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

L’objectif global de cette expérience est de fabriquer des cellules solaires à hétérojonction en vrac entièrement imprimables et sans fullerène en utilisant des alcoxydes de titane volumineux comme accepteurs d’électrons contrôlant la morphologie. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des cellules solaires à hétérojonction en vrac sur le contrôle de la structure de séparation de phase de la couche photoactive des cellules solaires à hétérojonction hybride organique-inorganique. Le principal avantage de cette technique est qu’elle contrôle la structure de séparation de phase en entravant l’auto-organisation avec des molécules volumineuses sans les limitations de solubilité de la méthode conventionnelle par solvant.

Les implications de cette technique s’étendent à l’obtention d’un rendement global plus élevé des cellules solaires, car les séparations de charges et le transfert de charges se produisent toujours dans la couche active. Ainsi, cette méthode peut fournir un aperçu du système donneur d’électrons PFO-DVT. Il peut également fonctionner avec des polymères semi-conducteurs tels que le P3HT ou le PTV7.

Pour commencer la procédure, à l’aide d’un coupe-verre, coupez un substrat de verre ITO de 1,1 millimètre d’épaisseur en carrés de deux centimètres sur deux centimètres. Identifiez le côté conducteur de chaque carré à l’aide d’un multimètre numérique. Couvrez le côté conducteur de chaque carré avec deux bandes de ruban adhésif, en laissant une zone de deux millimètres sur deux centimètres exposée au centre.

Placez quelques gouttes d’acide chlorhydrique unimolaire sur la zone conductrice exposée de chaque carré. Laissez les carrés reposer pendant trois minutes pour graver une bande dans la couche conductrice. Ensuite, essuyez l’acide chlorhydrique avec un coton-tige et retirez le ruban de masquage.

Placez les carrés dans un récipient en verre et remplissez le récipient d’eau déminéralisée. Placez le récipient dans un bain-marie de nettoyeur à ultrasons. Faites fonctionner le nettoyeur à ultrasons à 42 kilohertz pendant 15 minutes.

Ensuite, nettoyez les carrés à l’acétone et à l’isopropanol pendant 15 minutes chacun. Faites sécher les carrés sous un courant d’air sec. Ensuite, nettoyez les carrés secs dans un nettoyant à l’ozone ultraviolet pendant 30 minutes.

Pour préparer les solutions de précurseurs, dissoudre 0,5 milligramme de PFO-DBT et 1,0 milligramme de l’alcoxyde de titane choisi dans un millilitre de chlorobenzène. Enveloppez le flacon dans du papier d’aluminium pour éviter toute lumière. Chauffez le mélange de précurseurs à 70 degrés Celsius tout en remuant à 700 tr/min.

Remuez le mélange à cette température pendant environ 20 minutes. Une fois que la solution semble claire, laissez-la refroidir à température ambiante. Dissoudre 0,5 milligramme de PFO-DBT et 1,0 milligramme de 60-PCBM dans un millilitre de chlorobenzène comme étalon de référence.

Chauffez, agitez et refroidissez l’étalon de référence dans les mêmes conditions que les précurseurs. Pour préparer un enrobage par centrifugation, préchauffez le précurseur ou la solution de référence sur une plaque chauffante à 70 degrés Celsius tout en remuant à 700 tr/min pendant 10 minutes. Chauffez un carré de substrat en verre ITO gravé sur une plaque chauffante en céramique à 70 degrés pendant cinq minutes.

Ensuite, placez le carré de verre ITO chauffé au centre de l’étage de vide de l’enducteur de centrifugation. Réchauffez ce carré à 70 degrés avec un pistolet thermique, puis allumez la pompe à vide pour fixer le carré en place. Prélever 0,5 millilitre de solution tiède de précurseur ou de référence dans une seringue d’un millilitre et placer immédiatement la solution sur le carré.

Ensuite, faites fonctionner la machine de revêtement à 2 000 à 6 000 tr/min pendant 60 secondes dans les airs pour créer un film de 50 nanomètres d’épaisseur. Laissez sécher la surface pendant 10 minutes à température ambiante en l’absence de lumière. Ensuite, utilisez un coton-tige, imbibé de chlorobenzène, pour éliminer l’excès de matière photoactive.

Séchez à nouveau la surface dans les mêmes conditions. Pour analyser la structure de séparation de phase, arrêtez la préparation ici et utilisez un microscope optique ou électronique à balayage pour obtenir des images de la couche photoactive. Pour imprimer une électrode organique sur un carré de verre ITO recouvert d’un matériau photoactif, utilisez une imprimante sérigraphique avec un masque métallique de 50 micromètres d’épaisseur pour imprimer un rectangle de 5 millimètres sur 20 millimètres de PDOT-PSS sur la surface du carré.

Laissez l’électrode sécher pendant 30 minutes à l’air libre à température ambiante en l’absence de lumière. Ensuite, découpez un morceau de substrat de verre de 1,5 centimètre sur 2,5 centimètres d’épaisseur à l’aide d’un coupe-diamant. Étalez de la résine époxy sur la pièce de verre à l’aide d’une spatule en plastique.

Placez le verre côté époxy vers le bas sur l’échantillon, en laissant un côté de la surface de l’échantillon exposé. Nettoyez les électrodes de support avec de l’acétone et un coton-tige. À l’aide d’un fer à souder à ultrasons, soudez les électrodes de support sur la surface exposée restante du carré.

Mesurez les caractéristiques de tension de courant de la cellule à l’aide d’un simulateur solaire. Répéter cette procédure pour chaque alcoxyde de titane à tester et pour le PFO-DBT comme référence. Des cellules solaires à hétérojonction en vrac organiques-inorganiques ont été fabriquées à l’aide de quatre alcoxydes de titane différents comme accepteurs d’électrons.

Les caractéristiques de la tension de courant ont été significativement affectées par les propriétés de l’alcoxyde, ce qui a été attribué aux différences dans la structure de séparation de phase de la couche photoactive. Les densités de courant de court-circuit des cellules utilisant du titane quatre isopropoxyde, de l’éthoxyde et du butoxyde étaient beaucoup plus élevées que celles de la cellule utilisant un polymère de butoxyde. La microscopie électronique à balayage des couches photoactives a montré des structures de séparation de phase acceptables pour les quatre cellules de titane, d’éthoxyde et d’isopropoxyde.

La cellule à quatre butoxydes de titane a montré une séparation de phase un peu plus mauvaise, ce qui a été attribué à l’encombrement du butoxyde. La masse encore plus importante du polymère à quatre butoxydes de titane était prohibitive pour une séparation de phase optimale, ce qui entraînait une faible génération de charge dans la couche photoactive. Après chaque développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des cellules solaires hybrides organiques-inorganiques pour explorer les combinaisons de divers matériaux pour des couches photoactives très efficaces.