index.php?action=product
HCl Sigma-Aldrich 7647-01-0
MoO3 Alfa Aesar 1313-27-5 99.50%
silver ingot ADMAT Inc. none 100.00%
Thin Film Deposition Controller INFICON XTC
anti-corrosion tape (Polyimide Film) 3M Taiwan Corporation none http://solutions.3m.com.tw/wps/portal/3M/zh_TW/InsulatingTape/home/product/Polyimide/
spin-coater Chemat Technology, Inc KW-4A http://www.chemat.com/chematscientific/KW-4A.aspx

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References

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  21. Lee, C. Y., et al. White-light electroluminescence from ZnO nanorods/polyfluorene by solution-based growth. Nanotechology. 20 (42), (2009).

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इंजीनियरिंग अंक १३४ जिंग nanorod arrays डाइज जिंग छोटे अणु औंधा सौर कोशिकाओं सोल-जेल sputtered
अच्छी तरह से गठबंधन खड़ी उंमुख जिंग Nanorod arrays और उल्टे छोटे अणु सौर कोशिकाओं में उनके आवेदन
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Lin, M. Y., Wu, S. H., Hsiao, L. J., … More

Lin, M. Y., Wu, S. H., Hsiao, L. J., Budiawan, W., Chen, S. L., Tu, W. C., Lee, C. Y., Chang, Y. C., Chu, C. W. Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells. J. Vis. Exp. (134), e56149, doi:10.3791/56149 (2018).

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