Summary
本稿では、設計および高品質 Al ドープ ZnO (AZO) シード層上に成長した ZnO ナノロッド (陸) の効率的な逆 SMPV1:PC71BM 太陽電池を作製する方法をについて説明します。縦方向に ZnO 陸展示高結晶性、配向。太陽電池の電力変換効率は、6.01% に達することができます。
Abstract
この原稿は、設計および二次元共役小分子 (SMPV1) に基づく効率的な反転した太陽電池を作製する方法をについて説明しますと [6,6] - フェニル - C71-ZnO ナノロッド (NRs) を用いた酪酸メチル ・ エステル (PC71BM)、高品質 Al ドープ ZnO (AZO) シード層上に成長しました。両方スパッタとゾル-ゲル加工アゾ シード層成長 ZnO 陸と逆 SMPV1:PC71BM 太陽電池を作製しました。ゾル-ゲル法により作製した AZO 薄膜と比較して作製した AZO 薄膜の展示より結晶化と x 線回折 (XRD)、原子間力顕微鏡 (AFM) 測定によると、下部の表面粗さ。スパッタ アゾ シード層上に成長した ZnO 陸の方向より良い表面形態を形成、その後能動層の堆積のために有益であるより垂直方向の配置を示しています。一般的に、アクティブなレイヤーの表面の形態は主にデバイスの fill factor の値 (FF) を支配します。その結果、配向 ZnO 陸は、活性層のキャリアのコレクションを改善するために、太陽電池の FF を増加する使用できます。また、反射防止構造としてこの 6.01%、4.74 の効率の太陽電池を用いたゾル-ゲルよりも高いに達した太陽電池の電力変換効率 (PCE) に吸収層の光の収穫を高めるためにも利用することができます。%.
Introduction
有機太陽光発電 (OPV) デバイスは最近再生可能エネルギー アプリケーションの著しい発展を受けています。このような有機デバイス互換性ソリューション プロセス、低コスト、軽量、柔軟性、等1,2,3,4、5 、今までを含めて多くの利点があります。10% 以上の PCE のポリマー太陽電池 (Psc) は、PC71BM6配合導電性高分子を用いて開発されています。Psc のポリマー系と比較して、小さな分子に基づく OPVs (SM OPVs) 注目を集めているより明確に定義された化学構造、簡易合成と精製を含む彼らのいくつかのメリットのため OPVs を製造するとき、一般的に高い開回路電圧 (Voc)7,8,9。現時点では、2 D 構造共役分子 SMPV1 (2,6-Bis[2,5-bis(3-octylrhodanine)-(3,3-dioctyl-2,2':5,2 ' BDT t-terthiophene)]-4,8-bis((5-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) (ベンゾ [1, 2-b:4, 5 b']ナフトジチオフェン誘導) コアユニットと 3-octylrodanine 電子エンド グループ10 PC71BM 有望な持続可能な OPVs アプリケーションのために設計され、使用ブレンドをされています。従来の小さい分子太陽電池 (SM OPVs) を PC71BM 配合 SMPV1 に基づいての PCE 8.010,11以上に達しています。
過去には、Psc 強化できアクティブな層の厚さを調整することによって単に最適化します。ただし、Psc とは異なり SM OPVs は一般に短い拡散の長さは、アクティブなレイヤーの厚さを大幅に制限をあります。したがって、SM OPVs の短い電流密度 (Jsc) を増やす、ナノ構造12または陸9を利用した SM OPVs の光吸収を改善するために必要となった。
これらのメソッドの間で反射防止陸構造は一般に波長の広い範囲にわたってアクティブなレイヤーの集光の効果的ですしたがって、整列垂直配向酸化亜鉛 (ZnO) 陸を成長する方法を知ることは非常に重要です。ZnO 陸層以下シード層の表面粗さは、NR 配列の方向に大きな影響したがって、配向の NRs を預金するためにシード層の結晶化は正確に制御された9をする必要があります。
この作業で無線周波数 (RF) スパッタ法による AZO 薄膜が楽しめます。他の技術と比較して、それを産業に譲渡することは、効率的な技術、高純度、均一な滑らかで、自己持続可能な AZO 薄膜の成長合成を可能にする信頼性の高い蒸着法知られている RF スパッタリング法大面積表面。RF スパッタ成膜を利用した表面の粗さの減少高結晶化を示す高品質 AZO 薄膜の形成可能。 にします。したがって、その後の成長層の NRs の向きは高配向、ゾル-ゲル法により作製した ZnO 薄膜と比較されたときはなおさら。この手法を使用して、整列垂直配向 ZnO NR 配列に基づいて逆の小分子太陽電池の PCE は 6.01% に達することができます。
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Protocol
ITO 基板上に AZO スパッタ シード層の成長
- 4 防錆テープ部分 (0.3 × 1.5 cm) を (1.5 × 1.5 cm) 正方形にインジウムの錫の酸化物 (ITO) 基板の一方の側にこだわる。伊東を伊藤の露出部をエッチングする 15 分の塩酸に入れ。
- テープを取り除き、超音波発生装置; を使用してサンプルを清掃超音波脱イオン (DI) 水、アセトン、エタノール、イソプロパノール 30 分の順番で。圧縮窒素銃を持つパターンの伊藤をブロードライします。
- テープ、基板ホルダーに洗浄パターン ITO 基板を接続し、RF スパッタ装置の主室にホルダーを読み込みます。機械を介して 4 x 10-6 torr と環境の純度を確保するための拡散ポンプの下に燃焼室の圧力をポンプします。
- 純粋なアルゴンのガスを挿入 (流量: 30 sccm) 主室と制御室 1 mtorr の圧力を維持するためにポンプに。
- スパッタ法、報告方法13に基づく RF (13.56 MHz) を使用してアゾ シード層を準備します。円形の 2 のディメンション アゾを使用して事前にクリーンアップされた ITO ガラス基板上に入金する (2 wt % Al2O3 ZnO) セラミック ターゲット。ターゲット-基板間距離を 10 cm にしてください。
- 堆積時 1 mtorr 作動圧力と 40 W の RF 電力を維持します。常温で基板温度を制御します。DC バイアス電圧と 187 V に成膜速度と 4 nm/分、AZO 薄膜の堆積にそれぞれ設定します。アゾ シード層の厚さは 40 で制御されるべき水晶膜厚モニターに基づいて nm。
- サンプルは、商工会議所での 30 ° C まで冷却し後、は、ポンプを切り、商工会議所を開くことができますまで、主室に窒素ガスを挿入します。基板ホルダーからサンプルを削除します。
2 ゾル-ゲルの成長処理 ITO 基板上 ZnO シード層
- ゾル-ゲル スピンコート法14パターン ITO 基板上 ZnO シード層を預託します。亜鉛アセテート二水和物、2-methoxethanol、モノエタノールアミン (MEA) は、それぞれ開始材料、溶剤、そして尾翼として使用されます。
- 2-methoxethanol (40 mL) と亜鉛 0.5 M 酢酸濃度を取得する MEA (1.22 g) の混合物で亜鉛アセテート二水和物 (4.39 g) を解散します。
- 60 ° C 2 時間で得られた混合物をかき混ぜなさい。明確かつ透明な均一溶液を形成するために 12 時間座るソルをしましょう。
- スピン コーティング法を用いた洗浄パターン ITO ガラス基板上 ZnO シード層を入金します。基板上にゾル-ゲル溶液を 0.1 mL を追加し、30 の 3,000 rpm で回転するスピン塗布装置を使用して s います。
- スピン コーティング後溶剤が蒸発し、有機残基を削除できるようにホット プレート上で 30 分の 200 ° C でフィルムを乾燥します。ZnO シード層の厚さは約 40 nm14をする必要があります。
3. シード層上の ZnO NR 配列の成長
- 水熱合成法を用いた ZnO NR 配列を拡張します。
- ミックス 1.49 g 亜鉛硝酸 (Zn (3)2·6H2O) と 0.7 g ヘキサメチレンテトラミン (HMT) (C6H12N4) 水 100 mL ・ ディ ・中。30 分間室温で得られた混合物をかき混ぜなさい。
- テープを使用してカバーガラスに ZnO のゾル-ゲル サンプル AZO スパッタ シード層の伊東側を接続します。ポリプロピレンの円錐管は、O、HMT は Zn (3)2·6H2の 50 mL の溶液でいっぱい 50 mL のサンプルを置きます。
- 成長中、下向きスピン コーティング サンプルと実験室のオーブンで水平方向にそれを置くことによってポリプロピレン円錐管を熱し、90 分の 90 ° c 温度を維持します。
- 成長期の終わりには、基板をソリューションから削除し、すぐに純水と表面からの残留塩を削除する各 1 分の順番 (内 2 つの洗浄ボトル) エタノール試料表面をすすぎ。圧縮窒素銃を使用してサンプルをブロードライ、250 ° C 10 分のホット プレートで焼きます。
4. 作製と倒立の小分子太陽電池の測定
- グローブ ボックス内のスピンコーターに ZnO NR 配列と ITO 基板をロードします。ミックス トルエン SMPV1 の PC71点追加 11.25 mg 15 mg を含有 1 mL の 0.1 mL の溶液、40 の 2,000 rpm でサンプルをスピン s スピン塗布装置を使用して、2 分の 60 ° C でアニールします。
- アニール処理後の熱蒸発システム基板を配置します。ポンプ圧力に達する 4 × 10-2 torr、ターボにスイッチまで当初機械式ポンプを使用して真空ポンプ圧 < 4 x 10-6 torr を作る。
- 0.1 nm/秒 1.0 Z 比と 105 の入力電流と抵抗のモリブデン ボートで MoO3粉末を加熱することによって成膜速度で堆積 MoO3層 A. 預金 Ag 層 0.5 nm/秒の速成抵抗 t で暖房銀インゴットで0.529 の Z 比率と 190 a. の入力電流 ungsten ボートシステムは、蒸発プロセスを制御する、水晶振動子の蒸着率モニターを含める必要があります。MoO3 Ag 層の厚さを制御すると、5 〜 150 nm、それぞれ水晶膜厚モニターに基づく必要があります。
- サンプルは、商工会議所での 30 ° C まで冷却し後、は、ポンプを切り、商工会議所を開くことができますまで、商工会議所に窒素ガスを挿入します。基板ホルダーからサンプルを削除し、グローブ ボックスにサンプルをロードします。
- 太陽光シミュレータ システムを開き、システムの光源が安定するまでに 20 分を待機します。気団 1.5 グローバル (午前 1.5) を用いた太陽光シミュレータから 100 mW/cm2でのサンプルを照らすフィルター。同時に、+1 V 電流密度-電圧 (J V) カーブ14,15を取得するのにに-1 V からデバイスを掃引するのにアナライザーを使用します。
5. 解析技術
- ZnO ゾル-ゲル処理シード層の AZO スパッタ シード層上の ZnO NRs の構造研究に Cu k α ソースと x 線回折測定16を実行します。スキャン速度は、1 °/分をする必要があります、スキャン範囲 10-90 ° (2 θ) をする必要があります。
- 電界放出 10 で動作電圧を設定することによって電子顕微鏡17をスキャン表面形態とサンプルの断面イメージを特徴付ける kV。
- 顕微フォトルミネッ センス (PL) 325 nm の He-cd CW レーザーを使用してサンプルのすべてのスペクトルを取得 (20 mW) 2,400 溝/mm 後方の幾何学の格子を備えた励起ソースとして。AllPL 測定18部屋の温度で行わなければなりません。
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Representative Results
デバイスの階層構造から成っていた伊藤基板/アゾ (40 nm)/陸 ZnO 層、SMPV1:PC71BM (80 nm) MoO3 /(5 nm)/Ag (150 nm)図 1に示すように。一般に、アゾあるいは ZnO シード層は、Psc デバイスにおける電子輸送層 (ETL) として機能する広くされます。Psc、離れて SM OPVs 通常短い拡散長8によって限られた短いアクティブなレイヤーがあります。したがって、デバイスの光捕集機能をさらに向上させるため、ZnO 陸層は入射光のコレクションを強化し、キャリアのインタ フェース面積を増加する反射防止層として動作するように、シード層上に成長させるのに導入します。同じ時間12,14コレクション。
シード層の粗さと表面形態 NR 配列の方向に大きな影響があります。 図 2 aおよびシード層の areAFM 画像を図 2 bはそれぞれスパッタリング法とゾル-ゲル法に基づきます。ゾル-ゲル処理シード層の表面モフォロジー自然リッジ パターンを形成するも展示だけでなく、見られる高い粗さをすることができます。その結果、ゾル-ゲル処理層上に成長した NR 配列の向きは、スパッタ法を用いて成長した層よりはるかにざらざらになります。図 2 c 2 d 図走査型電子顕微鏡 (SEM) 像それぞれスパッタ シード層とゾル-ゲル処理シード層上に成長した NR 配列を表示します。明らかに、スパッタ アゾ層上に成長した NR 配列の向きは、ゾル-ゲル処理 ZnO 層上に成長したものよりも改善することを観察できます。
SEM 画像に加えてさらに NR 配列の方向を推定する、x 線回折分析 (図 3)、向きと NR 配列の結晶化を識別するために使用されます。ゾル-ゲル処理シード層上に成長した陸の XRD スペクトルと比べると、スパッタ シード層に基づいて NR 配列のスペクトル 34.5 ° 方向だけでなく、ZnO NR の結晶が私を配列を示す比較的強いピークを表示します。s 層ゾル-ゲル過程よりもスパッタ層に良い。
シード層の x 線回折測定だけでなく、陸の μ PL スペクトルを測定もします。図 4は、様々 な成膜方法と NR 配列の PL スペクトルを示します。385 で放出ピーク nm 励起子再結合19に由来します。その一方で、スペクトルの緑色の発光は酸素空孔 (固有欠陥)、再びスパッタ層の膜質がゾル-ゲル法により形成した膜の品質よりも優れていることを意味から来ています。それは 385 でスパッタ アゾの ZnO NRs の PL スペクトルがかなり弱いピークを示すことを気づくことができるゾルゲル zno 基板上 ZnO 陸に比べて nm。これでアゾ シード層により励起子解離が含まれていることを意味スパッタ アゾ シード層上の ZnO NR 配列で発生する重要な消光され ZnO ゾル-ゲル シード層より分離機能。結果では、溶液プロセスに基づくより良い電子輸送層をスパッタ プロセスに基づいてアゾ/ZnO 陸レイヤーが表示されることを明らかにします。
図 5は、スパッタのアゾ シード層導入によるデバイスの J V 特性を示しています、ゾル-ゲル処理 ZnO シード層。短絡現在 Jsc、オープン回路電圧 VocFF、および、PCE は、J V 曲線から派生できます。スパッタ シード層導入によるデバイス展示 11.96 mA/cm2の Jsc 、Voc 0.87 V、57.8% の FF とゾル-ゲルよりも優れている 6.01% の PCE の Jsc 10.01 mA/cm2、Voc 0.88 V の太陽電池の処理、53.8%、4.74% の PCE の FF。
表 1は、異なるシード層を持つデバイスのパフォーマンスを示しています。スパッタ シード層を用いた垂直方向の整列の ZnO NR ETL を形作ることができるとそれにより吸収だけでなく、キャリア収集効率を高めることができます。その結果、ゾル-ゲル処理デバイスと比べると、スパッタのシード層を持つデバイス展示高い Jsc値 (11.96 mA/cm2) とより良い FF 値 (57.8%)、表 1に示すように。
図 1: 逆小分子太陽電池構造の概略図。デバイスの階層構造から成っていた基板抵抗 ITO (40 nm)/陸 ZnO 層、SMPV1:PC71BM (80 nm) MoO3 /(5 nm)/Ag (150 nm)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: ZnO NR 配列の AFM および SEM 画像。スパッタ アゾ シード層および (b) ゾル-ゲル (、) 上に成長した ZnO NR 配列の原子間力顕微鏡画像処理 ZnO シード層;スパッタ アゾ シード層とゾル-ゲル (d) (c) 上に成長した ZnO NR 配列 SEM 上部画像は、ZnO シード層を処理されます。表面形態と ZnO 陸層の粗さは、AFM および SEM 画像で観察できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: ZnO NR 配列の x 線回折スペクトル。スパッタ アゾ シード層とゾル-ゲル処理 ZnO シード層上に成長した ZnO NR 配列の x 線回折パターン。方向と NRs の結晶化は、XRD スペクトルによって識別できます。異なるシード層上に成長した ZnO NR 配列はほぼ同じ向き (002) を展示します。スパッタ アゾ シード層上陸 (002) のピークの強度はより強い、ゾル-ゲル処理 zno 基板上シード層、スパッタ アゾ シード層上 ZnO 陸 (002) 軸に沿ってより垂直方向を表わすことを明らかに。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: アゾと ZnO のシード層の PL スペクトル。スパッタ アゾ シード層とゾル-ゲル処理 ZnO シード層の発光スペクトル。PL スペクトルによる欠陥と NRs の励起子解離機能を評価できます。385 で放出ピーク nm 励起子再結合に由来して緑色の発光スペクトルの ZnO NR 配列の酸素欠損に由来します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 異なるシード層を持つデバイスの J V 曲線。J V スパッタ アゾ シード層とゾル-ゲル照明下におけるデバイス特性は、ZnO シード層を処理されます。太陽電池の性能は、J V 曲線14から派生することができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
| デバイス | Voc (V) | Jsc (mA/cm2) | FF (%) | PCE(%) |
| スパッタリングのシード層 | 0.87 | 11.96 | 57.8 | 6.01 |
| ゾル-ゲル処理シード層 | 0.88 | 10.01 | 53.8 | 4.74 |
表 1: 異なるシード層を持つデバイスのパフォーマンス。デバイスの性能の概要は、短絡電流を含む J V 曲線から派生したオープン回路電圧、fill factor や電力変換効率
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Discussion
陸中間層を用いた Jscとデバイスの FF の両方を向上できます。ただし、陸の表面粗さもその後の工程に影響します。したがって、NRs の表面形状および配向を慎重に操作にはなりません。長い時間ゾル-ゲルの ETL 処理 TiO2と ZnO 一般的に使われた Psc での簡単な手続きのためなど。しかし、ゾル-ゲル処理層の結晶化は一般にアモルファス型の層の表面の形態は場合の大半でラフ。したがって、本研究では正確にシード層の膜質を制御するスパッタ シード層選択されているゾル-ゲル処理シード層を交換します。スパッタ アゾ シード層上に成長した ZnO 陸も後続のプロセスのために有益です良いの垂直方向の配置を示します。陸の成長プロセスの最後に、NRs の前駆体の残留溶媒は、削除する必要があり、従ってサンプルは、残留溶媒が完全に乾くようにホット プレートで焼き必要がある注意します。さらに、表面の形態を変更する熱処理の効果を避けるためには、乾燥温度は、zno 薄膜の再結晶温度以下では 250 ° C に設定されます。
一般に、OPV デバイスのトランスポート層キャリア コレクションと太陽電池の輸送を支配します。その結果、トランスポート層の可動性の改善は非常に重要な9です。ゾル-ゲル処理フィルムとは異なり RF パワー、成膜温度を調整し、ドーピング濃度が AZO ターゲットのスパッタ アゾ シード層膜と維持できます高結晶化高電子移動度。
様々 な環境や作製の条件、下でもまだ実験の結果を複製する簡単です。シード層の膜質がよく制御されます限り、垂直方向配向 ZnO NR 配列を簡単に取得できます。
ZnO NR 配列は、OPVs で ETL として機能する大きなポテンシャルを示して、ZnO NR 配列のシート抵抗は依然として高い。したがって、ZnO NR 配列できません、伊藤を置き換えるし、アプリケーションの中には伊藤または他の透明電極に対応する必要があります。
以外の SM OPVs に ETL として機能し、整列垂直配向 ZnO NR 配列も、有機発光ダイオード (OLED) の発光20増加し、反射防止の層として動作できます。また、イルミネーション用21特定の波長の光を放出する穴とを再結合するドナーとして機能できます。その結果、アゾを高品質にスパッタと考えて映画と整列垂直配向 ZnO NR 配列が役割を果たす重要なオプトエレクトロニクス業界で将来的に。
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Disclosures
著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。
Acknowledgments
著者らは契約番号の下でこの研究の支援のため中国の国家科学審議会を感謝したいです。ほとんど 106-2221-E-239-035 とほとんど 106-2119-M-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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